Расчет защитного заземления

Как определить коэффициент использования электродов заземления

В технической литературе часто рассказывается про заземление и зануление. Действительно, вопрос о заземлении в домах и квартирах встал в нашей стране относительно недавно. Еще когда бригады коммунистов электрифицировали страну, в деревенские домики подводили только фазу и ноль. Про провод заземления умалчивали. Во-первых, экономили алюминий как стратегический металл для самолетов, а во-вторых, мало кого заботили проблемы с защитой населения от поражения электрическим током, а в-третьих, не думали о заземлении как о эффективной мере защиты людей. Прошло достаточно времени, чтобы исчезли коммунисты, а вместе с ними и распалась страна, в которой они правили, но памятники, оставшиеся после них, все еще стоят. Памятники стоят, а дома разрушаются.

В нашим домах заземлены только трубы водопровода, канализации и газопровода, а также поэтажные щитки. При этом трубы газопровода для заземления не подходят из-за взрывчатого газа, который по ним летит. Трубы канализации для заземления также использовать нельзя. Хоть канализация сплошь из чугуна, но стыки чугунных труб заделаны цементом, который является плохим проводником. Трубы водопровода вроде как являются неплохим заземлением, но нужно учитывать, что трубы прокладывают не в земле, а в слое изоляции в специальных каналах. Самое надежное заземление – от распределительного этажного щита.

На предприятиях все изначально делали грамотно и заземляли все, что можно. Кроме заземления на предприятиях используется зануление. Многие ошибочно считают, что зануление – это проводок в розетке от нулевого провода к заземляющему контакту. Понятия “заземление” и “зануление” тесно связаны с понятием нейтрали.

Нейтраль – точка схождения трех фаз через обмотки в трансформаторе, соединенных звездой. Если эту точку соединить с заземлителями, то образуется глухозаземленная нейтраль трансформатора, и общую систему называют заземленной. Если к этой точке приварить шину и соединить ее со всеми приборам и аппаратам, то оборудование окажется заземленным.

Если нейтраль соединить с нулевой шиной (без заземлителей), то образуется изолированная нейтраль трансформатора, и общую систему называют зануленной. Если эту шину соединить со всеми приборами и аппаратами, то оборудование окажется зануленным.

Идея в том, что по заземленному или зануленному проводнику течет ток только при перекосе фаз, но это для трансформатора и при аварийных режимах работы. Нельзя выбирать – занулять или заземлять оборудование. Это сделано уже на подстанции. Обычно используется глухозаземленная нейтраль.

Если к примеру обмотка двигателя стиральной машины разрушилась и появилось сопротивление между корпусом и обмоткой, то на корпусе стиральной машины будет потенциал, который можно обнаружить индикаторной отверткой. Если машина не заземлена, то при касании корпуса потенциал машины станет потенциалом вашей руки, а т.к. ванная, где находится машина, является помещением особо опасным с точки зрения поражения током и следовательно пол является токопроводящим, нога приобретет нулевой потенциал и значит вы получите удар напряжением, пропорциональным потенциалу руки. Если машину заземлить, то в теории сработает автоматический выключатель защиты. Если машину занулить, то потенциал растечется вокруг всей машины и при касании потенциалы руки и ноги будут одинаковыми. Только надо учитывать, что ток растекается вокруг и при шагании ноги оказываются под разными потенциалами. И, конечно, можно получить удар напряжением.

Критерии применения заземления

Защитное заземление — преднамеренное электрическое соединение с землёй или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением.

Защитное заземление применяется в сетях напряжением до 1000 В переменного тока – трёхфазные трехпроводные с глухозаземленной нейтралью; однофазные двухпроводные, изолированные от земли; двухпроводные сети постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока; в сетях выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали.

Заземление обязательно во всех электроустановках при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках при напряжении 42 В и выше переменного тока, 110 В и выше постоянного тока; при любых напряжениях во взрывоопасных помещениях.

В зависимости от места размещения заземлителей относительно заземляющего оборудования различают два типа заземляющего устройств – выносное и контурное.

При выносном заземляющем устройстве заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование.

При контурном заземляющем устройстве электроды заземлителя размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.

В открытых электроустановках корпуса присоединяют непосредственно к заземлителю проводами. В зданиях прокладывается магистраль заземления, к которой присоединяют заземляющие провода. Магистраль заземления соединяют с заземлителем не менее чем в двух местах.

В качестве заземлителей в первую очередь следует использовать естественные заземлители в виде проложенных под землёй металлических коммуникаций (за исключением трубопроводов для горючих и взрывчатых веществ, труб теплотрасс), металлических конструкций зданий, соединённых с землёй, свинцовых оболочек кабелей, обсадных труб артезианских колодцев, скважин, шурфов и т.д.

В качестве естественных заземлителей подстанций и распределительных устройств рекомендуется использовать заземлители опор отходящих воздушных линий электропередачи, соединённых с заземляющим устройством подстанций или распределительным устройством с помощью грозозащитных тросов линий.

Если сопротивление естественных заземлителей Rз удовлетворяет требуемым нормам, то устройство искусственных заземлителей не требуется. Но это можно только измерить. Посчитать сопротивление естественных заземлителей нельзя.

