Все металлические части электроустановок, нормально не находящиеся под напряжением, но могущие оказаться под напряжением из-за повреждения изоляции, должны надежно соединяться с землей. Такое заземление называется защитным, так как его целью является защита обслуживающего персонала от опасных напряжений прикосновения.
Согласно требований ПУЭ, 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.
В электрических установках заземляются корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, вторичной обмотки измерительных трансформаторов, приводы электрических аппаратов, каркасы РУ, РП, ЩСУ, РЩ, ЩО, металлические корпуса кабельных муфт, металлические оболочки и броня кабелей, проводов, металлические конструкции зданий и сооружений и другие металлические конструкции, связанные с установкой электрооборудования.
Заземление, предназначено для создания нормальных условий работы аппарата или электроустановки называется рабочим заземлением. К рабочему заземлению относится заземление нейтралей трансформаторов, генераторов, дугогасительных катушек. Без рабочего заземления аппарат не может выполнить своих функций или нарушается режим работы электроустановки.
Для защиты оборудования от повреждений ударом молнии применяется грозозащита с помощью разрядников, искровых промежутков, стержневых и тросовых молниеотводов которые присоединяются к заземлителям. Такое заземление называется грозозащитным. Обычно для выполнения всех трех типов заземления используют одно заземляющее устройство. Для выполнения заземления используют естественные и искусственные заземлители.
В качестве естественных заземлителей применяют водопроводные трубы, металлические трубопроводы, проложенные в земле, за исключением трубопроводов горючих жидкостей и газов, металлические и железобетонные конструкции зданий, находящиеся в соприкосновении с землей, свинцовые оболочки кабелей, заземлители опор ВЛ, соединенные с заземляющим устройством грозозащитным тросом, рельсовые подъездные пути при наличии перемычек между рельсами.
Естественные заземлители должны быть связаны с магистралями заземлений не менее чем двумя проводниками в разных точках. В качестве искусственных заземлителей применяют прутковую круглую сталь диаметром не менее 10 мм (стальной пруток),угловую сталь (40х40, толщиной не менее 4мм), стальные трубы (не кондиция) толщиной стенки не менее 4мм.
Количество заземлителей (вертикальных и горизонтальных) определяется расчетом в зависимости от необходимого сопротивления заземляющего устройства, согласно требований ПУЭ.
УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТОВ. Табл. 7.3
При расчете заземляющего устройства определяется тип заземлителей, их количество и место размещения, а также сечение заземляющих проводников. Выполняем расчет заземляющего устройства для механического отделения. Естественных заземлителей нет. Удельное сопротивление грунта (земля – суглинок) при нормальной влажности равно 86 Ом * м.
Сопротивление заземляющего устройства нейтрали трансформатора на стороне 0,4 кВ согласно ПУЭ должно быть не более 4 Ом. Сопротивление заземляющего устройства на стороне 10 кВ согласно ПУЭ должно быть не менее 10 Ом. При совмещении заземляющих устройств различных напряжений (по заданию 0,4 кВ и 10 кВ) принимаем меньшие из требуемых значений сопротивления заземляющего устройства, т.е. Rз = 4 Ом является определяющим значением для расчета.
Заземляющее устройство выполняем в виде контура из стальной полосы 40х4мм, проложенной на глубине 0,7м вокруг оборудования подстанции (горизонтальный заземлитель) на расстоянии 2-х метров от подстанции. Общая длина полосы 60 м. Предварительно принимаем в контуре 10 вертикальных заземлителей (стальные прутковые стержни длинной 5м и диаметром 12мм на расстоянии 5м друг от друга). Находим расчетное удельное сопротивление грунта:
Для горизонтального заземлителя:
P
расч.Г =
K
сез.Г * P
сугл. 3 * 86 = 285 Ом * м
Для вертикального заземлителя:
P
расч.В =
K
сез.В * P
сугл. 1,25 * 86 = 107,5 Ом * м
P
расч.В - расчетное удельное сопротивление
земли для вертикальных заземлителей,
P
расч.Г - расчетное удельное сопротивление
земли для горизонтальных заземлителей,
K
сез.Г - коэффициент сезонности, учитывающий промерзание и просыхание
грунта (справочная величина) для горизонтальных заземлителей,
K
сез.В - коэффициент сезонности, учитывающий промерзание и просыхание
грунта (справочная величина) для вертикальных заземлителей.
