Продолжение примеров расчёта заземления

Устройство и принцип действия заземления

Защитное устройство и его основное назначение – соединение всех потребителей электричества, при помощи заземляющего провода с контуром защиты. Систем заземления 3, но в жилом помещении наиболее часто устанавливают систему с маркировкой TN – 5. Эта система предусматривает проведение ноля и земли двумя отдельными проводами.

При коротком замыкании или утечке тока с корпуса приборов снимается опасное напряжение и по проводу подается на контур защитного заземления. Он должен монтироваться и изготавливаться, выполняя требования ГОСТа. Нормы, предусматривают оборудование контура с учетом уровня сопротивления. На его величину влияют:

• виды почвы;
• влажность и уровень грунтовых вод;
• глубина погружения заземлителей;
• количества заземлителей в контуре;
• материалы электрода и всех составляющих устройства.

По форме, контур заземления, согласно нормам СНиП, делают в форме равностороннего треугольника, из вертикальных заземлителей и горизонтальных электродов. Они должны располагаться на определенной глубине. Из этого значения и свойства грунта производится расчет контура заземления. Каждый вид грунта имеет свой уровень сопротивления растекания токов КЗ.

Для обустройства контура защиты лучшим вариантом будет:

• торфяник;
• суглинистая почва;
• глинистая, с близко расположенными грунтовыми водами.

Влияние почвы на сопротивление Rз

Практически доказано, что сопротивление заземляющего устройства в значительной степени определяется состоянием грунта в месте расположения заземлителя. В свою очередь, характеристики почвы в зоне проведения защитных работ зависят от следующих факторов:

Влажность почвы на участке проведения работ;

• Наличие в почве каменистых составляющих, в которых обустроить заземление попросту невозможно (в этом случае приходится выбирать другое место);
• Возможность искусственного увлажнения грунта в особо засушливые летние периоды;
• Химический состав почвы (наличие в ней солевых составляющих).

В зависимости от состава грунта, он может быть отнесён к тому или иному виду (смотрите фото ниже).

Различные виды почвы

Исходя из особенностей формирования сопротивления заземлителя, предполагающих его снижение при увлажнении и повышении солевой концентрации, в случае крайней необходимости в грунт искусственно вводятся порции влажного химиката NaCl.

Хорошие грунты с точки зрения обустройства заземления – это суглинистые почвы с высоким содержанием торфяных составляющих и солей.

Провод

Чаще всего провод заземления имеет сечение от 25 мм2 и применяется для трехфазных систем. Для каждой фазы, размещенной на воздушной линии, предусматривается свой провод. При возникновении случайного или непредусмотренного напряжения задачей переносного заземления является отведение его на специальный провод и создание короткого замыкания, предохраняющего рабочих от опасности.

Применять такие переносные провода можно при температуре от -45 до +45 градусов Цельсия. Желательная относительная влажность должна составлять 80% при температуре окружающей среды 20 градусов.

Напряжение до 1000 В

Сечение провода переносного заземления подпадает под строгие технические требования и стандарты. Оно должно выдерживать нагрев в случае возникновения замыкания на трехфазном и однофазном источнике. Провод заземления, используемый в электроустановках с напряжением меньше 1000 В, должен иметь сечение не меньше 16 кв. мм.

Нельзя применять провода, имеющие меньшее сечение. Если напряжение в электроустановке не превышает 6-10 кВ, сечение проводников может колебаться от 120-185 мм2. Такие элементы не слишком удобны, так как имеют большую массу. Можно использовать несколько переносных заземлений с меньшим сечением, они устанавливаются напротив друг друга.

Напряжение выше 1000 В

Если минимальное сечение у проводов переносных заземлений не меньше 16 мм2, то есть переносное заземление рассчитано на величину выше 1000 В, минимальное значение должно быть не меньше 25 мм2. Расчет сечения должен проводиться по следующей формуле:
S = ( Iуст √tф ) / 272.

• Iуст – является обозначением тока короткого замыкания;
• tф – время, измеряющееся в секундах;
• 272– коэффициент, который может отличаться для разных металлов. При точном расчете для меди он равен 250. В данном случае он взят с запасом.