Когда естественные заземлители отсутствуют или использование их не даёт нужных результатов, применяют искусственные заземлители – стержни из угловой стали размером 50Х50, 60Х60, 75Х75 мм с толщиной стенки не менее 4 мм, длиной 2,5 — 3 м; стальные трубы диаметром 50—60 мм, длиной 2,5 — 3 м с толщиной стенки не менее 3,5 мм; прутковая сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м и более.

Заземлители забивают в ряд или по контуру на такую глубину, при которой от верхнего конца заземлителя до поверхности земли остаётся 0,5 — 0,8 м. Расстояние между вертикальными заземлителями должно быть не менее 2,5—3 м.

Для соединения вертикальных заземлителей между собой применяют стальные полосы толщиной не менее 4 мм и сечением не менее 48 кв.мм или стальной провод диаметром не менее 6 мм. Полосы (горизонтальные заземлители) соединяют с вертикальными заземлителями сваркой. Место сварки обмазывается битумом для влагоизоляции.

Магистрали заземления внутри зданий с электроустановками напряжением до 1000 В выполняют стальной полосой сечением не менее 100 кв.мм или сталью круглого сечения той же проводимости. Ответвления от магистрали к электроустановкам выполняют стальной полосой сечением не менее 24 кв.мм или круглой сталью диаметром не менее 5 мм.

Нормируемые сопротивления заземляющих устройств приведены в табл.1.

Таблица 1. Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В

Наибольшие допустимые значения R_з, Ом

Характеристика электроустановок

R_з Rз, то необходимо устройство искусственного заземления.

4. Определяют удельное сопротивление грунта ρ из таблицы 2. При производстве расчётов эти значения должны умножаться на коэффициент сезонности, зависящий от климатических зон и вида заземлителя (таблица 3).

Таблица 2. Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды p, Ом•м

Наименование грунта

Удельное сопротивление, Ом•м

Как определить коэффициент использования электродов заземления

Без грамотно рассчитанного контура заземления (ЗК) надеяться на эффективность работы защитной конструкции было бы большой ошибкой. Только убедившись в том, что для токов стекания подготовлена цепочка с минимальным сопротивлением можно быть уверенным в безопасности людей, работающих на линии. Поэтому так важно сразу же разобраться со всеми тонкостями и особенностями расчета контуров заземления.

Цель расчета защитного заземления

Обустраиваемое на стороне потребителя заземляющее устройство предназначено для защиты не только персонала, обслуживающего электроустановки, но и рядовых пользователей.

Важно! Опасный потенциал может попасть на металлические части оборудования во время работы с ним совершенно случайно (из-за повреждения изоляции проводов, например).

Полноценный расчет заземления гарантирует образование надежного контакта защитного устройства с землей, приводящего к растеканию тока и снижению уровня опасного напряжения.

Таким образом, назначение расчета заземляющих устройств – создание условий, исключающих риск поражения живых организмов высоким потенциалом путем его снижения в точке замыкания. В отсутствие хорошо просчитанного и функционального заземлителя любое прикосновение к корпусу поврежденного оборудования равнозначно прямому контакту с фазной жилой.

Пример расчета заземления

Сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня):

где – ρэкв — эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом·м; L – длина стержня, м; d – его диаметр, м; Т – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м.

В случае установки заземляющего устройства в неоднородный грунт (двухслойный), эквивалентное удельное сопротивление грунта находится по формуле:

где – Ψ — сезонный климатический коэффициент (таблица 2); ρ1, ρ2 – удельное сопротивления верхнего и нижнего слоя грунта соответственно, Ом·м (таблица 1); Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t — заглубление вертикального заземлителя (глубина траншеи) t = 0.7 м.

Так как удельное сопротивление грунта зависит от его влажности, для стабильности сопротивления заземлителя и уменьшения на него влияния климатических условий, заземлитель размещают на глубине не менее 0.7 м.

Удельное сопротивление грунта Таблица 1

Заглубление горизонтального заземлителя можно найти по формуле:

Монтаж и установку заземления необходимо производить таким образом, чтобы заземляющий стержень пронизывал верхний слой грунта полностью и частично нижний.

Значение сезонного климатического коэффициента сопротивления грунта Таблица 2

Количество стержней заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находится по формуле:

Rн — нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, определяется исходя из правил ПТЭЭП (Таблица 3).

Наибольшее допустимое значение сопротивления заземляющих устройств (ПТЭЭП) Таблица 3

Как видно из таблицы нормируемое сопротивления для нашего случая должно быть не больше 30 Ом. Поэтому Rн принимается равным Rн = 30 Ом.

Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя:

Lг, b – длина и ширина заземлителя; Ψ – коэффициент сезонности горизонтального заземлителя; ηг – коэффициент спроса горизонтальных заземлителей (таблица 4).

Длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей:

— в ряд; — по контуру.

а – расстояние между заземляющими стержнями.

Определим сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:

Полное количество вертикальных заземлителей определяется по формуле:

ηв – коэффициент спроса вертикальных заземлителей (таблица 4).