Определяем сопротивление горизонтальных заземлителей (соединительной полосы контура):
где,
L
– длина полосы, м; t
- глубина заложения, м; b
– ширина полосы, м. Определяем сопротивление горизонтальной полосы в контуре с
учетом коэффициента использования соединительной полосы в контуре из 10 вертикальных
электродов табл. 7.4
КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОЕДИНИТЕЛЬНОЙ ПОЛОСЫ
В КОНТУРЕ ИЗ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДОВ.
Табл. 7.4
| Отношение расстояния между заземлителями к их длине | ЧИСЛО ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ | ||||||
| 4 | 6 | 8 | 10 | 20 | 30 | 50 | |
| 1 | 0,45 | 0,40 | 0,36 | 0,34 | 0,27 | 0,24 | 0,21 |
| 2 | 0,55 | 0,48 | 0,43 | 0,40 | 0,32 | 0,30 | 0,28 |
| 3 | 0,70 | 0,64 | 0,60 | 0,56 | 0,45 | 0,41 | 0,37 |
Где R
г = R
иск (естественные заземлители отсутствуют), необходимо определить
сопротивление вертикальных заземлителей.
Определяем сопротивление одного вертикального заземлителя (стальные прутковые стержни длинной 5м и диаметром 12мм)
Где L
– длина стержня, м; d
– диаметр стержня, м; t
– глубина заложения,
равная расстоянию от поверхности земли до середины заземлителя, м.
Определяем необходимое количество вертикальных заземлителей,
с учетом коэффициента использования вертикальных заземлителей
размещенных по контуру, зависящий от расстояния между ними а,
их длины и количества табл. 7.5
Принимаем в контуре 10 вертикальных стержней.
КОЭФФИЦИЕНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ
ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ, РАЗМЕЩЕННЫХ ПО КОНТУРУ
БЕЗ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ПОЛОСЫ СВЯЗИ.
Табл. 7.5
| Отношение расстояния между зазем- лителями к их длине | Число верти- кальных заземлите- лей |
Практическая работа.
Расчет защитного заземления.
Цель работы: ознакомиться с алгоритмом расчета защитного заземления методом коэффициентов использования заземлителей (электродов) по допустимому сопротивлению системы заземления растеканию тока.
Цель расчета: определение основных парамертров заземления (количества, размеров и размещения одиночных вертикальных заземлителей и горизонтальных заземляющих проводников)
1. Краткие теоретические сведения.
Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.
Назначение защитного заземления – устранение опасности поражения людей электрическим током при появлении напряжения на конструктивных частях электрооборудования, т.е. при замыкании на корпус.
Принцип действия защитного заземления – снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус. Это достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциалов за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по назначению к потенциалу заземленного оборудования.
Заземляющим устройством называется совокупность вертикальных заземлителей – металлических проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей, и горизонтальных заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.
Внутри помещений выравнивание потенциала происходит естественным путем через металлические конструкции, трубопроводы, кабели и подобные им проводящие предметы, связанные с разветвленной сетью заземления.
Защитному заземлению подлежат металлические нетоковедущие части оборудования, которые из-за неисправности изоляции могут оказаться под напряжением и к которым возможно прикосновение людей. При этом в помещении с повышенной опасностью и особо опасных по условиям поражений током, а также в наружных установках заземление является обязательным при номинальном напряжении электроустановки выше 42В переменного и выше 110В постоянного тока, а в помещениях без повышенной опасности – при напряжении 380В и выше переменного 440В и выше постоянного тока. Лишь во взрывоопасных помещениях заземление выполняется независимо от назначения установки.
Различают заземлители искусственные , предназначенные исключительно для целей заземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы для иных целей (проложенные в земле металлически водопроводные трубы; трубы артезианских скважин; металлические каркасы зданий и сооружений и т.п.). Запрещается использовать в качестве естественных заземлителей трубопроводы горючих жидкостей, горючих и взрывоопасных газов, а также трубопроводы, покрытые изоляцией для защиты от коррозии. Естественные заземлители обладают, как правило, малым сопротивлением растеканию тока, и поэтому использование их для целей заземления дает большую экономию. Недостатками естественных заземлителей является их доступность и возможность нарушения непрерывности соединения протяженных заземлителей.
По форме расположения заземлителей заземление бывает контурное и выносное.
