Заземление - одна из основных мер безопасности при использовании электрических приборов. В случае износа внутренней изоляции под напряжением может оказаться внешний корпус техники, при касании к которому может случится поражение электрическим током. Именно для предотвращения таких происшествий и организуется монтаж заземления. А чтобы защитная конструкция была максимально эффективной, необходимо провести её расчёт заземления, который может отличаться в зависимости от множества исходных факторов.
Виды заземляющих конструкций
Для организации заземления используются проводники из металлоконструкций различной формы (балка, труба, уголок и так далее). Эти базисные элементы могут быть использованы в одной из трёх основных систем:
- С использование одиночного глубинного заземлителя;
- Монтаж комплексной модульной конструкции;
- Организация электролитического заземления.
Вне зависимости от типа выбранной конструкции, её сопротивление должно укладываться в определённые рамки. Для трёхфазной сети на 380 Вольт сопротивление заземления должно составлять не более 4 Ом. Более распространённая однофазная сеть на 220 Вольт потребует не более 8 Ом. Также предварительные расчёты позволяют заранее определиться с количеством необходимых материалов, что даёт возможность существенно сэкономить.
Формула расчёта одиночного заземлителя
Существует ряд факторов, влияющих на окончательный результат расчёта заземляющей конструкции, а именно:
- Используемые материалы (решающие значение имеет вид металла, но немаловажным могут быть и показатели электролита);
- Форма элементов-электродов (влияет незначительно);
- Расстояние между элементами электродами;
- Глубина, на которую погружается монтируемый контур.
Необходимо отметить, что для получения системы, имеющий сопротивление в 4–8 Ом, применяемые металлические элементы должны обладать определёнными минимальными параметрами:
- Плоская балка - 12 мм в ширину, 4 мм в высоту;
- Уголок - 4 мм в высоту
- Шест - диаметр не менее 10 мм;
- Труба - толщина не менее 3.5 мм.
Расчёт защитного заземления можно провести при помощи специализированного программного обеспечения или онлайн-калькуляторов. Но для их правильного использования необходимо знать общую формулу, по которой проводятся вычисления и значение всех переменных. Традиционно в рассматриваемой формуле используются следующие обозначения:
- R - расчётное заземление (Ом);
- L - протяжённость заземляющего элемента-заземлителя (м);
- d - диаметр элемента (м);
- T - заглубление: расстояние между от середины каждого заземляющего элемента до поверхности грунта (м);
- ρ - сопротивление грунта (Ом×м). Смотрите таблицу.
- π - число Пи (3.14)
Расчёт такого типа контура заземления производится по такой формуле:
Измерить все перечисленные значения не составить большой трудности, за исключением разве что параметра ρ. Произвести эту процедуру можно самостоятельно при помощи Омметра, но нужно понимать, что полученные данные могут существенно изменяться при изменении температуры, влажности и других параметров окружающей среды. Поэтому гораздо удобнее будет воспользоваться усреднёнными табличными данными:
Формула расчёта системы заземлителей
С целью достижения оптимального значения сопротивления создаваемой конструкции одиночные заземлители можно расположить в ряд или сформировать из них замкнутый контур (круг, прямоугольник или любую другую фигуру). Для расчёта такого заземления в указанную выше формула войдут дополнительные параметры:
- R1 - искомое сопротивление (Ом);
- R - сопротивление, вычисленное по базовой формуле (Ом);
- N - число элементов в системе заземлителей;
- Ки - коэффициент использования.
О последнем параметре необходимо рассказать подробнее. Вокруг каждого электрода, используемого для заземления электрического тока, можно представить воображаемую зону, в которой его эффективность достигает 90 %. Она формируется из всех точек, удалённых от поверхности электрода на расстояние, равное его длине. При расчёте заземление необходимо избегать пересечения этих зон, что позволяет достичь максимального коэффициента полезного действия формируемой системы.
Для подсчётов удобнее всего пользоваться табличными значениями, полученных в результате практического применения формулы.
Сама же формула выглядит следующим образом:
Таким образом, если предварительно вычислить переменную и взять её за константу, то по данной формуле можно вычислить оптимальный набор электродов, необходимый для создания заземляющей конструкции:
При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.
Формула расчёта электролитического заземления
В упрощённой модели электролитическую систему заземления можно описать как металлическую трубу, заполненную веществом-электролитом. Это вещество повышает сопротивление всей конструкции и, что более важно, способствует сохранению её параметров с течением времени. Это достигается за счёт того, что со временем электролит проникает в почву и накапливается в ней.
Помимо описанных выше параметров в формуле расчёта электролитического заземления используется параметр C, который описывает концентрацию электролита в почве. Его допустимые значения могут колебаться в промежутке между 0.5 и 0.05. Чем дольше рассматриваемая система находится в грунте, тем меньше становится значение этого параметра: если при начале установки он равнялся 0.5, то через полгода он составить всего 0.125 (но дальнейшее его падение прекратиться).
