Оглавление
Заземляющий контур
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.
Конструкция контура заземления, виды используемых материалов, ограничены условиями, которые содержатся в документах, к примеру, в ПУЭ, правилах устройства электроустановок.
Заземляться должны все без исключения электроустановки, как на подстанции, так и на предприятии или в быту.
Наиболее распространенной конструкцией заземляющего контура является один или несколько металлических штырей (заземлителей), заглубленных в землю и соединенных между собой сварным соединением. При помощи металлического проводника контур заземления соединяется с заземляемыми устройствами.
Контур заземления
В качестве заземлителей используются неокрашенные стальные или стальные обмедненные материалы, размеры которых не должны быть меньше приведенных ниже:
- Прокат круглый – диаметр не менее 12 мм;
- Уголок – не менее 50х50х4 мм;
- Трубы – диаметром не менее 25 мм с толщиной стенок не менее 4 мм.
Чем лучше проводимость заземлителей, тем эффективнее работает заземление, поэтому самый предпочтительный вариант – использование медных электродов, но на практике это не встречается, ввиду высокой стоимости меди.
Ничем не покрытая сталь имеет высокую коррозионную способность, особенно на границе влажного грунта и воздуха, поэтому определена минимальная толщина стенок металла (4 мм).
Оцинкованный металл хорошо сопротивляется коррозии, но не в случае протекания токов. Даже самый минимальный ток вызовет электрохимический процесс, в результате чего тонкий слой цинка прослужит минимальное время.
Современные системы заземления выполняются на основе обмедненной стали. Поскольку количество меди для изготовления невысоко, то стоимость готовых материалов ненамного превышает стальные, а срок службы многократно возрастает.
Заземлитель из уголка
Наиболее распространенными конструкциями контуров заземления являются треугольное или рядное размещение электродов. Расстояние между соседними электродами должно составлять 1.2-2 м, а глубина закладки – 2-3 м. Глубина закладки (длина электродов) во многом зависит от характеристик грунта. Чем выше его электрическое сопротивление, тем глубже должны залегать электроды.
Там, где возможно протекание токов высокого значения, к примеру, на подстанции или предприятии с мощным оборудованием, подход к выбору конструкции контура заземления и его расчет имеют очень большое значение для безопасности.
Факторы сопротивления заземления
Расчет защитного заземляющего устройства зависит от многих условий, среди которых можно выделить основные, которые используются при дальнейших расчетах:
- Сопротивление грунта;
- Материал электродов;
- Глубина закладки электродов;
- Расположение заземлителей относительно друг друга;
- Погодные условия.
Сам по себе грунт, за несколькими исключениями, обладает низкой электропроводностью. Данная характеристика меняется, в зависимости от содержания влаги, поскольку вода с растворенными в ней солями является хорошим проводником. Таким образом, электрические свойства грунта зависят от количества содержащейся влаги, солевого состава и свойств грунта удерживать в себе влагу.
Структура грунта
Распространенные типы грунта и их характеристики
| Тип грунта | Удельное сопротивление ρ, Ом•м |
|---|---|
| Скала | 4000 |
| Суглинок | 100 |
| Чернозем | 30 |
| Песок | 500 |
| Супесь | 300 |
| Известняк | 2000 |
| Садовая земля | 50 |
| Глина | 70 |
Из таблицы видно, что удельное сопротивление может отличаться на несколько порядков. В реальных условиях ситуация осложняется тем, что на разных глубинах тип грунта может быть различным и без четко выраженных границ между слоями.
Материал электродов
Эта часть расчетов наиболее проста, поскольку при изготовлении заземления используется только несколько разновидностей материалов:
- Сталь;
- Медь;
- Обмедненная сталь;
- Оцинкованная сталь.
Медь в чистом виде не используется по причине высокой стоимости, наиболее часто применяемые материалы – это чистая и оцинкованная сталь. В последнее время все чаще стали встречаться системы заземления, в которых используется сталь, покрытая слоем меди. Такие электроды имеют наименьшее сопротивление, которое имеет хорошую стабильность во времени, поскольку медный слой хорошо сопротивляется коррозии.
Наихудшие характеристики имеет ничем не покрытая сталь, поскольку слой коррозии (ржавчина) увеличивает переходное сопротивление на границе электрод-грунт.
Обмедненные электроды
Глубина закладки
От глубины закладки электродов зависят линейная протяженность границы касания электрода и грунта и величина слоя земли, который участвует в цепи протекания тока. Чем больше этот слой, тем меньшее значение сопротивления он будет иметь.
Данная характеристика наименее очевидна и трудна для понимания. Следует знать, что каждый электрод заземления имеет некоторое влияние на соседние, и чем ближе они будут расположены, тем меньше будет их эффективность. Точное обоснование эффекта довольно сложное, просто следует его учитывать при расчетах и строительстве.
Проще объяснить зависимость эффективности от количества электродов. Здесь можно привести аналогию с параллельно соединенными резисторами. Чем их больше, тем меньше суммарное сопротивление.