Коэффициент использования показывает как влияют друг на друга токи растекания с одиночных заземлителей при различном расположении последних. При соединении параллельно, токи растекания одиночных заземлителей оказывают взаимное влияние друг на друга, поэтому чем ближе расположены друг к другу заземляющие стержни тем общее сопротивление заземляющего контура больше.

Полученное при расчете число заземлителей округляется до ближайшего большего.

Расчет заземления по указанным выше формулам можно автоматизировать воспользовавшись для расчета специальной программой «Электрик v.6.6», скачать ее можно в интернете бесплатно.

Исходные данные для расчета заземления

Перед началом обустройства заземления расчет которого нужно провести, необходимо заранее определиться с такими исходными данными, как:

Линейные размеры забиваемых в грунт стальных штырей.
Расстояние между ними (шаг монтажа).
Допустимая глубина погружения.
Характеристики почвы в месте обустройства заземления.

Дополнительное замечание: Перед проведением расчета также потребуется знать величину сопротивления грунта Ом на участке проведения монтажных работ.

При его определении важно помнить о том, что он сильно отличается от места к месту и в значительной степени зависит от климатической зоны, к которой относится регион. Помимо этих данный придется учесть конфигурацию и материал заготовок, из которых сваривается готовое сооружение (либо обычный стальной уголок, либо медная широкая полоска).

Согласно ПУЭ минимальные размеры элементов для треугольной или линейной контурной конструкции должны быть:

полоса – сечение 48 мм2;
уголок 4х4 мм;
круглый брусок – сечение 10 мм2;
стальная труба диаметром 2,5 см со стенками толщиной не менее 3,5 мм.

Полезное замечание: Минимальную длину штырей вычисляют с учетом технических требований (необходимостью получения требуемого сопротивления стеканию в землю).

В соответствие с этими требованиями ее выбирают не менее 2-2,5 метра. Расстояние между соседними точками погружения стержней должно быть кратным их длине. В зависимости от размеров и конфигурации площадки для обустройства ЗУ элементы конструкции устанавливаются либо в ряд, либо в виде правильного треугольника (иногда для этого выбирается квадратная форма). Используемые в этом случае методики расчета различных вариантов ЗУ ставят своей задачей получение данных по числу стержней и параметрам соединительной полосы (ее длины и сечения).

Вернутся:

на страницу Заземляющие устройства

на страницу Заземлители заземляющего устройства

на страницу Расчет заземляющего устройства

Online расчёт заземления

Климатические коэффициенты для вертикальных и горизонтальных заземлителей

Заземлитель	Климатическая зона
I	II	III	IV
Вертикальный	1,8…2,0	1,6…1,8	1,4…1,5	1,2…1,4
Горизонтальный	4,5…7,0	3,5…4,5	2,0…2,5	1,5…2,0

Перейти в раздел: Паспорт ЗУ, Акт освидетельствования скрытых работ, Протокол испытания ЗУ

Примечание: данный раздел пока находится в разработке, могут быть опечатки.

Расчет элементов заземляющего устройства

Определение параметров проводников, используемых в конструкции любого заземлителя, проводится с учетом следующих соображений:

Длина металлических стержней или штырей в значительной мере определяет эффективность всей системы защитного заземления.
Большое значение имеет и протяженность элементов металлических связей.
От линейных размеров этих конструктивных составляющих зависят расход материала, а также суммарные затраты на обустройство ЗУ.
Сопротивление вертикально забиваемых электродов в первую очередь определяется длиной.
Их поперечные размеры не оказывают существенного влияния на качество и эффективность обустраиваемой защиты.

Обратите внимание: Порядок выбора сечения проводников определяется в ПУЭ, поскольку этот показатель характеризует устойчивость к коррозии (электроды должны служить 5-10 лет).

Помимо этого всегда нужно помнить о «золотом» правиле, согласно которому чем больше металлических заготовок предусмотрено в схеме – тем лучше характеристики безопасности контура.

Схема установки одиночного вертикального заземлителя

Также следует учесть, что мероприятия по организации заземления нельзя назвать легким занятием. При большом количестве составляющих системы увеличиваются объемы земляных работ. А решение вопроса о том, каким конкретно способом улучшать качество заземления (за счет длины или количества электродов) остается за самим исполнителем.

В любом случае при обустройстве ЗУ произвольного типа рекомендуется придерживаться следующих правил:

стержни необходимо вбивать до отметки, находящейся ниже уровня промерзания почвы минимум на 50 сантиметров;
такое их расположение позволит учесть сезонные факторы и исключить их влияние на работоспособность защитной системы;
расстояние между вертикально вбитыми элементами зависит от формы выбранной конструкции и длины самих стержней.

Для корректного выбора этого показателя рекомендуется воспользоваться справочными таблицами.

Таблица определения параметров заземлителей

С целью сокращения объема предстоящих расчетов (их упрощения) сначала желательно определить величину сопротивления
стеканию токов КЗ для одиночного стержня.

