Расчет заземления тп. Расчет заземления. Составляющие защитной системы

Заземление необходимо для обеспечения безопасности в случае повреждения электроустройств, изоляции силовой проводки, замыкания проводников. Суть заземления сводится к снижению потенциала в месте прикосновения к заземлённой электроустановке до максимально допустимых значений.

Снижение потенциала выполняется двумя способами:

• Зануление – соединение корпуса устройства с нулевым проводником, идущим к подстанции;
• Заземление – подсоединение корпуса к заземляющему контуру, расположенному в грунте за пределами здания.

Первый вариант осуществляется проще, но в случае повреждения нулевого проводника перестает выполнять свои функции, а это опасно. Поэтому наличие контура заземления является обязательным условием обеспечения безопасности.

Расчет заземления предполагает определение сопротивления заземляющего устройства, которое не должно быть больше заданного техническими нормами.

Заземляющий контур

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.

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.

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. В любом случае эта глубина должна превышать глубину промерзания грунта, поскольку замерзший грунт имеет высокое омическое сопротивление. То же самое относится и к участкам земли с низкой влажностью.

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.

Сопротивление грунта

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.

Распространенные типы грунта и их характеристики

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.

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.

На заметку. Кроме этого при установке электродов следует иметь в виду, что чем глубже они располагаются, тем ближе будут находиться к водоносному слою.

Расположение электродов

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.

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.

Обратите внимание! Для того чтобы минимизировать влияние погодных условий, глубина закладки электродов должна быть ниже максимальной глубины промерзания зимой или доходить до водоносного слоя для исключения пересыхания.

Важно! Последующие расчеты необходимо производить для наихудших условий эксплуатации, поскольку во всех иных случаях сопротивление заземления будет снижаться.

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.

Одиночный заземлитель

Сопротивление растекания тока рассчитаем, согласно формуле:

В данном выражении:

ρ – удельное эквивалентное сопротивление грунта;

l – длина электрода;

d – диаметр;

t – расстояние от поверхности земли до центра электрода.

При использовании уголка вместо трубы или проката принимают:

d = b·0.95, где b – ширина полки уголка.

Эквивалентное сопротивление многослойного грунта:

• 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.

Количество электродов

Необходимое количество электродов определяется из выражения:

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

Контурное размещение электродов

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).

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.

Видео

Система заземления обеспечивает безопасность жильцов и бесперебойное функционирование электробытовой техники. Заземление предотвращает поражение током в случае утечек электричества на нетоковедущие элементы из металла, возникающих при повреждении изоляции. Создание системы безопасности - ответственное мероприятие, поэтому перед его проведением необходимо произвести расчет заземления.

Естественное заземление

Во времена, когда перечень электробытовой техники в жилище ограничивался одним телевизором, холодильником и стиральной машиной, заземляющие устройства использовались редко. Защита от утечки тока возлагалась на естественные заземлители, такие как:

• неизолированные металлические трубы;
• обсадка водяных скважин;
• элементы металлических заборов, уличные фонари;
• оплетка кабельных сетей;
• стальные элементы фундаментов, колонн.

Лучший вариант естественного заземления - водопроводная магистраль из стали. За счет своей большой длины водопроводы сводят к минимуму сопротивление току растекания. Эффективность водопроводов достигается еще и благодаря их прокладке ниже уровня сезонного промерзания, а потому на их защитные качества не влияют ни жара, ни холод.

Металлические элементы подземных железобетонных изделий подходят для заземлительной системы, если соответствуют следующим требованиям:

• имеется достаточный (по нормам Правил устройства электроустановок) контакт с глинистой, супесчаной или влажной песчаной основой;
• при строительстве фундамента арматура на двух или более участках была выведена наружу;
• металлические элементы имеют сварные соединения;
• сопротивление арматуры соответствует регламенту ПУЭ;
• имеется электросвязь с шиной заземления.

Обратите внимание! Из всего перечня указанных выше естественных заземлений рассчитываются только подземные железобетонные конструкции.

Эффективность функционирования естественного заземления устанавливается на основе измерений, проведенных уполномоченным лицом (представителем Энергонадзора). На основе проведенных замеров специалист даст рекомендации относительно необходимости установки дополнительного контура к естественному контуру заземления. Если естественная защита отвечает требованиям нормативов, Правила устройства электроустановки указывают на нецелесообразность дополнительного заземления.