В этом случае требуемая формула будет такой:
Если в монтируемой системе присутствует несколько электродов электролитического типа, тогда её сопротивление может быть рассчитано по формуле из предыдущего раздела. С той лишь разницей, что коэффициент использования тут будет несколько иной:
В данной статье мы рассмотрели основные типы электрического заземления и все необходимые формулы для их расчёта. Очевидно, что в основе всех вычислений лежит расчёт контура одиночного заземления, в то время как два основных вида получаются при помощи его расширения и доработки. Стоит ещё раз указать на то, что большую одну из ключевых ролей в организации эффективного заземления играет расстояние между электродами, которое не должно быть меньше их отдельной длинны. Все приведённые выше вычисления можно существенно упростить, если воспользоваться специализированным программным обеспечением или онлайн-инструментами. Обладая минимум знаний о том, какие параметры участвуют в расчёте заземления, эти утилиты позволят существенно сократить время проведения работ, при этом обеспечивая довольно высокую точность.
Видео по теме
Владельцы отдельных домов и дач все больше начинают понимать, что пользование электроэнергией не только значительно облегчает выполнение повседневных бытовых потребностей, но и представляет определённые риски для человека. В жизни всегда существует возможность возникновения аварийной ситуации, которая может привести к получению электротравмы.
Требует постоянного пристального внимания со стороны владельца. Одним из вопросов ее обеспечения является эксплуатация индивидуального контура заземления, который необходимо не только создать по определённой методике, но и правильно выбрать конструкцию, выполнив надежный расчет всех ее элементов.
Сразу оговоримся, что осуществить его своими руками может любой человек, знакомый с основами электротехнических расчетов. Для этого ниже приведена методика его выполнения.
Однако, она носит рекомендательный, ознакомительный характер и требует уточнения полученного результата в специализированной лаборатории, обладающей лицензией на право проведения экспертизы подготовленным персоналом проектировщиков, периодически подтверждающих свою квалификацию сдачей экзаменов в инспектирующих государственных органах.
Выбор конструкции заземления для расчета
В электрической схеме зданий разного назначения работает большое количество различных видов заземлительных устройств. Среди них для бытовых целей лучше подходят изделия с:
одиночным глубинным заземлителем;
несколькими электродами модульного типа вертикального расположения;
электролитическим заземлением горизонтальной ориентации.
Последняя конструкция еще не обладает такой широкой известностью, как первые две перечисленные, но вполне может конкурировать с ними, выступать альтернативой.
Предварительный расчет электрических характеристик каждой модели поможет определиться с наиболее подходящим типом заземления и остановить на нем свой выбор для дальнейшего монтажа, наладки, эксплуатации.
Кратко на примерах рассмотрим методику их расчета.
Расчет контуров заземлений для жилых зданий
Назначение
Расчет помогает проанализировать габариты и форму создаваемого контура для обеспечения допустимого электрического сопротивления аварийному току, отводимого от дома на потенциал земли.
Заземление призвано снизить напряжение прикосновения человека до безопасного значения за счет растекания от него недопустимых токов и перераспределения опасных потенциалов.
Для жилых зданий сопротивление контура не должно превышать 8 Ом при эксплуатации однофазной сети 220 вольт и 4 Ома — для трехфазной 380.
Факторы, влияющие на расчет контура
Величина электрического сопротивления заземления зависит от:
1. проводимости грунта;
2. применяемого в конструкции металла;
3. формы и количества электродов;
4. расстояния между заземлителями;
5. глубины залегания контура.
Характеристики грунтов
Для учета их влияния на протекание токов используется термин «Удельное сопротивление грунта», единицей которого выбран «Ом∙м». Он обозначается латинской буквой ρ. Этот показатель зависит от многих факторов, включая влажность почвы и ее состав, изменяется в определённых пределах даже с учетом погодных условий.
Величина удельного сопротивления грунта определяется измерением на местности, а его усредненные значения для предварительных ориентировочных расчетов сведены в таблицы. Электроды заземлителей с целью уменьшения климатического воздействия заглубляют в землю на 0,7 метра или больше.
Сравнить влияние состава грунтов, влажности, температуры рабочей среды на величину этого показателя можно на основе предлагаемой таблицы.