С учетом влияния, оказываемого на искомую величину горизонтальными элементами конструкции, сопротивление для вертикальных штырей вычисляется по следующей формуле:

Если монтируемое ЗУ обустраивается в разнородном грунте (другое его название – двухслойный), удельное сопротивление можно определить так:

где Ψ – это так называемый «сезонный» коэффициент;

ρ1 и ρ2– удельные сопротивления слоев почвы (верхней и нижней прослойки соответственно), учитываемые при расчетах в Омах на•метр;

Н – толщина слоя грунта в метрах, расположенного в верхней части земляного покрова;

t – заглубление вертикальных штырей или стержней (оно соответствует глубине подготовленной траншеи), равное 0,7 метрам.

Достаточное для получения эффективного заземления число стержней (горизонтальные составляющие пока не учитываются) определяется так:

где Rн – это нормируемое ПТЭЭП сопротивление растеканию.

С учетом горизонтальных элементов ЗУ формула для определения количества вертикальных штырей принимает такой вид:

где под ηв понимается коэффициент использования конструкции, указывающий на взаимное влияние токов стекания различных единичных элементов друг на друга.

Дополнительная информация: При обустройстве системы из линейно расположенных штырей следует помнить о том, что в этом случае их взаимное влияние проявляется особенно сильно.

При уменьшении шага монтажа этих элементов защитного контура его общее сопротивление растеканию тока заметно увеличивается. Число элементов заземляющего сооружения, полученное по результатам описанных выкладок, следует округлить до большего значения.

Расчеты заземления онлайн удается автоматизировать, если воспользоваться разработанным для этого специальным онлайн калькулятором на нашем ресурсе.

Классический способ измерения сопротивления заземления

Схема установки для измерения сопротивления растеканию электрического тока.

Классический способ измерения сопротивления растеканию (Рис. 1) состоит в измерении напряжения и тока в соответствии со схемой (метод вольтметра — амперметра). Пользуясь формулами закона Ома: R = U / I, мы можем определить сопротивление заземления электрода R. Например, если напряжение равно 10 В и ток равен 1 А, то R = U / I = 10 / 1 = 10 Ом. Измерительная система состоит из источника переменного тока, амперметра, вольтметра и двух металлических электродов, забиваемых в землю. Недостатки подобного метода — невысокая точность вследствие наличия в земле различных коммуникаций, большая трудоёмкость, сложность проведения измерений в зимнее время.

Минимальное расстояние до измерительных электродов

Прибор для измерения сопротивления

Альтернативный способ измерения сопротивления

Существует альтернативный (Рис. 2) способ измерения сопротивления растеканию (журнал «Новости ЭлектроТехники» №5(17) 2002). Сущность этого метода состоит в измерении фазного напряжения электрической сети и напряжения на калибровочном сопротивлении в соответствии со схемой. Искомое сопротивление заземляющего устройства определяют по следующей формуле:

Rзу — сопротивление заземляющего устройства

Rкр — сопротивление калибровочного резистора (50 — 100 Ом)

Uф — фазное напряжение

Uкр — напряжение на калибровочном резисторе

Калибровочный резистор должен иметь мощность рассеяния порядка нескольких сотен ватт. Точность этого метода составляет +10%, т.е. результат измерений всегда будет либо точным, либо с небольшим запасом по безопасности.

Указанный метод утверждён в качестве официального в Республике Беларусь (РД 02150.007-99).

Расчет заземляющих устройств

Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и стойкости к коррозии по ПТЭ и ПУЭ. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитываются последовательно включаемые сопротивления соединительной линии и заземлителя, так, чтобы их суммарное сопротивление не превышало допустимого.

Следует особо выделить вопросы расчета заземляющих устройств для заполярных и северо-восточных районов нашей страны. Для них характерны многомерзлые грунты, имеющие удельное сопротивление поверхностных слоев на один – два порядка выше, чем в обычных условиях средней полосы СССР.

Расчет сопротивления заземлителей в других районах СССР производится в следующем порядке:

1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства r зм. Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей, включенных параллельно, из выражений

(8-14)

где r зм -допустимое сопротивление заземляющего устройства по п. 1, R и-сопротивление искусственного заземлителя; R е-сопротивление естественного заземлителя. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта расч с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание зимой.

При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 8-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.

Средние удельные сопротивления грунтов и вод, рекомендуемые для предварительных расчетов

Примечание. Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе грунта

Измерение удельного сопротивления для получения более надежных результатов производят в теплое время года (май – октябрь) в средней полосе СССР. К измеренному значению удельного сопротивления грунта в зависимости от состояния грунта и от количества осадков вводятся поправочные коэффициенты к, учитывающие изменение вследствие высыхания и промерзания грунта, т. е. Р_расч =Р_к

Значения к, рекомендованные ВЭИ для средней полосы СССР, приведены в табл. 8-8; для других климатических зон они принимаются по данным табл. 8-2.

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода R в.о. формулам табл. 8-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб.

При применении вертикальных электродов из угловой стали в формулу вместо диаметра трубы подставляется эквивалентный диаметр уголка, вычисленный по выражению

(8-15)

где b – ширина сторон уголка.