Расположение заземлителей в один ряд
Погодные условия
Наилучшие параметры заземляющее устройство имеет при повышенной влажности грунта. В сухую и морозную погоду сопротивление грунта резко возрастает и при достижении некоторых условий (полное высыхание или промерзание) принимает максимальное значение.
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)
| Тип грунта | Параметр сопротивление грунта в диапазоне от –5 до –20°С |
| Песок | 5000–11000 |
| Супесь | 1100–1500 |
| Влажная глина | 550–3000 |
| Каменистая глина | 1000–12000 |
| Известняк | 3000–12500 |
| Торф | 500–1000 |
| Суглинок | 1200–3500 |
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.
Для подсчётов удобнее всего пользоваться табличными значениями, полученных в результате практического применения формулы.
| Система заземления при расположении электродов последовательно | ||
| Расстояние между электродами (где L это длинна используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Коэффициент использования |
| L | 5 | 0.7 |
| L | 10 | 0.6 |
| L | 15 | 0.53 |
| L | 20 | 0.5 |
| 2L | 5 | 0.81 |
| 2L | 10 | 0.75 |
| 2L | 15 | 0.7 |
| 2L | 20 | 0.67 |
| Система заземления при размещении электродов в замкнутый контур | ||
| Расстояние между электродами (где L это длинна используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Коэффициент использования |
| L | 5 | 0.65 |
| L | 10 | 0.55 |
| L | 15 | 0.51 |
| L | 20 | 0.45 |
| 2L | 5 | 0.75 |
| 2L | 10 | 0.69 |
| 2L | 15 | 0.66 |
| 2L | 20 | 0.63 |
При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.
Методика расчета
Основным параметром расчета является необходимое значение сопротивления заземления, которое регламентируется нормативными документами, в зависимости от величины напряжения питания, типа электроустановок, условий их использования.
Строгий расчет защитного заземления, который дает значения количества и длины электродов, не существует, поэтому он выполняется на основе некоторых приближенных данных и допусков.
Для начала учитывается тип грунта, и определяется примерная длина электродов заземления, их материал и количество. Далее выполняется расчет, порядок которого следующий:
- Определяется сопротивление растекания тока для одного электрода;
- Рассчитывается количество вертикальных заземлителей с учетом их взаимного расположения.
Формула 1
ρ – удельное эквивалентное сопротивление грунта;
l – длина электрода;
d – диаметр;
t – расстояние от поверхности земли до центра электрода.
d = b·0.95, где b – ширина полки уголка.
Формула 2
- ρ1 и ρ2 – удельные сопротивления слоев грунта;
- Н – толщина верхнего слоя;
- Ψ – сезонный коэффициент.
Сезонный коэффициент зависит от климатической зоны. Также в него вносятся поправки, в зависимости от количества использованных электродов. Ориентировочные значения сезонного коэффициента составляют от 1.0 до 1.5.
n = Rз/(К·R), где:
- Rз – допустимое максимальное сопротивление заземляющего устройства;
- К – коэффициент использования.
Коэффициент использования выбирается. в соответствии с выбранным количеством заземлителей, их взаимного расположения и расстояния между ними.
Рядное расположение электродов
| Отношение расстояния между электродами к их длине | Количество электродов |
Коэффициент |
|---|---|---|
| 1 | 4 6 10 |
0,66-0,72 0,58-0,65 0,52-0,58 |
| 2 | 4 6 10 |
0,76-0,8 0,71-0,75 0,66-0,71 |
| 3 | 4 6 10 |
0,84-0,86 0,78-0,82 0,74-0,78 |
Контурное размещение электродов
| Отношение расстояния между электродами к их длине | Количество электродов |
Коэффициент |
|---|---|---|
| 1 | 4 6 10 |
0,84-0,87 0,76-0,80 0,67-0,72 |
| 2 | 4 6 10 |
0,90-0,92 0,85-0,88 0,79-0,83 |
| 3 | 4 6 10 |
0,93-0,95 0,90-0,92 0,85-0,88 |
Не всегда расчет контура заземления выдает необходимое значение, поэтому, возможно, его потребуется произвести несколько раз, изменяя количество и геометрические размеры заземляющих электродов.
Измерение заземления
Для измерения сопротивления заземления используются специальные измерительные приборы. Правом измерения заземления обладают организации с соответствующим разрешением. Обычно это энергетические организации и лаборатории. Измеренные параметры вносятся в протокол измерения и хранятся на предприятии (в цеху, на подстанции).
Прибор для измерения заземления
Расчет сопротивления заземления представляет сложную задачу, в которой необходимо учитывать множество условий, поэтому рациональнее воспользоваться помощью организаций, которые специализируются в данной области. Для решения задачи можно произвести расчеты на он-лайн калькуляторе, пример которых можно найти в интернете в свободном доступе. Программа калькулятора сама подскажет, какие данные необходимо учитывать при вычислениях.
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).
| Система заземления при использовании электролитических электродов | |
| Количество электродов | Коэффициент использования |
| 2 | 1 |
| 5 | 0.99 |
| 10 | 0.93 |
| 20 | 0.8 |
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.