Таблица приближенных значений удельного сопротивления для грунтов и воды
| № п/п | Рабочая среда | -20°С | -10°С | -5°С | Талый грунт |
| 1 | Песок | 11500 | 8000 | 5000 | 500 |
| 2 | Песок глинистый с примесями кварца (пылеватый) | 3000 | 1200 | 1100 | 45 |
| 3 | Супесь | 1500 | 1000 | 500 | 800 |
| 4 | Суглинок тяжелый | 3500 | — | 1200 | 50 |
| 5 | Глина с влажностью от 6% до 40% | 3000 | 3000 | 550 | 70 |
| 6 | Глина каменистая (слой 1÷3 м, а далее гравий) | 12000 | — | 1000 | 100 |
| 7 | Известняк | 12600 | 7940 | 3000 | 2000 |
| 8 | Чернозем | — | 1000 | 800 | 500 |
| 9 | Торф | — | 1000 | 500 | 20 |
| 10 | Вода речная | — | — | — | 50-400 |
| 11 | Вода озерная | — | — | — | 50 |
| Размерность в Ом∙м | |||||
Металл заземлителя
Для изготовления электродов контура обычно выбирают:
нержавеющие легированные сорта стали;
обычные стальные сплавы, используемые для изготовления труб, уголков, прутков;
Стальные сплавы.
Величину их проводимости легко найти в технических справочниках.
Параметры контура, влияющие на расчет сопротивления заземления R
Кроме удельного сопротивления грунта ρ, при проведении анализа необходимо учитывать:
1. длину электрода L;
2. его диаметр D;
3. глубину залегания электрода от поверхности почвы до его середины T;
4. общее количество электродов N;
5. коэффициент использования Ки;
6. коэффициент содержания электролитов в грунте C.
Методика расчета заземления из одиночного глубинного электрода
Устройство заземлителя может быть цельным либо создано из сборной конструкции, выполненной сваркой или на основе соединения резьбой рабочих деталей.
Для расчета его электрического сопротивления используют формулу, приведенную на картинке.
Методика расчета заземления из нескольких заглубленных электродов
Электрическое сопротивление единичного электрода определяется по ранее приведенной формуле, а для расчета их общего влияния на конечный результат используется соотношение, показанное на очередной картинке.
Электроды могут располагаться в линию или образовывать треугольник либо другую симметричную геометрическую фигуру.
Методика расчета заземления из электролитических заземлителей
Для его проведения используются те же принципы, что и при вычислении сопротивления горизонтальных электродов, выполненных в форме обычной трубы. Только учитывается влияние электролита на окружающую его почву. Для этого вводится поправка коэффициента С. Она может изменяться в разных условиях от 0,05 до 0,5.
Формула расчета сопротивления представлена на картинке.
Электролитическое заземление изготавливается в виде горизонтального отрезка полой трубы из нержавеющей легированной стали или медных сплавов, устойчивых к процессам коррозии. Через нее происходит насыщение почвы сквозь электроды минеральными солями, обладающими электролитическими свойствами.
Соли, попадая в грунт, преобразуются под действием влаги почвы в электролит, который:
1. повышает электропроводящие свойства грунта;
2. снижает температуру замерзания почвы около электрода и этим дополнительно уменьшает электрическое сопротивление контура заземления.
Эффективным приемом повышения работоспособности подобных конструкций является использование активаторов — специальных заполнителей с пониженным удельным сопротивлением. Их размещение снаружи электрода уменьшает переходное сопротивление в направлении от заземлителя к грунту и увеличивает площадь поверхности, с которой происходит токоотдача от электрода.
Характерной особенностью подобных конструкций является то, что коэффициент С с течением времени постепенно уменьшается: сказывается медленное проникновение электролита в толщу грунта и увеличение его объема в нем.
Электролит постепенно выщелачивает соли электрода даже в плотном грунте и понижает коэффициент С от 0,5 до 0,125 уже через полгода после ввода в эксплуатацию.
Все эти особенности работы электролитических заземлителей более точно учитываются при расчете специалистами электротехнических лабораторий.
Методика упрощенного расчета заземления для домашнего мастера
Домашнему электрику без специальных знаний довольно сложно ориентироваться во всех этих технологиях, требующих постоянного введения в расчет различных поправок и коэффициентов. Ему предлагается простое и доступное решение на основе уже разработанной компьютерной программы.
Она представляет собой утилиту, которая называется просто: «Электрик» и свободно распространяется разработчиком на бесплатной основе через интернет ресурсы. Однако, ему можно помочь, перечислив небольшую денежную сумму, которую он израсходует на совершенствование алгоритмов работы.
Программа для скачивания помещена в архив, который занимает 15,9 Мб. При установке на компьютер она создает папку CU, расположенную в директории “Program Files” диска С и занимает 55,5 Мб.
Как выполнить расчет сопротивления заземления с помощью программы «Электрик»
После открытия утилиты в нижней части ее окна необходимо выбрать режим расчета «Заземление».
Откроется окно, в котором потребуется указать тип конструкции заземлительного устройства.
Откроется окно ввода данных конструкции используемого нами контура заземления и характеристик климатических особенностей зоны нашего проживания. Вводим усредненные параметры, как показано в примере дополнительными сносками, проверяем их и нажимаем на кнопку «Расчет контура».
Программа «Электрик» самостоятельно и довольно быстро выполняет весь расчет контура заземления, предлагает схему распределения и количество заземлителей, геометрические размеры всех элементов конструкции.