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования

(8-16)

где R в.о. – сопротивление растеканию одного вертикального электрода, определенное в п. 4; R и – необходимое сопротивление искусственного заземлителя; К и,в,зм – коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Значение повышающего коэффициента к для различных климатических зон

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 8-4 при расположении их в ряд и в табл. 8-5 при размещении их по контуру

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов Rг по формулам табл. 8-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 8-6 при расположении вертикальных электродов в ряд и по табл. 8-7 при расположении вертикальных электродов по контуру.

7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений

(8-17)

где R г – сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п.6; R и – необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

Формулы для определения сопротивления растеканию тока различных заземлителей

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных в ряд, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных по контуру, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Коэффициенты использования К и,г,зм горизонтальных соединительных электродов, в ряду из вертикальных электродов

Коэффициенты использования К и,г,зм вертикальных соединительных электродов в контуре из вертикальных электродов

8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 8-4 и 8-5:

Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.

9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (8-11).

Пример 1. Требуется рассчитать контурный заземлитель подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 110 кВ – 3,2 кА, наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ – 42 А; грунт в месте сооружения подстанции – суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы – опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.

Решение 1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом, Для стороны 10 кВ по формуле (8-12) имеем:

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве U_расч принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также и для установок подстанции напряжением до 1000 В.

Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление rзм = 0,5 Ом.

2.Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы-опоры

3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя (суглинка) по табл. 8-1 составляет 1000 Ом м. Повышающие коэффициенты к для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м равны 4,5 и соответственно 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2 – 3 м при глубине заложения их вершины 0,5 – 0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов Р_расч.г = 4,5х100 = 450 Ом м; для вертикальных электродов расч.в= 1,8х100 = 180 Ом м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода – уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

где d= d y,эд= 0,95; b = 0,95×0,95 = 0,0475 м; t =0,7 + 2,5/2 = 1,95 м;

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и,в,зм = 0,6 :

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов (полосы 40х4 мм 2 ), приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре К и,г,зм при числе уголков примерно 100 и отношении a/l = 2 по табл. 8-7 равен 0,24. Сопротивление растеканию полосы по периметру контура (l = 500 м) по формуле из табл. 8-3 равно:

7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования К и, г, зм = 0,52, принятом из табл. 8-5 при n = 100 и a/l = 2:

Окончательно принимается 116 уголков.

Дополнительно к контуру на территории устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8-1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления, проводимость их идет в запас надежности.

9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 × 4 мм 2 .

Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю в формуле (8-11) при приведенном времени протекания тока к. з. tп = 1,1 равно:

Таким образом, полоса 40 × 4 мм 2 условию термической стойкости удовлетворяет.

Пример 2. Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВА со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю на стороне 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения – глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.

Решение. Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд длиной 20 м; материал – круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения – ввертывание; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.

1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (8-12):

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ.

Согласно ПУЭ сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Таким образом, расчетным является сопротивление заземления rзм = 4 Ом.

2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования водопровода в качестве параллельной ветви заземления

3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземления (глина) по табл. 8-1 составляет 70 Ом*м. Повышающие коэффициенты к для 3-й климатической зоны по табл. 8-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,7 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2-3 м при глубине заложения их верхнего конца 0,5-0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления грунта:

для горизонтальных электродов Р _расч.г = 2,2 × 70 = 154 Ом*м;

для вертикальных электродов Р _расч.в= 1,5х70 = 105 Ом*м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм, длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и. г. зм = 0,9

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней.

Коэффициент использования горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно 6 и отношении расстояния между стержнями к длине стержнями a/l = 20/5х2 = 2 в соответствии с табл. 8-6 принимается равным 0,85.

Сопротивление растеканию горизонтального электрода определяется по формуле из табл. 8-3 и 8-8:

Коэффициенты повышения сопротивления по отношению к измеренному удельному сопротивлению грунта (или сопротивлению заземления) для средней полосы СССР

Примечания:1) к 1 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно минимальному значению (грунт влажный – времени измерений предшествовало выпадение большого количества осадков);

2) к2 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно среднему значению (грунт средней влажности – времени измерений предшествовало выпадение небольшого количества осадков);

3) к3 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно наибольшему значению (грунт сухой – времени измерений предшествовало выпадение незначительного количества осадков).

7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использованияК и. г. зм= 0,83, принятом из табл. 8-4 при n = 5 и a/l= 20/2х4 = 2,5 (n = 5 вместо 6 принято из условия уменьшения числа вертикальных электродов при учете проводимости горизонтального электрода)

Окончательно принимается четыре вертикальных стержня, при этом сопротивление растеканию несколько меньше расчетного.

Выдержка из Справочника по электроснабжению промышленных предприятий

под общей редакцией А. А. Федорова и Г. В. Сербиновского

Примеры расчёта заземляющего устройства

Привёдем несколько примеров для расчёта заземления:

Любой предварительный расчёт заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя в соответствие с требованием ПУЭ, как уже отмечалось ранее, а также на количество требуемых материалов и затрат на изготовления заземляющего устройства (бурение, ручная забивка заземлителей, сварочные работы, электромонтажные работы).