В контурном заземлении все электроды располагают по периметру защищаемой территории. В выносных (сосредоточенное или очаговое) –заземлители располагают на расстоянии друг от друга не менее длины электрода.
В соответствии с требованиями механической прочности и допустимого нагрева токами замыкания на землю в установках напряжением свыше 1000В заземляющие стальные магистральные проводники должны иметь сечение не менее 120 мм 2 , а в установках до 1000В – не менее 100 мм 2 .
Дополнительная информация (извлечения из ПУЭ – «Правила устройства электроустановок», 2000г.) приведена в Приложении 2.
2. Порядок расчета.
2.1 Определяют расчетный ток короткого замыкания по формуле:
I 3 = U л ∙ (35 l к + l в )/350 , А , (1)
2.2 Рассчитывают необходимое сопротивление заземляющего устройства R з в соответствии с табл. 1 1 . В случае, если R з больше допустимого значения, то в дальнейших расчетах R з принимают равным допустимому значению.
2.3 Определяют расчетное удельное сопротивление грунта ρ р :
ρ р = ρ изм ∙ , Ом ∙ м (2)
где ρ изм – удельное электрическое сопротивление грунта, полученное измерением или из справочной литературы (табл.2); - коэффициента сезонности, значение которого зависит от климатической зоны; (для четвертой климатической зоны со средними низшими температурами в январе от 0 до – 5 0 С и высшими в июле от +23 до +26 0 С = 1,3 ).
При высоком удельном сопротивлении земли применяют способы искусственного снижения ρ изм в целях уменьшения размеров и количества используемых электродов и площади территории, занимаемой заземлителем. Существенного результата достигают химической обработкой области вокруг заземлителей с помощью электролитов, либо путем укладки заземлителей в котлованы с насыпным углем, коксом, глиной.
2.4 При использовании искусственных заземлителей вначале выбирают материал, тип и размеры заземлителей.
В качестве заземлителей применяют стальные трубы с толщиной стенок 35 – 50 мм, длиной 2 – 3 м; угловую сталь толщиной не менее 4 мм; прутковую сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м. Заземлители размещают в земле вертикально на глубине 0,5 – 0,8 м и соединяют при помощи сварки горизонтальной металлической полосой шириной 20-40 мм.
Рис.1 Схематическое изображение заземлителей: а – стержневой (трубчатый); б – уголковый.
Примечание 1 - все таблицы приведены в Приложении 1
Сопротивления одиночного вертикального стержневого заземлителя, заглубленного ниже уровня земли на t 0 ,м определяется по формуле:
,
Ом (3)
где: ρ р
– расчетное удельное сопротивление
грунта, Ом
м;
l – длина стержня, м;
d – диаметр стержня, м;
t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м;
t 0 – глубина забивки заземлителя, м.
2.5 Определяют приближенное число заземлителей:
,
шт (4)
где R з – допустимое сопротивление защитного заземления
(по табл. 2.), Ом
2.6 По приближенному числу заземлителей – n и по отношению расстояния между заземлителями а к длине вертикального заземлителя l, определяют коэффициент использования заземлителей η из (табл. 3); а/ l принимают равным 1; 2; З.
2.7 Предварительное определение количества заземлителей:
,
шт. (5)
2.8 Сопротивление полосы (без учета коэффициента использования полосы), соединяющей одиночные вертикальные стержни заземлителя определяется по формуле:
,
Ом (6)
где: b – ширина полосы, равная 20– 40 мм; l 1 – длина полосы, соединяющей заземлители по контуру равна периметру Р= a · n з , м.
Если предварительное количество заземлитетей n з ≤ 20, то заземлители располагаются в ряд. В этом случае длина соединительной полосы определяется по формуле:
(7)
где a – расстояние между заземлителями;
а = (1÷3)×l ; l – длина вертикального заземлителя.
2.9 Сопротивление соединительной полосы с учетом коэффициента использования (табл. 4):
,
Ом (8)
2.10 Уточняется необходимое сопротивление вертикальных стержневых заземлителей с учетом сопротивления полосы:
,
Ом (9)
2.11 Уточненное количество заземлителей с учетом коэффициента использования заземлителей, определяется по формуле:
,
шт (10)
2.12 Определяем суммарное (общее) сопротивление группового заземлителя по формуле:
Расхождение между значениями общего сопротивления (R общ) и допустимого сопротивления (R доп) не должно превышать 20%. Для уменьшения разницы корректируют количество заземляющих электродов.