Здесь же предлагается возможность проведения дополнительной корректировки рассчитанных характеристик и выносится предупреждение о необходимости подтверждения предоставленных результатов лицензионными электротехническими лабораториями, допущенными к проектированию контуров заземлений.
Без этой проверки возможна ошибка в работе заземлителей, которая способна причинить большой материальный ущерб владельцу и нанести электротравмы рядом оказавшимся людям при возникновении аварийных ситуаций.
Внимание! Даже самый точный и правильно выполненный расчет не способен исключить ошибки монтажа и подключения контура заземления.
Их может выявить только лаборатория выполнением электрических измерений на своем специализированном оборудовании.
Как проверить качество смонтированного контура заземления
Правильность отвода опасных токов от здания можно узнать только двумя путями:
1. возникновением реальной аварийной ситуации и проверкой последствий ее прохождения;
2. электрическими измерениями.
Первый способ самый точный и действенный, но он не позволяет устранить неисправности и часто приводит к печальным последствиям при наличии ошибок. На практике применяют второй метод: привлечение специалистов подготовленных электрических подразделений.
Какие измерения выполняет лаборатория
Среди непосвященных людей часто возникает путаница с основными работами и терминами, выполняемых подобными организациями. Поэтому заострим внимание на их трактовке:
1. измерение сопротивления заземления;
2. проверка сопротивления заземления;
3. измерение сопротивления изоляции.
Как видим, все три вида работ очень похожи по названию, но они выполняются по разным технологиям, преследуя собственные, уникальные цели.
Предназначены выявить качество связей корпусов металлических приборов, к которым может прикоснуться человек, с потенциалом земли через заземлительное устройство. При этом измеряется электрическое сопротивление этого участка специальными приборами типа М416 или его современными аналогами различных модификаций.
Проверки сопротивления заземления используются для анализа состояния молниезащиты здания. Ее оценка проводится для определения сопротивления контура при наихудших условиях эксплуатации с целью определения степени износа всей конструкции и предоставления рекомендаций по ее восстановлению.
Для замера устанавливают штыри-электроды в нескольких точках местности и подают между ними и контуром разность потенциалов.
Подразумевают:
1. определения тангенса потерь диэлектрического слоя изоляции путем проведения испытаний повышенным напряжением;
2. замеры мегаомметром.
Все эти работы требуют специального дорогостоящего оборудования, которого у обычного электрика нет в пользовании.
Для обеспечения безопасности эксплуатации электрооборудования производят расчет заземляющих устройств уже на стадии проектирования. Электроустановки напряжением до 1000 В при изолированной нейтрали и мощности трансформатора более 100 кВА должны иметь сопротивление защитного заземления не более 4 Ом. При мощности
Рис. 1. Схема контурного заземления электрооборудования:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземляющий магистральный проводник; 7 – заземлитель
Рис. 2. Схема выносного очагового заземления
электрооборудования:
Рис. 3. Схема выносного заземления электрооборудования при расположении электродов в ряд:
1 – электрооборудование; 2 – здание; 3 – внутренний заземляющий контур; 4, 5 – заземляющие проводники; 6 – заземлитель
трансформатора менее 100 кВА сопротивление заземления не должно превышать 10 Ом.
Сопротивление заземлителей растеканию тока зависит от их числа, размеров, удельного сопротивления грунта. Сопротивление одиночного стержневого заземлителя (электрода) определяется по формуле, Ом
(1)
где ρ – удельное сопротивление грунта, Ом·м; d – диаметр стержневого заземлителя, м; l – длина стержневого заземлителя, м; h – глубина размещения заземлителя, м
h = 0,5l + h 0 , (2)
где h 0 – расстояние от поверхности грунта до начала одиночного заземлителя, от 0,5 до 0,8 м.
Для заземлителей из угловой стали предварительно определяют эквивалентный диаметр по формуле
где С – ширина полок уголка, м.
Необходимые для расчета значения удельных сопротивлений грунтов приведены в табл. 1.
Таблица 1
|
Вид грунта |
Пределы колебаний величины удельных сопротивлений грунтов, Ом·м |
расчетов удельные сопротивления грунтов, Ом·м |
|
Суглинок | ||
|
Садовая земля | ||
|
Чернозем | ||
|
Речная вода | ||
|
40000 – 45000 | ||
Количество стержневых заземлителей, необходимых для достижения нормативного сопротивления заземляющего устройства, определяется по формуле
где R D – допустимое (нормативное) сопротивление заземления, Ом; η C – коэффициент сезонности; η I – коэффициент использования (экранирования) в вертикальных заземлителях.
Забитые электроды соединяются металлической полосой сечением не менее 48 мм 2 . Длина полосы для контура равна
L n = 1,05a(N – 1), (5)
а при расположении электродов в ряд
где a – расстояние между электродами, м; N – число электродов, шт.