Так же отметим, что любой расчёт начинается с расчёта одиночного заземлителя, одиночный заземлитель применяется в основном для повторного заземления ВЛ опор , где требования ПУЭ (п. 1.7.103.) общее сопротивление растеканию заземлителей должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при тех же напряжениях: 660, 380 и 220 В.
1. Пример расчёта одиночного заземлителя для опоры ВЛ 380 В:

Выбираем арматуру из таблицы 1 для вертикальных заземлителей — круглую сталь ø 16 мм., длиной L — 2,5 м.В качестве грунта примем глину полутвердую (см. таблицу 5) с удельным сопротивлением ρ — 60 Ом·м. Глубина траншеи равна 0,5 м. Из таблицы 6 возьмем повышающий коэффициент для третей климатической зоны и длине заземлителей до 2,5 м. с коэффициентом промерзания грунта для вертикальных электродов ψ — 1,45. Нормированное сопротивление заземляющего устройства равно 30 Ом. Фактическое удельное сопротивление почвы вычислим по формуле: ρ_факт = ψ·ρ = 1.45 · 60 = 87 Ом·м. Примечание: расчёт одиночного заземлителя проводим без учёта горизонтального сопротивления заземления.

Расчет:

а) заглубление равно (рис. 2): h = 0,5l + t = 0,5 · 2,5 + 0,5 = 1,75 м.;

б) сопротивление одного заземлителя вычислим по формуле, (ρ_экв = ρ_факт):

прим. автора, где ln — логарифм, смотри ⇒ формулы на Рис. 4

Нормируемое сопротивления для нашего примера должно быть не больше 30 Ом., поэтому принимается равным R₁ ≈ 28 Ом., что соответствует ПУЭ для одиночного вертикального заземлителя (электрода) заземления опоры ВЛ — U ∼ 380 В.

Если недостаточно одного заземлителя для опоры, то можно добавить второй или третий, в этом случае для двух заземлителей расчёт выполняется как для заземлителей в ряд, для трёх заземлителей (треугольником) по контуру, при этом надо иметь в виду, что расчёт треугольником малоэффективный, из-за взаимного влияния электродов друг к другу.

2. Пример расчёта заземления с расположением заземлителей в ряд:

Воспользуемся данными из примера 1 , где R = 27,58 Ом·м для расчёт вторичного заземления электроустановок (ЭУ), где нормативное сопротивление требуется не более R_н = 10 Ом, на вводе в здания, при напряжении 380 В и каждого повторного заземлителя не более R_н = 30 (см. ПУЭ п.1.7.103 см. Заземлители) .

Расчет:

а) для расчёта заземления с расположением в ряд заземлителей, как уже отмечалось выше, возьмем данные из примера 1, где R₁ = 27,58 Ом·м одиночного заземлителя и Ψ — 1,45 для третей климатической зоне;

б) предварительное количество стержней вертикального заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находится по формуле 4.3 (см. Расчёт заземления):

n = 27,58 / 10 = 3,54 шт, где коэффициент спроса (использования) примем η = 1; далее по таблице 3 выберем число электродов n = 3 в ряд при отношение расстояние между электродами к их длине a = 1хL и коэффициент спроса η = 0,78, далее уточняем число электродов:

n = 27,58 / (10 · 0,78) = 3,26 шт; где потребуется увеличить число электродов или изменить расстояние к их длине a = 3хL, для экономии материалов примем отношение a = 3хL и количество вертикальных электродов равным — n = 3 шт . с коэффициентом спроса η = 0,91: n = 27,58 / (10 · 0,91) = 3,03 шт; т.к. общее сопротивление заземлителя уменьшиться за счёт горизонтального заземлителя;

в) длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей расположенных в ряд, где а = 3· L = 3 · 2 = 6 м ; L_г = 6 · (3 — 1) = 12 м;

г) сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя находим по формуле 5 (см. Расчёт заземления), где в качестве верхнего грунта принято глина полутвердая с удельным сопротивлением 60 Ом·м., до глубины верхнего слоя нашей траншеи t = 0,5 м. см. пример 1; выберем полосу заземлителя 40 х 4 мм ., где коэффициент III климатической зоны для горизонтального (полосового) заземлителя возьмём Ψ — 2,2 и коэффициент спроса примем η = 1 , т.к. расстояние между электродами более 5 м., что исключает влияние около электродной зоны, по количеству принятых электродов, их длине и отношению расстояния между ними (см. таблицу 3 Расчёт заземления) :

ширина полки для полосы b = 0,04 м.

R_г = 0,366 · (100 · 2,2 / 12 · 1) · lg (2 · 12 2 /0,04 · 0,5) = 27,90 Ом·м, примем сопротивление горизонтального заземлителя — R_г = 27,9 Ом·м;

где, lg- десятичный логарифм ( смотри формулы формулы для расчёта рис. 4), b — 0,04 м. ширина полосы, t — 0,5 м. глубина траншеи.

д) Определим общее сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:

R_об = (27,9 · 27,58) / (27,58 · 1) + (27,9 · 0,91 ·3) = 7,42 Ом·м

где R_об — общее сопротивление заземлителей; R _В — вертикального; R_Г — горизонтального , η_В и η_Г — коэффициенты использования вертикального и горизонтального заземлителя , n — шт количество вертикальных заземлителей.