3. Примеры расчета
Пример 1.
1. Допустимое сопротивление заземляющего устройства R доп =4 Ом
2. Тип заземления – контурное, выполнено из стальных стержней диаметром d=0,013м, длинной l=3м.
3. Горизонтальный проводник выполнен из стальной полосы b=0,04 м, l=3м.
4. Расстояние между одиночными вертикальными заземлителями а=3м, глубина заземления Н 0 =0,5м.
5. Определяем величину расчетного удельного сопротивления грунта:
где
Ом*м
(значение берем из таблицы)
- климатический
коэффициент.
6. Рассчитаем сопротивление растекания тока одиночного стержневого заземлителя:
Ом,
где l с m – длина стержня = 2м
7. Определяем ориентировочное число заземлителей:
,
где R доп – допустимое сопротивление защитного заземления.
8. Определяем коэффициент использования вертикальных заземлителей.
9. Уточняем количество заземлителей.
10. Определяем сопротивление соединительной полосы.
где b л – ширина полосы,
Н л – глубина заложения,
а – количество заземлителей,
l л – длина соединительной полосы.
11. Определяем общее сопротивление защитного заземления
где η л =0,55 – коэффициент использования полосы.
но 20%.
Следовательно, расчет выполнен верно.
Пример 2.
Допустимое сопротивление заземляющих устройств Rдоп = 4 Ом.
Выберем в качестве искусственных заземлителей стальные стержни диаметром 12 мм и длиной Lа = 3 м; в качестве соединительного контура - стальную полосу шириной 40 мм.
Расстояние между одиночными вертикальными заземлителями принимаем равным 2м, то есть а=2м; глубина заложения Н 0 = 0.8 м; расстояние между параллельными полосами L=2.5м.
Р
еальное
заземляющее устройство представляет
собой систему вертикальных электродов,
соединенных горизонтальным проводником.
Расположим электроды в ряд по контуру.
Рисунок 3.1.2.1 – Заземляющий контур: 1 – заземлитель; 2 – заземляющие проводники; 3 – заземленное оборудование.
Определим сопротивление грунта (q изм.) и значение климатического коэффициента :
грунт – чернозем, q изм. = 30 Ом * м;
средняя влажность, = 1,32.
Величина расчетного удельного сопротивления грунта:
q расч. = q изм. * = 30 * 1.32 = 39.6 Ом * м
Сопротивление растекания тока одиночного стержня заземлителя:
где L ст - длина стержня, см;
H – глубина заложения стержня, см;
q расч. – расчетное удельное сопротивление грунта, Ом * см.
Ориентировочное число заземлителей:
n = R CT / R доп = 220/4 = 55 штук.
По ориентировочному числу заземлителей определяем коэффициент использования вертикальных заземлителей в, и уточняем их количество.
Сопротивление соединительной полосы:
где q расч. – расчетное сопротивление, Ом * см;
Ln – длина контура, см;
d – расстояние между заземлителями, см;
n – количество заземлителей, штук;
в п – ширина полосы.
Общее сопротивление защитного заземление:
где п – коэффициент использования горизонтального заземления.
ст - коэффициент использования вертикального заземления
Так как R общ. = 3,19 Ом < R доп. = 4 Ом, произведенный расчет выполнен верно.
4. Рабочее задание
4.1 Исходные данные:
Напряжение в трехфазной сети с изолированной нейтралью – 220/380 В.
Искусственные заземлители могут быть выполнены из:
стальных стержней диаметром d = 12-14 мм и длиной l = 5-10 м.;
уголка стороной b = 40 x 40 мм или b = 60 x 60 мм, l = 2,5-3 м;
стальных труб с диаметром d = 35 – 40 мм, l = 2,5-3 м;
стальной полосы b = 20-40мм, l = 15; 25; 50м
Расстояние между одиночными вертикальными заземлителями - a, м; при этом a / l =1, 2 или 3
Глубина заложения (расстояние от поверхности грунта до середины вертикальных стержней) H = 0,5-0,8 м.
Расстояние между параллельными полосами l = 1; 2,7; 5; 10; 15 м.
Заземляющее устройство представляет систему вертикальных электродов, соединенных горизонтальным проводником.