Численные значения коэффициента сезонности в основном определяются колебанием влажности почвы в течение года и заданы в табл. 2.
Таблица 2
|
Глубина размещения (заложения), м |
|||||
|
Сентябрь | |||||
Численные значения коэффициента использования (экранирования) для вертикальных заземлителей (электродов) при их размещении по контуру и в ряд (выносная схема) приведены в табл. 3.
Таблица 3
|
заземлителей |
Отношение расстояния между электродами к их длине |
|||||
|
размещение в ряд |
размещение по контуру |
|||||
Сопротивление растеканию электрического тока соединяющей полосы, уложенной в земле, определяется по формуле, Ом
где L – длина полосы, м; b – ширина полосы, м; h – глубина заложения полосы от поверхности земли, м.
Результирующее сопротивление растеканию электрического тока всего заземляющего устройства определяется по формуле
где η p – коэффициент использования (экранирования) горизонтальной соединительной полосы.
Численные значения коэффициента использования горизонтального полосового электрода в зависимости от числа вертикальных электродов, соединяемых им, приведены в табл. 4.
Таблица 4
|
Отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов |
||||||
|
размещение в ряд |
|||||||
|
размещение по контуру |
|||||||
В технической литературе часто рассказывается про заземление и зануление. Действительно, вопрос о заземлении в домах и квартирах встал в нашей стране относительно недавно. Еще когда бригады коммунистов электрифицировали страну, в деревенские домики подводили только фазу и ноль. Про провод заземления умалчивали. Во-первых, экономили алюминий как стратегический металл для самолетов, а во-вторых, мало кого заботили проблемы с защитой населения от поражения электрическим током, а в-третьих, не думали о заземлении как о эффективной мере защиты людей. Прошло достаточно времени, чтобы исчезли коммунисты, а вместе с ними и распалась страна, в которой они правили, но памятники, оставшиеся после них, все еще стоят. Памятники стоят, а дома разрушаются.
В нашим домах заземлены только трубы водопровода, канализации и газопровода, а также поэтажные щитки. При этом трубы газопровода для заземления не подходят из-за взрывчатого газа, который по ним летит. Трубы канализации для заземления также использовать нельзя. Хоть канализация сплошь из чугуна, но стыки чугунных труб заделаны цементом, который является плохим проводником. Трубы водопровода вроде как являются неплохим заземлением, но нужно учитывать, что трубы прокладывают не в земле, а в слое изоляции в специальных каналах. Самое надежное заземление – от распределительного этажного щита.
На предприятиях все изначально делали грамотно и заземляли все, что можно. Кроме заземления на предприятиях используется зануление. Многие ошибочно считают, что зануление - это проводок в розетке от нулевого провода к заземляющему контакту. Понятия "заземление" и "зануление" тесно связаны с понятием нейтрали.
Нейтраль – точка схождения трех фаз через обмотки в трансформаторе, соединенных звездой. Если эту точку соединить с заземлителями, то образуется глухозаземленная нейтраль трансформатора, и общую систему называют заземленной. Если к этой точке приварить шину и соединить ее со всеми приборам и аппаратам, то оборудование окажется заземленным.
Если нейтраль соединить с нулевой шиной (без заземлителей), то образуется изолированная нейтраль трансформатора, и общую систему называют зануленной. Если эту шину соединить со всеми приборами и аппаратами, то оборудование окажется зануленным.
Идея в том, что по заземленному или зануленному проводнику течет ток только при перекосе фаз, но это для трансформатора и при аварийных режимах работы. Нельзя выбирать - занулять или заземлять оборудование. Это сделано уже на подстанции. Обычно используется глухозаземленная нейтраль.
Если к примеру обмотка двигателя стиральной машины разрушилась и появилось сопротивление между корпусом и обмоткой, то на корпусе стиральной машины будет потенциал, который можно обнаружить индикаторной отверткой. Если машина не заземлена, то при касании корпуса потенциал машины станет потенциалом вашей руки, а т.к. ванная, где находится машина, является помещением особо опасным с точки зрения поражения током и следовательно пол является токопроводящим, нога приобретет нулевой потенциал и значит вы получите удар напряжением, пропорциональным потенциалу руки. Если машину заземлить, то в теории сработает автоматический выключатель защиты. Если машину занулить, то потенциал растечется вокруг всей машины и при касании потенциалы руки и ноги будут одинаковыми. Только надо учитывать, что ток растекается вокруг и при шагании ноги оказываются под разными потенциалами. И, конечно, можно получить удар напряжением.
Критерии применения заземления
Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землёй или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением.
Защитное заземление применяется в сетях напряжением до 1000 В переменного тока – трёхфазные трехпроводные с глухозаземленной нейтралью; однофазные двухпроводные, изолированные от земли; двухпроводные сети постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока; в сетях выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали.