Расчеты для устройства искусственного заземления

Абсолютно точный расчет заземления произвести практически невозможно. Даже профессиональные проектировщики оперируют приблизительным количеством электродов и дистанциями между ними.

Причина сложности расчетов состоит в большом количестве внешних факторов, каждый из которых оказывает существенное влияние на систему. К примеру, нельзя предсказать точный уровень влажности, не всегда известна фактическая плотность грунта, его удельное сопротивление и так далее. В связи с неполной определенностью вводных данных итоговое сопротивление организованного контура заземления в конечном счете отличается от базового значения.

Разницу в проектируемых и реальных показателях нивелируют за счет монтажа дополнительных электродов или путем увеличения длины стержней. Тем не менее, предварительные расчеты важны, так как позволяют:

• отказаться от лишних трат (или хотя бы уменьшить их) на покупку материалов, на земляные работы;
• подобрать наиболее подходящую конфигурацию заземлительной системы;
• выбрать правильный план действий.

Для облегчения расчетов существует разнообразное программное обеспечение. Однако чтобы разобраться в их работе, необходимы определенные познания о принципах и характере вычислений.

Компоненты защиты

Защитное заземление включает электроды, установленные в землю и соединенные электросвязью с заземляющей шиной.

В системе имеются такие элементы:

1. Металлические стержни. Один или несколько металлических стержней направляют ток растекания в грунт. Обычно в качестве электродов используют отрезки длинномерного металла (трубы, уголок, круглые металлические изделия). В некоторых случаях используется листовая сталь.
2. Металлический проводник, объединяющий несколько заземлителей в единую систему. Обычно в этом качестве используют установленный по горизонтали проводник в виде уголка, прута или полосы. Металлическую связь приваривают к концам закопанных в землю электродов.
3. Проводник, соединяющий находящийся в грунте заземлитель с шиной, которая имеет связь с защищаемым оборудованием.

Два последних элемента называются одинаково - заземляющий проводник. Оба элемента выполняют идентичную функцию. Различие кроется в том, что металлосвязь находится в грунте, а проводник подключения заземления к шине располагается на поверхности. В связи с этим к проводникам предъявляются неодинаковые требования по устойчивости к коррозии.

Принципы и правила вычислений

Грунт - один из составляющих элементов системы заземления. Его параметры имеют важное значение и участвуют в расчетах так же, как и длина металлических деталей.

При проведении расчетов используют формулы, указанные в Правилах устройства электроустановок. Применяются переменные данные, собираемые установщиком системы, и постоянные параметры (есть в таблицах). К постоянным данным относится, например, сопротивление грунта.

Определение подходящего контура

Прежде всего необходимо выбрать форму контура. Конструкция обычно выполняется в виде определенной геометрической фигуры или простой линии. Выбор конкретной конфигурации зависит от размеров и формы участка.

Проще всего реализовать линейную схему, так как для монтажа электродов понадобится выкопать лишь одну прямую траншею. Однако установленные в линию электроды станут экранировать, что ухудшит положение с током растекания. В связи с этим при расчетах линейного заземления применяется поправочный коэффициент.

Наиболее распространенной схемой для создания защитного заземления выступает треугольная форма контура. По вершинам геометрической фигуры устанавливают электроды. Металлические штыри должны быть достаточно отдалены друг от друга, чтобы не препятствовать рассеиванию поступающих в них токов. Для обустройства защитной системы частного дома считается достаточным три электрода. Для организации эффективной защиты необходимо еще и правильно подобрать длину стержней.

Расчет параметров проводников

Длина металлических стержней важна, поскольку влияет на эффективность системы защиты. Имеет значение и длина элементов металлосвязи. Кроме того, от длины металлических деталей зависят расход материала и общие затраты на обустройство заземления.

Сопротивление вертикальных электродов определяется их длиной. Другой параметр - поперечные размеры - не влияет существенным образом на качество защиты. И все же сечение проводников регулируется Правилами устройства электроустановок, так как данная характеристика важна с точки зрения устойчивости к коррозии (электроды должны служить 5 – 10 лет).

При соблюдении прочих условий существует правило: чем больше металлических изделий участвует в схеме, тем выше безопасность контура. Работы по организации заземления довольно трудоемкие: чем больше заземлителей, тем больше земляных работ, чем длиннее стержни, тем глубже их нужно забивать.