Стержни размещают по периметру P,м (контурное заземление);
4.2 Варианты заданий приведены в таблице.
|
Исходные данные |
Варианты |
|||||||||
|
ρ изм, Ом*м | ||||||||||
4.3 Выполнить расчет, сформулировать выводы.
Литература
Правила устройства электроустановок(ПУЭ), 2000 г.
Безопасность жизнедеятельности/Белов С.В. и соавт., 1999 г.
Методические указания по расчету вентиляции и защитного заземления в разделе «Безопасность жизнедеятельности» в дипломных проектах /Кобзарь Л.А., Трубников Ю.В. – Ростов-на-Дону: ДГТУ, 1995.
Прошли те времена, когда застройщики и не слыхали о контуре заземления. Сейчас они прекрасно знают, что нужно думать о своей безопасности, о защите многочисленного оборудования, в приобретение которого были вложены немалые деньги. Чтобы заземляющий контур максимально эффективно выполнял свои функции, его нужно грамотно рассчитать. Все, о чем пойдет речь ниже, как раз и посвящено решению этого вопроса.
Заземление призвано осуществлять главнейшее назначение: снизить напряжение до такой степени, чтобы при контактировании с корпусом электроприборов, оно не составляло угрозы для обитающих в жилище. Конфигурацию и сопротивление контура заземления дома определяют:
- длиной и числом электродов;
- длиной диапазона, на котором они располагаются по отношению друг к другу. Замерив электрод по длине и взяв от результата 2,2 части, получим расстояние, меньше которого не допускается;
- глубиной установки электродов, а регламентируется она 70 см и не меньше;
- электропроводящими свойствами земли на этом конкретном участке.
Поэтому в расчете будут участвовать эти исходные.
Материал, требуемый для устройства контура заземления
Прежде чем начинать расчет контура заземления, необходимо продумать из чего он будет создаваться и затем выполнять расчет для выбранного материала. Контур заземления устраивают из:
- труб со стенками минимум 0,35 см;
- арматуры или круга. Подходит прокат диаметром не менее 1,6 см;
- металлического уголка с полками не тоньше 0,4 см.
Связующим звеном между электродами служит полоса стальная с размерами 0,4х1,2 см. Заземляющие электроды размещают:
- в ряд;
- треугольником;
- наподобие квадрата или иной геометрической фигуры.
Что мы должны иметь по окончании расчета сопротивления контура заземления
Выполнение расчета контура заземления — это не вопрос теории, плодом наших усилий будет ответ на вполне практические вопросы:
- сколько же заземляющих стержней будет размещено в монтируемом нами контуре;
- для полосы, соединяющей их, мы найдем длину.
Главнейший параметр при расчете контура заземления — это его сопротивление. В ПУЭ на этот счет есть такие указания:
- для электросети с напряжением 220 В — 8 Ом;
- с напряжением 380 В — 4 Ом.
Формула, по которой будем рассчитывать, имеет вид: R= R0/ ηв*N:
- R0 здесь обозначает сопротивление отдельно взятого электрода;
- R — сопротивление в целом;
- ηв — коэффициент, характеризующий востребованность электрической цепи, другими словами — коэффициент использования заземлителей;
- N — количество электродов в контуре заземления.
А вот формула, по которой мы определим сопротивление одного составляющего электрической цепи:
- ρэкв — обозначает удельное сопротивление грунта эквивалентное. Измеряется в Ом*м. Определить его можно из таблицы. Подходит она в том случае, если грунт однородный;
- L — длина заземляющего стержня. Чем больше ρэкв, тем больше L . Если грунт такой, что электроды, длину которых мы рассчитали,в него не войдут, то выход в увеличении их количества;
- d — диаметр электрода;
- Т — длина промежутка земля-середина электрода.
При этом последние 3 значения берем в м. Если грунт имеет неоднородное строение и состоит из 2 слоев, то придется делать расчет по формуле:
В этой формуле: Ψ — коэффициент сезонный климатический; удельное сопротивление 1 и 2 слоя земли обозначается соответственно ρ1 и ρ2; символом Η обозначено толщину 1 слоя; t — глубина траншеи, которую необходимо вырыть под электрод. Значение Ψ найдем, воспользовавшись таблицей:
Устройство контура заземления при данных обстоятельствах выполняется при опускании стержней на всю толщу 1 слоя и частичном задействовании второго.