Заземление обязательно во всех электроустановках при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках при напряжении 42 В и выше переменного тока, 110 В и выше постоянного тока; при любых напряжениях во взрывоопасных помещениях.
В зависимости от места размещения заземлителей относительно заземляющего оборудования различают два типа заземляющего устройств - выносное и контурное.
При выносном заземляющем устройстве заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование.
При контурном заземляющем устройстве электроды заземлителя размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.
В открытых электроустановках корпуса присоединяют непосредственно к заземлителю проводами. В зданиях прокладывается магистраль заземления, к которой присоединяют заземляющие провода. Магистраль заземления соединяют с заземлителем не менее чем в двух местах.
В качестве заземлителей в первую очередь следует использовать естественные заземлители в виде проложенных под землёй металлических коммуникаций (за исключением трубопроводов для горючих и взрывчатых веществ, труб теплотрасс), металлических конструкций зданий, соединённых с землёй, свинцовых оболочек кабелей, обсадных труб артезианских колодцев, скважин, шурфов и т.д.
В качестве естественных заземлителей подстанций и распределительных устройств рекомендуется использовать заземлители опор отходящих воздушных линий электропередачи, соединённых с заземляющим устройством подстанций или распределительным устройством с помощью грозозащитных тросов линий.
Если сопротивление естественных заземлителей Rз удовлетворяет требуемым нормам, то устройство искусственных заземлителей не требуется. Но это можно только измерить. Посчитать сопротивление естественных заземлителей нельзя.
Когда естественные заземлители отсутствуют или использование их не даёт нужных результатов, применяют искусственные заземлители - стержни из угловой стали размером 50Х50, 60Х60, 75Х75 мм с толщиной стенки не менее 4 мм, длиной 2,5 - 3 м; стальные трубы диаметром 50-60 мм, длиной 2,5 - 3 м с толщиной стенки не менее 3,5 мм; прутковая сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м и более.
Заземлители забивают в ряд или по контуру на такую глубину, при которой от верхнего конца заземлителя до поверхности земли остаётся 0,5 - 0,8 м. Расстояние между вертикальными заземлителями должно быть не менее 2,5-3 м.
Для соединения вертикальных заземлителей между собой применяют стальные полосы толщиной не менее 4 мм и сечением не менее 48 кв.мм или стальной провод диаметром не менее 6 мм. Полосы (горизонтальные заземлители) соединяют с вертикальными заземлителями сваркой. Место сварки обмазывается битумом для влагоизоляции.
Магистрали заземления внутри зданий с электроустановками напряжением до 1000 В выполняют стальной полосой сечением не менее 100 кв.мм или сталью круглого сечения той же проводимости. Ответвления от магистрали к электроустановкам выполняют стальной полосой сечением не менее 24 кв.мм или круглой сталью диаметром не менее 5 мм.
Нормируемые сопротивления заземляющих устройств приведены в табл.1.
Таблица 1. Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В
|
Наибольшие допустимые значения R з, Ом |
Характеристика электроустановок |
|
< 500А |
|
|
R з = 250 / I з < 10 |
Для электроустановок напряжением выше 1000В и расчётным током замыкания на землю I з < 500А |
|
R з = 125 / I з < 10 |
При условии, что заземляющее устройство является общим для злектроустановок напряжением до и выше 1000 В и расчётном токе замыкания на землю I з < 500 |
|
В электроустановках напряжением 660/380 В |
|
|
В электроустановках напряжением 380/220 В |
|
|
В электроустановках напряжением 220/127 В |
Расчётные токи замыкания на землю принимают по данным энергосистемы либо путём расчётов. В принципе, при строительстве коттеджа ток замыкания на землю не нужен. Это вопрос заземления подстанции.
Расчёт заземления методом коэффициентов использования производится следующим образом.
1. В соответствии с ПУЭ устанавливается необходимое сопротивление заземления Rз по таблице 1.
2. Определяют путём замера, расчётом или на основе данных по работающим аналогичным заземлительным устройствам возможное сопротивление растеканию естественных заземлителей Rе.
3. Если Rе
4. Определяют удельное сопротивление грунта ρ из таблицы 2. При производстве расчётов эти значения должны умножаться на коэффициент сезонности, зависящий от климатических зон и вида заземлителя (таблица 3).
Таблица 2. Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды p, Ом м
|
Наименование грунта |
Удельное сопротивление, Ом м |
|
Суглинок |
|
|
Глина (слой 7-10 м) или гравий |
|
|
Мергель, известняк, крупный песок с валунами |
|
|
Скалы, валуны |
|
|
Чернозём |
|
|
Речная вода (на равнинах) |
|
|
Морская вода |
Примерное распределение государств СНГ по климатическим зонам:
1 зона: Архангельская, Кировская, Омская, Иркутская области, Коми, Урал;
2 зона: Ленинградская и Вологодская области, центральная часть России, центральные области Казахстана, южная часть Карелии.