Что выбрать: количество электродов или их длину - решать организатору работ. Однако на этот счет есть определенные правила:

1. Стержни необходимо устанавливать ниже горизонта сезонного промерзания по крайней мере на 50 сантиметров. Это позволит отстранить сезонные факторы от влияния на эффективность системы.
2. Дистанция между вертикально установленными заземлителями. Расстояние определяется конфигурацией контура и длиной стержней. Для выбора правильной дистанции нужно воспользоваться соответствующей справочной таблицей.

Нарезанный металлопрокат вбивают в грунт на 2,5 – 3 метра при помощи кувалды. Это довольно трудоемкая задача, даже если учесть, что из указанной величины нужно вычесть примерно 70 сантиметров глубины траншеи.

Экономное расходование материала

Так как сечение металла - не самый важный параметр, рекомендуется приобретать материал с наименьшей площадью сечения. Однако при этом нужно оставаться в пределах минимально рекомендуемых значений. Наиболее экономичные (но способные выдержать удары кувалды) варианты металлоизделий:

• трубы диаметром 32 миллиметра и толщиной стенок от 3 миллиметров;
• уголок равнополочный (сторона - 50 или 60 миллиметров, толщина - 4 или 5 миллиметров);
• круглая сталь (диаметр от 12 до 16 миллиметров).

В качестве металлосвязи оптимальным выбором станет полоса из стали толщиной 4 миллиметра. В качестве альтернативы подойдет 6-миллиметровый стальной прут.

Обратите внимание! Горизонтальные стержни приваривают к вершинам электродов. Поэтому к расчетной дистанции между электродами следует добавить еще 18 – 23 сантиметра.

Наружный участок заземления можно изготовить из 4-миллиметровой полосы (ширина - 12 миллиметров).

Формулы для расчетов

Подойдет универсальная формула, с помощью которой рассчитывают сопротивление вертикального электрода.

При проведении вычислений не обойтись без справочных таблиц, где указаны примерные значения. Данные параметры определяются составом грунта, его средней плотностью, способностью задерживать воду, климатическим поясом.

Устанавливаем нужное количество стержней, не принимая во внимание показатель сопротивления горизонтального проводника.

Определяем уровень сопротивления вертикального стержня на основе показателя сопротивления заземлителя горизонтального типа.

На основании полученных результатов приобретаем нужное количество материала и планируем начало работ по созданию системы заземления.

Заключение

Поскольку самое высокое сопротивление грунта отмечается в сухое и морозное время, организацию заземлительной системы лучше всего запланировать именно на этот период. В среднем сооружение заземления занимает 1 – 3 рабочих дня.

До засыпки траншеи землей следует проверить работоспособность заземлительных устройств. Оптимальная среда для проверки должна быть как можно более сухой, в почве не должно быть много влаги. Поскольку зимы не всегда бывают бесснежными, проще всего заняться строительством системы заземления в летний период.

Важнейшей функцией заземления является электробезопасность. Перед его установкой в частном доме, на подстанции и в других местах необходимо произвести расчёт заземления.

Как выглядит заземление частного дома

Электрический контакт с землёй создаёт погруженная в грунт металлическая конструкция из электродов вместе с подключёнными проводами – всё это представляет собой заземляющее устройство (ЗУ).

Места соединения с ЗУ проводника, защитного провода или экрана кабеля называются точками заземления. На рисунке ниже изображено заземление из одного вертикального металлического проводника длиной 2500 мм, вкопанного в землю. Его верхняя часть размещается на глубине 750 мм в траншее, ширина которой в нижней части составляет 500 мм и в верхней – 800 мм. Проводник может быть связан сваркой с другими такими же заземлителями в контур горизонтальными пластинами.

Вид простейшего заземления помещения

После монтажа заземлителя траншея засыпается грунтом, а один из электродов должен выходить наружу. К нему подключается провод над поверхностью земли, который идет к шине заземления в электрощите управления.

При нахождении оборудования в нормальных условиях на точках заземления напряжение будет нулевым. В идеальном случае при коротком замыкании сопротивление ЗУ будет равно нулю.

При возникновении в заземлённой точке потенциала, должно произойти его зануление. Если рассмотреть любой пример расчёта, можно увидеть, что ток короткого замыкания I з имеет определенную величину и не может быть бесконечно большим. Грунт обладает сопротивлением растекания тока R з от точек с нулевым потенциалом до заземлителя:

R з = U з / I з, где U з – напряжение на заземлителе.