Рассчитываем нужное количество стержней
Для того чтобы узнать, сколько же стержней нам потребуется, определим из ниже приведенной таблицы Rн, т.е. сопротивление нормируемое:
Если параллельно расположенный элемент не брать во внимание, то количество стержней определяется так:
- берем сопротивление R0;
- умножаем его на коэффициент климатический сезонный Ψ;
- делим произведение на нормируемое сопротивление Rн.
n0 = R0/ Ψ х Rн. Теперь уделим внимание параллельному заземлителю. Вот так выглядит формула для определения его сопротивления:
Для вычислений потребуются данные о длине стержня. Для заземлителей, расположенных в ряд и по контуру, формулы разные. В 1 случае Lг определим так:
- от найденного ранее n0, отнимаем 1;
- умножаем полученное на a — промежуток между стержнями.
Во 2 случае Lг = a . Теперь у нас есть все данные для определения сопротивления стержней, расположенных перпендикулярно к земле — Rв, учитывая горизонтальные заземлители. Для этого:
- умножаем сопротивление горизонтального заземлителя Rг на нормируемое сопротивление Rн;
- затем находим разницу между Rг и Rн;
- умножаем первый результат на второй.
Осталось подставить полученное в формулу и найти общее количество заземлителей: 
- ɳв — коэффициент использования. На его значение влияет пролет между электродами. В случае, если в качестве заземляющих электродов выбраны трубы выстроенные в одну линию и объединенные полосой, то значение коэффициента можно выбрать из таблицы;
- n — количество заземляющих электродов;
- если в результате получится число дробное, то результат округлим в сторону большую.
Измерение контура заземления
Чтобы полностью удостовериться в безупречной работе заземления, необходимо произвести измерения контура заземления, для чего существуют специально предназначенные для этого приборы. Своевременно проведенные измерения помогут:
- эксплуатировать электроприборы, не опасаясь поражения электрическим током;
- своевременно выявить слабые параметры и характеристики, ведь могут измениться характеристики грунта или вдруг заржавеет какой-то элемент.
Контур заземления, схема которого приведена ниже, подходит идеально для частного дома.
Опыт показывает, что для среднестатистического особняка достаточно 3 электродов, которые в плане создают равнобедренный треугольник со сторонами 120 см. 
О заземлении и его составляющих доступным языком, вы узнаете из этого видео:
Контур заземления необходим для защиты людей от поражения электрическим током. Для молниезащиты создается собственное заземляющее устройство, не связанное с защитным контуром заземления. Для правильной их постройки требуется расчет.
Заземляющее устройство (ЗУ) имеет параметр, называемый сопротивлением растекания или просто – сопротивлением. Оно показывает, насколько хорошим проводником электрического тока является данное ЗУ. Для электроустановок с линейным напряжением 380 В сопротивление растекания ЗУ не должно быть более 30 Ом, на трансформаторных подстанциях – 4 Ом. Для контуров заземления медицинской техники и оборудования видеонаблюдения, серверных комнат, норма устанавливается индивидуально и составляет от 0,5 до 1 Ом.
Задача расчета заземляющего устройства – определение количества и расположения вертикальных и горизонтальных заземлителей, достаточного для получения требуемого сопротивления.
Определение удельного сопротивления грунта
На результаты расчетов ЗУ оказывает существенное влияние характеристика грунта в месте его постройки, называемая удельным сопротивлением (⍴). Для каждого из видов грунта существует расчетное значение, указанное в таблице.
На сопротивление грунта оказывают влияние влажность и температура. Зимой при максимальном промерзании и летом в засуху удельное сопротивление достигает максимальных значений. Для учета влияния погодных условий к величине ⍴ вводятся поправки для климатической зоны.
Если есть возможность, перед расчетами производят измерение удельного сопротивления.
Виды заземлителей и расчет их сопротивления
Заземлители бывают естественными и искусственными, и для создания заземляющего устройства используются и те, и другие. Рассчитать влияние естественных заземлителей (железобетонных фундаментов, свай) на величину сопротивления растекания сложно, это проще сделать методом измерений на месте. Сопротивление естественных заземлителей длиной более 100 м можно узнать из таблицы.
Если значение ⍴ отличается от 100 Ом∙м, значение R умножается на соотношение ⍴/100.