R_об = 7,42 Ом·м соответствует норме при напряжении U — 380 В для ввода в здание, где нормированное сопротивление не более R_н = 10 Ом (Общее сопротивление растеканию заземлителей (в том числе естественных) всех повторных заземлений PEN-проводника каждой ВЛ в любое время года должно быть не более 5, 10 и 20 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В., ПУЭ п.1.7.103.)

3. Пример расчёта заземления с расположением заземлителей по контуру:

В качестве грунта примем сугли́нок — почва с преимущественным содержанием глины и значительным количеством песка с удельным сопротивлением ρ — 100 Ом·м. Вертикальный заземлитель из стальной трубы с наружным диаметром d — 32 мм., толщена стенки S — 4 мм., длиной электрода L — 2,2 м и расстоянием между ними 2,2 м ( a = 1хL). Заземлители расположены по контуру. Глубина траншеи равна t = 0,7 м. Из таблицы 6 возьмем повышающий коэффициент для второй климатической зоны и длине заземлителей до 5 м, его сезонное климатическое значение сопротивление составит Ψ — 1,5. Нормированное сопротивление заземляющего устройства равно R_н = 10 Ом·м . Фактическое удельное сопротивление почвы вычислим по формуле: ρ экв = Ψρ = 1.5 · 100 = 150 Ом·м.

а) вычислим сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня) по формуле 2 см. Расчёт заземления:

R _О = 150 / (2π · 2,2) · ( ln (2 · 2,2 / 0,032) + 0,5 · ln (4 · 1,8 + 2,2) / (4 · 1,8 — 2,2)) = 10,85 · (ln 137,5 + 0,5 · ln 1,88) = 56,845 Ом·м., где T = 0,5 · L + t = 0,5 · 2,2 + 0,7 = 1,8 м. Примем R_О = R_В = 56,85 Ом·м.,

б) предварительное количество стержней вертикального заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находим по формуле (см. Расчёт заземления):

n = 56,85 /10 = 5,685 шт., округляем по таблице 3 до ближайшего значения, где n = 4 шт., далее по таблице 3 выберем число электродов n = 6 шт по контуру при отношение расстояние между электродами к их длине a = 1хL, где коэффициент спроса η = 0,62 и уточним количество
стержней с коэффициентом использования вертикальных заземлителей: n = 56,85 /10 · 0,62 = 9,17 шт., т.е требуется увеличить количество электродов до n = 10 шт., где коэффициент спроса η _В = 0,55 ;

в) находим длину горизонтального заземлителя исходя из количества заземлителей расположенных по контуру: L _Г = а · n , L _Г = 2,2 · 10 = 22 м., где а = 1 · L = 1 · 2,2 = 2,2 м;

г) находим сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя по формуле 5 (см. Расчёт заземления), где коэффициент для II климатической зоны для горизонтального (полосового) заземлителя возьмём Ψ — 3,5 , коэффициент спроса примем по таблице 3 — η _Г = 0,34 , ширина полосы горизонтального заземлителя b — 40 мм , (если из той же трубы d = 32 мм , то тогда ширина b полосы будет равна — b = 2 · d = 2 · 32 = 64 мм , b = 0,064 м .) и удельное сопротивление грунта — ρ = 100 Ом.м, по формуле 6:

R _Г = 0,366 · (100 · 3,5 / 22 · 0,34) · lg (2 · 22 2 /0,040 · 0,7) = 17,126 · lg 34571,428 = 77,73 Ом·м, примем сопротивление горизонтального заземлителя — R _Г = 77,73 Ом·м;

д) Определим полное сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растекания тока горизонтальных заземлителей по формуле 6:

R_об = (77,73 · 56,85) / (56,85 · 0,34) + (77,73 · 0,55 ·10) = 9,89 Ом·м , что соответствует заданной норме сопротивления не более R_н = 10 Ом·м.

Перейти далее: ⇒ Продолжение примеров расчёта заземления

Данный расчет следует применять как оценочный. После ок ончания монтажа заземляющего устройства необходимо пригласить специалистов электролаборатории для проведения электроизмерений (для ООО и ИП обязательно).

Вернутся:

Перейти в раздел: Паспорт ЗУ, Акт освидетельствования скрытых работ, Протокол испытания ЗУ

Примечание: данный раздел пока находится в разработке, могут быть опечатки.

Правила и алгоритм расчета заземляющих устройств

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:

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.
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.
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:

Стержни необходимо устанавливать ниже горизонта сезонного промерзания по крайней мере на 50 сантиметров. Это позволит отстранить сезонные факторы от влияния на эффективность системы.
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

Далее расскажем о том, как рассчитать заземление по формулам, и приведем пример расчетов. Выбираем формулу, исходя из типа заземлителей.

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.

Вычисляем данные по горизонтальной части заземлительной системы.

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.

Расчет контура заземления

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:

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

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.

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

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:

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.

Видео по теме

Как выбрать монтажную пену

Изоляция щелей – распространенная процедура при проведении строительных работ. Швы или щели неизбежно возникают при соединении различных деталей: при установке дверей или окон. Для устранения подобных зазоров часто используются монтажные пены.