3 зона: Латвия, Эстония, Литва, Беларусь, южные области Казахстана; Псковская, Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская и Ростовская области.
4 зона: Азербайджан, Грузия, Армения, Узбекистан, Таджикистан, Киргизия, Туркмения (кроме горных районов), Ставропольский край, Молдова.
Таблица 3. Признаки климатических зон и значения коэффициента К с
|
Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых заземляющих электродов |
Климатические зоны СНГ |
|||
|
Климатические признаки зон: |
||||
|
средняя многолетняя низшая температура (январь), °С |
от -20 до -15 |
от -14 до -10 |
||
|
средняя многолетняя высшая температура (июль), °С |
от +16 до +18 |
от +18 до +22 |
от +22 до +24 |
от +24 до +26 |
|
среднегодовое количество осадков, мм |
||||
|
продолжительность замерзания вод, дн |
||||
|
Значение коэффициента Кс при применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м |
||||
|
Значение коэффициента К"с при применении протяжённых электродов и глубине заложения их вершины 0,8 м |
||||
|
Значение коэффициента Кс при длине 5 м и глубине заложения вершины 0,7-0,8 м |
||||
5. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного вертикального заземлителя - стержневого круглого сечения (трубчатый или уголковый) в земле:
Таблица 4. Коэффициенты использования М в вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых в ряд без учёта влияния полосы связи
|
Отношение расстояния между электродами к их длине: а/l |
Число электродов М в |
|
Таблица 5. Коэффициенты использования Мв вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи
|
Отношение расстояния |
Число электродов М в |
|
6. При устройстве простых заземлителей в виде короткого ряда вертикальных стержней расчёт на этом можно закончить и не определить проводимость соединяющей полосы, поскольку длина её относительно невелика (в этом случае фактически сопротивление заземляющего устройства будет несколько завышено). В итоге общая формула для расчета сопротивления вертикальных заземлителей выглядит так
р - Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом м, таблица 2
КС - Признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.
L – длина вертикального заземлителя, м
d – диаметр вертикального заземлителя, м
t’ – длина от поверхности земли до середины вертикального заземлителя, м
Мв – коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл.4, 5). Предварительное количество вертикальных заземлителей для определения Мв можно принять равным Мв=rв/Rз
а – расстояние между вертикальными заземлителями (обычно отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)
при этом l>d, t0>0,5 м;
для уголка с шириной полки b получают d=0,95b.
Для горизонтальных заземлителей расчет ведется тем же методом коэффициента использования
1. Определяют сопротивление, Ом, растеканию горизонтального заземлителя. Для круглого стержневого сечения:
Таблица 6. Коэффициенты использования М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов в ряд.
|
М г при числе электродов в ряд |
||||||||
Таблица 7. Коэффициент использования М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов по контуру.
|
Отношение расстояния между электродами к длине a/l |
М г при числе электродов в контуре заземления |
||||||||
р - приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом м, таблица 2
КС - признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.
L – длина горизонтального заземлителя, м
d – диаметр горизонтального заземлителя, м
t’ – длина от поверхности земли до середины горизонтального заземлителя, м
Мв-коэффициент использования горизонтальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл. 6, 7).
а – расстояние между горизонтальными заземлителями (обычно отношение расстояния между горизонтальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)
Rз – Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В, таблица 1
Здесь l>d, l>>4t’. Для полосы шириной b получают d=0,5b.
Пример 1
Рассчитать заземляющее устройство заводской подстанции 35/10 кВ, находящейся во второй климатической зоне. Сети 35 и 10 кВ работают с незаземленной нейтралью. На стороне 35 кВ Iз=8А, на стороне 10 кВ Iз=19А. Собственные нужды подстанции получают питание от трансформатора 10/0,4 кВ с заземленной нейтралью на стороне 0,4 кВ, естественных заземлителей нет. Удельное сопротивление грунта при нормальной влажности p=62 Ом*м. Электрооборудования подстанции занимает площадь 18*8 кв.м.
Решение
Прикинем количество вертикальных электродов 10 шт. по таблице 5, Мв=0,58.
Если Nв<10, все хорошо и можно принимать Nв=9 электродов.
Если Nв>10, нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
Прикинем количество горизонтальных электродов 50 шт. по таблице 6, Мг=0,2.
Если Nг<50, все хорошо и можно принимать Nг=49 электродов.
Если Nг>50, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
Пример 2
Рассчитать заземляющее устройство коттеджа в Беларуси. Коттедж стоит на глинистой почве, следовательно удельное сопротивление грунта p=40 Ом*м. Для заземления используется арматура диаметром 12 мм и длиной 2 метра.
Решение
По таблице 1 – Rз=4
По таблице 2 – р=40 Ом*м
По таблице 3 – Кс=1,6
Электроды будут размещаться в ряд, поэтому по таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, например 10 шт. Мв=0,62
Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра.