В качестве искусственных заземлителей используются арматура, трубы, угловая или полосовая сталь. Сопротивление каждого из них рассчитывается по собственной формуле, указанной в таблице.
|
Вид заземлителя |
Расчетная формула |
| Вертикальный электрод из круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец ниже уровня земли. |  |
| Вертикальный электрод из угловой стали. Верхний конец ниже уровня земли |  |
| Вертикальный электрод их круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец над уровнем земли |  |
| Горизонтальный электрод из полосовой стали |  |
| Горизонтальный электрод из круглой арматурной стали или трубы |  |
| Электрод из пластины (уложена вертикально) |  |
| Вертикальный электрод из круглой арматурной или угловой стали | |
| Горизонтальный электрод из круглой арматурной или полосовой стали |  |
Значения переменных в формулах:
Теперь рассчитывается суммарное сопротивление штырей искусственных заземлителей:
Вычисляем сопротивление проводника, соединяющего вертикальные заземлители по формуле:
И полное сопротивление заземляющего устройства.
Если рассчитанное сопротивление контура заземления оказалось недостаточным, увеличиваем количество вертикальных заземлителей или изменяем их вид. Повторяем расчет до получения требуемого значения сопротивления.
Существует много полезных фактов о заземлении и операций, которые проводятся по отношении к нему. Одной из важных процедур, является расчет заземления. Это мероприятие необходимо для того, чтобы полностью вычислить сопротивление, которым будет обладать сооруженный контур заземляющего устройства.
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.
Электрическая безопасность отдельного здания 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:
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:
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 |
Металл заземлителя
Для изготовления электродов контура обычно выбирают:
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:
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 ниже.
где:
L – длина заземлителя (м)
d – диаметр заземлителя (м)
T — заглубление заземлителя (расстояние от поверхности земли до середины заземлителя) (м)
ln — натуральный логарифм
R1 составит 27,8 Ом (при p = 100 Ом*м, L = 3 м, d = 0.05 м (50 мм; для плоских электродов под диаметром понимается их ширина), T = 2 м (T - расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода).
Расчет заземления (расчет сопротивления заземления) для нескольких электродов модульного заземления производится как расчет параллельно-соединенных одиночных заземлителей.
Формула расчета с учетом взаимного влияния электродов — коэффициента использования:
где:
R - рассчитываемое сопротивление заземлителя состоящего из нескольких стержней
R₁ - сопротивление одиночного стержня (Ом)
K₁ - коэффициент взаимного влияния электродов
N - количество стержней в заземлителе
Электроды могут располагаться в линию или образовывать треугольник либо другую симметричную геометрическую фигуру.
Расчет заземления, расчет необходимого количества заземляющих электродов
Проведя обратное вычисление получим формулу расчета количества электродов для необходимой величины итогового сопротивления сопротивления (R):
где:
] [ — округление результата в бОльшую сторону.
R – необходимое сопротивление многоэлектродного заземлителя (Ом)
R1 – сопротивление одиночного заземлителя/электрода (Ом)
Ки – коэффициент использования
Расчет 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 ниже.
где:
ρ – удельное сопротивление грунта (Ом*м )
L – длина заземлителя (м)
d – диаметр заземлителя (м)
T — заглубление (расстояние от поверхности земли до заземлителя) (м)
π — математическая константа Пи (3,141592)
ln — натуральный логарифм
С – коэффициент содержания электролита в окружающем грунта
Электролитическое заземление, принцип работы
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.
1. Колодец для обслуживания
2. Специальная смесь минеральных солей
3. Заполнитель околоэлектродный
4. Электрод — заземлитель
Соли, попадая в грунт, преобразуются под действием влаги почвы в электролит, который:
- повышает электропроводящие свойства грунта
- 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.
Видео, монтаж электролитического заземления
Как проверить качество смонтированного контура заземления
Правильность отвода опасных токов от здания можно узнать только двумя путями:
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:
Как видим, все три вида работ очень похожи по названию, но они выполняются по разным технологиям, преследуя собственные, уникальные цели.
Измерения сопротивления заземления 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.
Измерения сопротивления изоляции подразумевают:
- определения тангенса потерь диэлектрического слоя изоляции путем проведения испытаний повышенным напряжением;
- замеры мегаомметром.
Все эти работы требуют специального дорогостоящего оборудования, которого у обычного электрика нет в пользовании.