Решение задачи правильного расчёта заземления особенно важно для электростанции или подстанции, где сосредоточено много оборудования, работающего под высоким напряжением.

Величина R з определяется характеристиками окружающего грунта: влажностью, плотностью, содержанием солей. Здесь также важными параметрами являются конструкции заземлителей, глубина погружения и диаметр подключённого провода, который должен быть таким же, как у жил электропроводки. Минимальное поперечное сечение голого медного провода составляет 4 мм 2 , а изолированного – 1,5 мм 2 .

Если фазный провод коснётся корпуса электроприбора, падение напряжения на нём определяется величинами R з и максимально возможного тока. Напряжение прикосновения U пр всегда будет меньше, чем U з, поскольку его снижают обувь и одежда человека, а также расстояние до заземлителей.

На поверхности земли, где растекается ток, также существует разность потенциалов. Если она высокая, человек может попасть под шаговое напряжение U ш опасное для жизни. Чем дальше от заземлителей, тем оно меньше.

Величина U з должна иметь допустимое значение, чтобы обеспечить безопасность человека.

Снизить величины U пр и U ш можно, если уменьшить R з, за счёт чего также уменьшится ток, протекающий через тело человека.

Если напряжение электроустановки превышает 1 кВ (пример – подстанции на промышленных предприятиях), создаётся подземное сооружение из замкнутого контура в виде рядов металлических стержней, забитых в землю и соединённых сваркой между собой при помощи стальных полос. За счёт этого производится выравнивание потенциалов между смежными точками поверхности.

Безопасная работа с электросетями обеспечивается не только за счёт наличия заземления электроприборов. Для этого ещё необходимы предохранители, автоматические выключатели и УЗО.

Заземление не только обеспечивает разность потенциалов до безопасного уровня, но и создаёт ток утечки, которого должно хватать для срабатывания защитных средств.

Соединять с заземлителем каждый электроприбор нецелесообразно. Подключения производят через шину, расположенную в квартирном щитке. Вводом для неё служит провод заземления или провод РЕ, проложенный от подстанции к потребителю, например, через систему TN-S.

Расчёт заземляющего устройства

Расчёт заключается в определении R з. Для этого необходимо знать удельное сопротивление грунта ρ, измеряемое в Ом*м. За основу принимают его средние значения, которые сводят в таблицу.

Определение удельного сопротивления грунта

Из приведённых в таблице значений видно, что значение ρ зависит не только от состава грунта, но и от влажности.

Кроме того, табличные величины удельных сопротивлений умножают на коэффициент сезонности K м, учитывающий промерзание грунта. В зависимости от низшей температуры (0 С) его значения могут быть следующими:

• от 0 до +5 – K м =1,3/1,8;
• от -10 до 0 – K м =1,5/2,3;
• от -15 до -10 – K м =1,7/4,0;
• от -20 до -15 – K м =1,9/5,8.

Значения коэффициента K м зависят от способа заложения заземлителей. В числителе приведены его значения при вертикальном погружении заземлителей (с заложением вершин на глубине 0,5-0,7 м), а в знаменателе – при горизонтальном расположении (на глубине 0,3-0,8 м).

На выбранном участке ρ грунта может существенно отличаться от средних табличных значений из-за техногенных или природных факторов.

Когда проводятся ориентировочные расчёты, для одиночного вертикально заземлителя R з ≈ 0,3∙ρ∙ K м.

Точный расчёт защитного заземления производят по формуле:

R з = ρ/2πl∙ (ln(2l/d)+0.5ln((4h+l)/(4h-l)), где:

• l – длина электрода;
• d – диаметр прута;
• h – глубина залегания средней точки заземлителей.

Для n вертикальных электродов, соединённых сверху сваркой R n = R з /(n∙ K исп), где K исп – коэффициент использования электрода, учитывающий экранирующее влияние соседних (определяется по таблице).

Расположение заземляющих электродов

Формул расчёта заземления существует много. Целесообразно применять метод для искусственных заземлителей с геометрическими характеристиками в соответствии с ПУЭ. Напряжение питания составляет 380 В для трёхфазного источника тока или 220 В однофазного.

Нормированное сопротивление заземлителя, на которое следует ориентироваться, составляет не более 30 Ом для частных домов, 4 Ом – для источника тока при напряжении 380 В, а для подстанции 110 кВ – 0,5 Ом.