Найдем количество вертикальных электродов
Если Nв>10, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
По таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, итого 15 шт. Мв=0,56
Если Nв<15, все хорошо и можно принимать Nв=14 электродов.
Пойдем другим путем и из штырей сварим каркас, закопав его на 0,8 метра под землю. Так получаются горизонтальные заземлители.
По таблице 1 – Rз=4
По таблице 2 – р=40 Ом*м
По таблице 3 – Кс=1,6
Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра
Прикинем количество горизонтальных электродов, например 30 шт. по таблице 6, Мг=0,24
Если Nг>30, то нужно увеличить Мг, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
По таблице 6 прикинем количество горизонтальных электродов, например 50 шт. Мг=0,21
Если Nг<10, все хорошо и можно принимать Nг=37 электродов.
Заземление учитывает свойство Земли проводить электричество. Электроды для заземления делают обычно из стали. Сталь со временем ржавеет и разрушается, и заземление пропадает. Процесс этот необратим, но можно использовать стальные стержни, покрытые цинком. Цинк тоже металл, но он плохо подвержен ржавлению до тех пор, пока слой цинка есть. Когда со временем цинк вымывается или стирается механическими способами, например, при забивании электродов в твердую почву камни могут ободрать покрытие, тогда скорость коррозии увеличится вдвое. Иногда используют специальные электроды с покрытием из меди.
Стержни для заземления можно брать те, которые использовались как арматура для бетона фундамента. Красить или покрывать смолистыми составами их нельзя – смола выступит как изолятор и заземления не будет вообще. Чем длиннее стержни, тем меньше их понадобится для заземления, но тем труднее их забить в почву. Поэтому вначале нужно выкопать траншею глубиной 1 метр. Забить в траншею кусок арматуры, предварительно заточенный, чтобы он выглядывал из дна траншеи не более 20 сантиметров. Следом через 2 метра забивают следующую арматуру и так далее по расчету. Следом на дно траншеи кладут арматуру и приваривают ее ко всем забитым штырям. Место сварки необходимо обмазать битумом для влагоизоляции. Это делается потому, что арматуру толщиной 12 миллиметров будет гнить в земле очень долго, а вот место сварки по площади относительно небольшое, но самое ответственное.
После забивания всех электродов можно провести эксперимент. Из дома вытягиваем удлинитель. Источник напряжения должен приходить со столба от подстанции. Использовать для проверки автономный источник типа генератора нельзя – не будет замкнутой цепи. На удлинителе находим фазу и подключаем один провод от лампочки, а вторым проводом прикасаемся к обваренным электродам. Если лампочка светится, то измеряем напряжение между фазным проводом и заземленными электродами, напряжение должно быть 220 В, а вот светиться лампочка должна достаточно ярко. Также можно измерить ток через лампочку в 100 Вт. Если ток примерно 0,45 А, все в порядке, но если ток значительно меньше – следует добавить заземляющих стержней.
Нужно добиться нормального свечения лампочки и тока в пределах нормы. После этого места сварки заливают битумом и выводят кусок арматуры из траншеи, прикрепив его к дому. После этого траншею можно засыпать. Выведенный кусок арматуры нужно приварить к электрическому распределительному щиту в коттедже. От щита уже развести медными кабелями все точки.
Нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства согласно Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Размерность - Ом.
В соответствии с ПУЭ устанавливают допустимое сопротивление заземляющего устройства Rн. Если заземляющее устройство является общим для установок на различное напряжение, то за расчетное сопротивление заземляющего устойства принимают наименьшее из допустимых.
Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN- или PE-проводника ВЛ напряжением до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее двух. Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.
При линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока в случае, если удельное сопротивление земли p > 100 Ом*м допускается увеличивать указанные нормы в 0,01p раз, но не более десятикратного.
Заземляющие устройства электроустановок напряжением до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью, используемые для защитного заземления открытых проводящих частей в системе IT, должно соответствовать условию:
где R - сопротивление заземляющего устройства, Ом;
Uпр - напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В (см. также 1.7.53 ПУЭ);
I - полный ток замыкания на землю, А.
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВА, в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.
В электроустановках напряжением выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства при прохождении расчетного тока замыкания на землю в любое время года с учетом сопротивления естественных заземлителей должно быть
но не более 10 Ом, где I - расчетный ток замыкания на землю, А.
В качестве расчетного тока принимается:
1) в сетях без компенсации емкостных токов - ток замыкания на землю;
2) в сетях с компенсацией емкостных токов:
для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты, - ток, равный 125 % номинального тока наиболее мощного из этих аппаратов;для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, - ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов.
Расчетный ток замыкания на землю должен быть определен для той из возможных в эксплуатации схем сети, при которой этот ток имеет наибольшее значение.")" onmouseout="hide_info(this)" src="/pics/help.gif">