Для того чтобы не изготавливать несколько заземлителей, единицу времени в формулу нужно включать максимальную; следовательно, провод заземления будет более толстым. Если сеть имеет заземляющую нейтраль, то рассчитывать диаметр сечения требуется по току одной фазы. Важным аспектом является обеспечение термической устойчивости, если образуется двухфазное замыкание.

Не разрешается применять для создания заземления обычный изолированный кабель. Изоляция не позволит обнаружить механические повреждения жил, если таковые появятся. Перетирание жил приводит к прожиганию полупроводника, использовать поврежденный кабель нельзя.

Портативное заземление должно быть оснащено специальными зажимами. При помощи этих элементов переносная конструкция закрепляется специальной штангой на токопроводящих частях и позволяет создать надежное заземление. Проводники должны быть присоединены к зажимам без использования переходных наконечников: это обеспечит большую площадь касания и надежность соединения. Отсутствие слабых контактов не позволит конструкции выгореть при воздействии на нее большого напряжения.

Ограничиваться пайкой нельзя, так как при работе с токами выше 1000 будет существенный нагрев, пайка ослабнет, и переносная конструкция будет разрушена.

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.

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. 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.

Молниезащита: что это?

Защита от возможного перенапряжения исключительно импульсного характера, когда происходит перегруз значительный по силе на линии потребления оборудованием тока, знакомое всем сегодня короткое замыкание, которое опасно для любого дома.

Защита от различных электромагнитных помех для электросети (обычно такие помехи имеют место быть, если рядом есть работающее любое электрическое оборудование)

В рамках вопроса заземления для дома нельзя не сказать про импульсное перенапряжение. Основное назначение данного вида заземления заключается в безопасности непосредственно обслуживающего персонала предприятия и установки в случае чрезвычайной ситуации, вызванной сбоем работы оборудования.

Человек, который касается корпуса установки, почти сразу подвергается опасному воздействию огромной силы электрическим током, поскольку становится уже в этом случае его проводником непосредственно в землю. Когда говорят про заземление своими руками, то очень часто приводят данный пример, поскольку в таком случае человек выступает в качестве части от заземляющего контура.

Именно по этой причине для устранения такого рода ситуаций и их неприятных последствий заземление корпуса устанавливается прямо на контур, обязательно расположенный максимально в земле.

При этом проанализировав инструкцию как сделать заземление можно легко понять, что срабатывание данной заземляющей схемы является настоящим толчком для всей системы работающих автоматов, которые настроены на отключение подачи к устройствам электроэнергии. Весь механизм расположен в специальных распределительных / силовых щитах.

1. Анализ опасных и вредных факторов

Производственные факторы в зависимости от последствий, к которым может привести их действие, подразделяются на опасные и вредные. Фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к травме или другому резкому ухудшению здоровья, называется опасным производственным фактором. Фактор, воздействие которого на работающего в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности, называется вредным производственным фактором.

Специалисты по радиомонтажу сталкиваются с воздействием многих производственных вредных и опасных факторов согласно ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. К вредным и опасным факторам следует отнести следующие специфические для радиомонтажного производственного помещения факторы:

а) Физические:

повышенное значение напряжения в электрической цепи, замыкание которой может произойти через тело человека. При радиомонтаже применяются такие электроинструменты, как электродрель, электропаяльник, работающие при напряжении 220 В; при неисправности этих приборов рабочие подвергаются опасности поражения электрическим током.

повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны. При пайке радиосхем применяется припой, содержащий свинец, который, испаряясь, загрязняет воздух рабочей зоны.

повышенная или пониженная температура воздуха рабочей зоны;

отсутствие или недостаток естественного света;

недостаточная освещённость рабочей зоны;

повышенный уровень шума (от систем вентиляции);

б) Химические:

повышенное содержание токсических веществ, вызывающих отравление организма. Мелкие частицы свинца при пайке, попадая в воздух рабочей зоны, загрязняют одежду и открытые части тела работающего, а также попадают в организм через органы дыхания, что приводит к отравлению и вызывает изменения в нервной системе, крови и сосудах.

в) Психофизиологические:

перенапряжение анализаторов;

монотонность труда;

эмоциональные и нервно — психические перегрузки.

Строить или не строить?