Для группового ЗУ выбирается горячекатаный уголок с полкой не менее 50 мм. В качестве горизонтальных соединительных перемычек используется полоса сечением 40х4 мм.

Определившись с составом грунта, по таблице выбирается его удельное сопротивление. В соответствии с регионом, подбирается повышающий коэффициент сезонности K м.

Выбирается количество и способ расположения электродов ЗУ. Они могут быть установлены в ряд или в виде замкнутого контура.

Замкнутый контур заземления в частном доме

При этом возникает их экранирующее влияние друг на друга. Оно тем больше, чем ближе расположены заземлители. Значения коэффициентов использования заземлителей K исп для контура или расположенных в ряд, отличаются.

Значения коэффициента K исп при разных расположениях электродов

Влияние горизонтальных перемычек незначительно и в оценочных расчётах может не учитываться.

Примеры расчёта контура заземления

Для лучшего освоения методов расчёта заземления лучше рассмотреть пример, а лучше – несколько.

Пример 1

Заземлители часто делают своими руками из стального уголка 50х50 мм длиной 2,5 м. Расстояние между ними выбирается равным длине – h=2.5м. Для глинистого грунта ρ = 60 Ом∙м. Коэффициент сезонности для средней полосы, выбранный по таблицам, равен 1,45. С его учётом ρ = 60∙1,45 = 87 Ом∙м.

Для заземления по контуру роется траншея глубиной 0,5 м и в дно забивается уголок.

Размер полки уголка приводится к условному диаметру электрода:

d = 0.95∙p = 0.995∙0.05 = 87 Ом∙м.

Глубина залегания средней точки уголка составит:

h = 0,5l+t = 0.5∙2.5+0.5 = 1.75 м.

Подставив значения в ранее приведённую формулу, можно определить сопротивление одного заземлителя: R = 27.58 Ом.

По приближенной формуле R = 0.3∙87 = 26.1 Ом. Из расчёта следует, что одного стержня будет явно недостаточно, поскольку по требованиям ПУЭ величина нормированного сопротивления составляет R норм = 4 Ом (для напряжения сети 220 В).

Количество электродов определяется методом приближения по формуле:

n = R 1 /(k исп R норм) = 27,58/(1∙4) = 7 шт.

Здесь вначале принимается k исп = 1. По таблицам находим для 7 заземлителей k исп = 0,59. Если подставить это значение в предыдущую формулу и снова пересчитать, получится количество электродов n = 12 шт. Затем производится новый перерасчёт для 12 электродов, где опять по таблице находится k исп = 0,54. Подставив это значение в ту же формулу, получим n = 13.

Таким образом, для 13 уголков R n = R з /(n*η) = 27,58/(13∙0,53) = 4 Ом.

Пример 2

Нужно изготовить искусственное заземление с сопротивлением R норм = 4 Ом, если ρ = 110 Ом∙м.

Заземлитель изготавливается из стержней диаметром 12 мм и длиной 5 м. Коэффициент сезонности по таблице равен 1,35. Ещё можно учесть состояние грунта k г. Измерения его сопротивления производились в засушливый период. Поэтому коэффициент составил k г =0,95.

На основе полученных данных за расчётное значение удельного сопротивления земли принимается следующая величина:

ρ = 1,35∙0,95∙110 = 141 Ом∙м.

Для одиночного стержня R = ρ/l = 141/5 = 28,2 Ом.

Электроды располагаются в ряд. Расстояние между ними должно быть не меньше длины. Тогда коэффициент использования составит по таблицам: k исп = 0,56.

Находим число стержней для получения R норм = 4 Ом:

n = R 1 /(k исп R норм) = 28,2/(0,56∙4) = 12 шт.

После монтажа заземления производятся измерения электрических параметров на месте. Если фактическое значение R получается выше, ещё добавляются электроды.

Если рядом находятся естественные заземлители, их можно использовать.

Особенно часто это делается на подстанции, где требуется самая низкая величина R. Оборудование здесь используется максимально: подземные трубопроводы, опоры линий электропередач и др. Если этого недостаточно, добавляется искусственное заземление.

Самостоятельные расчёты заземления являются оценочными. После его монтажа следует произвести дополнительные электрические измерения, для чего приглашаются специалисты. Если грунт сухой, нужно использовать длинные электроды из-за плохой проводимости. Во влажном грунте поперечное сечение электродов следует брать как можно больше по причине повышенной коррозии.

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

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

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

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

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