В уже изрядно забытую пору скудного количества бытовых электроприборов владельцы частных домов редко «баловались» устройством заземления. Считалось, что с задачей отведения утечки электричества превосходно справятся естественные заземлители, такие как:

• стальные или чугунные трубопроводы, если вокруг них не уложена изоляция, т.е. имеется непосредственный плотный контакт с почвой;
• стальная обсадка водяной скважины;
• металлические опоры оград, фонарей;
• свинцовая оплетка подземных кабельных сетей;
• арматура фундаментов, колонн, ферм, заглубленных ниже горизонта сезонного промерзания.

Обратите внимание, что алюминиевая оболочка подземных кабельных коммуникаций не может использоваться в качестве элемента заземления, т.к. покрыта антикоррозионным слоем

Защитное покрытие препятствует рассеиванию тока в грунте.

Оптимальным естественным заземлителем признан стальной водопровод, проложенный без изоляции. Благодаря значительной протяженности минимизируется сопротивление току растекания. К тому же наружный водопровод укладывают ниже отметки уровня сезонного промерзания. Значит, на параметры сопротивления не будут влиять морозы и засушливая летняя погода. В эти периоды уменьшается влажность грунта, и, как следствие, увеличивается сопротивление.

Стальной каркас подземных железобетонных конструкций может служить элементом системы заземления, если:

• с глинистым, суглинистым, супесчаным и влажным песчаным грунтом контактирует достаточная по нормам ПУЭ площадь;
• в период сооружения фундамента арматура в двух или более местах была выведена на дневную поверхность;
• стальные элементы данного естественного заземления были соединены между собой сваркой, а не проволочной связкой;
• сопротивление арматуры, играющей роль электродов, рассчитано согласно требованиям ПУЭ;
• установлена электрическая связь с заземляющей шиной.

Без соблюдения перечисленных условий подземные ж/б сооружения не смогут выполнить функцию надежного заземления.

Из всего набора вышеперечисленных естественных заземлителей расчетам подлежат только подземные ж/б конструкции. Точно вычислить сопротивление растеканию тока трубопроводов, металлической брони и каналов подземных силовых сетей не представляется возможным. Особенно если их прокладка осуществлялась пару десятилетий назад, и поверхность существенно изъедена коррозией.

Эффективность естественных заземлителей определяется путем банальных измерений, для производства чего нужно вызвать сотрудника местной энергослужбы. Показания его прибора подскажут, нужен или нет владельцу загородной собственности повторный заземляющий контур в качестве дополнения к существующим мерам заземления, выполненным компанией-поставщиком электроэнергии.

При наличии на участке естественных заземлителей с соответствующими нормам ПУЭ значениями сопротивления, устраивать защитное заземление нецелесообразно. Т.е. если прибор «агента» энергоуправления показал меньше 4 Ом, организацию контура заземления можно отложить «на потом». Однако лучше перестраховаться и предупредить вероятные риски, для чего и сооружается искусственное заземляющее устройство.

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.

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.

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.

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.

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

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

Общие сведения

Заземлением называется мероприятие по созданию контакта между корпусом электроустановки и землей, с целью защиты обслуживающего персонала и электроустановок. В случае правильного подключения системы заземления электроустановок, при пробое изоляции, большая часть тока уйдет по заземляющему контуру, который имеет меньшее сопротивление, чем другие элементы цепи.

Согласно правилам безопасности, электроустановки и другие приборы, которые подлежат заземлению, можно подключить к естественным заземлителям. В их качестве используют:

• имеющие непосредственный контакт с землей металлические каркасы помещений;
• металлическую защитную обмотку кабелей, закопанных в землю;
• проложенные в земле металлические трубы (за исключением трубопроводов с горючими смесями);
• железнодорожные рельсы.

Подключение таких конструкций к электроустановкам позволяет снизить затраты на оборудование заземления.

Расчет заземления из нескольких заглубленных электродов

   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:

   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):

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.

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.

  Электролитическое заземление

   Соли, попадая в грунт, преобразуются под действием влаги почвы в электролит, который:

   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.

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

   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:

   Все эти работы требуют специального дорогостоящего оборудования, которого у обычного электрика нет в пользовании.