В этой статье мы расскажем о том, как правильно выбрать монтажную пену.

Принцип действия монтажной пены

Шов всегда представляет собой «мостик холода», то есть участок материала с высокой теплопроводностью, через который тепло уходит из помещения. В баллоне монтажная пена находится в жидком состоянии. Это позволяет ей легко заполнять полости между материалами, не оставляя свободного пространства. Попадая в воздушную среду, монтажная пена начинает полимеризоваться, переходя в твердое состояние и увеличивая объем. В химической реакции активное участие принимает влага, которая содержится в воздухе. При недостатке влажности поверхность, на которую наносится монтажная пена, предварительно смачивают водой.

В некоторых случаях без швов не обойтись. Например, при работе с древесными материалами, между элементами конструкции (пола, обшивки) целенаправленно оставляют зазор. Такой шов называется деформационным или компенсационным, он делается для свободной усадки древесного материала. Его монтажной пеной обрабатывать не нужно, совсем другое дело – швы между оконной коробкой пластикового окна и стеной, такой зазор устранять необходимо.

На 80-90% объема пены занимают пузырьки, заполненные воздухом. Это обеспечивает хорошие теплоизолирующие свойства, так как воздух обладает низкой теплопроводностью. Благодаря этому тепловая энергия медленнее покидает помещение через участок, покрытый монтажной пеной.

Компоненты

Монтажную пену по способу полимеризации и по количеству компонентов принято подразделять на однокомпонентную и двухкомпонентную.

Однокомпонентная – наиболее распространенная разновидность. Химические элементы, находящиеся в баллоне, вступают в реакцию, в результате которой образуется полимер полиуретан. В баллоне также находятся сжиженные газы, которые способствуют выходу пены и последующему образованию ячеистой структуры из пузырьков. Газообразный компонент, вытесняющий пену из баллона, называется пропеллент. Также в состав могут добавляться различные вещества, ускоряющие затвердение.

Реакция между ингредиентами у однокомпонентной пены начинается еще в баллончике

Двухкомпонентные – смешивание активных компонентов для полимеризации происходит непосредственно перед использованием. Обычно баллончик разделяется на две емкости, для смешивания необходимо повернуть специальную ручку на нем, а затем взболтать. Скорость затвердевания получается выше, при этом такие составы не зависят от влажности воздуха, но для нанесения потребуется использовать специальный строительный пистолет.

Пистолет для монтажной пены

Для строителей и частников

Обычно строительную монтажную пену принято делить на типы в зависимости от класса использования на профессиональную и бытовую.

Бытовые пены имеют меньший выход и объем баллона. Часто бытовая пена рассчитана на одноразовое использование. Для этого в комплекте идет одноразовая трубка-адаптер для нанесения состава на различные поверхности.

Бытовая пена рассчитана на одноразовое использование

Профессиональная пена обычно изготавливается из более качественных компонентов. Баллоны профессиональной отличаются большим объемом, при этом рассчитаны на многократное использование. К сожалению, нанести профессиональную пену без монтажного пистолета не получится. Пистолет устанавливается на кольцо-аппликатор. По цене это устройство может превышать стоимость самой пены, но зато он позволяет дозировать напор, мощность струи и выход жидкости. Приобретение профессиональной пены оправдано только в том случае, если работы по герметизации проводятся регулярно.

Профессиональная пена может использоваться многократно

Монтажный пистолет в сочетании с профессиональной пеной позволяет точно наносить полиуретан на различные поверхности. Длинный тонкий носик позволяет распылять вещество в труднодоступные места. Если требуется срочно заделать щель, оставшуюся после монтажа оконной коробки, при этом выполнение дальнейших работ не планируется, то лучше выбрать бытовую пену.

Объем выхода и вес

Измерение количества пены в баллоне достаточно сложный на первый взгляд вопрос. Вес и объем баллона для пользователя ни о чем не говорят, так как на выходе получается совсем другой объем из-за вспенивания. Для этого производители используют параметр объем выхода пены. Он отражает пространство, которое займет застывший полимер. Из однолитрового баллона бытового класса выходит 30 – 40 л пены. У профессиональных пен этот показатель выше – может достигать 50 – 65 л. На выход влияет влажность и температура полимеризации.

Недобросовестные производители могут использовать неосведомленность покупателей в бытовом сегменте. Например, занижают реальное содержание материала в баллоне. Не быть обманутым можно, обращая внимание на вес баллона. Профессиональная пена в баллоне один литр весит 900 – 1050 г, 750 мл бытового вещества весит 800 – 900 г.

Расширение и усадка

В ходе полимеризации идет интенсивное выделение углекислого газа, это способствует увеличению объема пенной массы. Некоторые поры открываются и выпускают избытки газа. По этой причине процесс увеличения объема может идти неконтролируемо. Особенно сложно оценить, как проходит вспенивание в закрытом от глаз, труднодоступном месте. Наибольшее расширение происходит сразу после выхода состава из баллона, такое увеличение объема называют первичным.

Первичное расширение – это основное свойство пены, которое заключается в способности увеличиваться в объеме и заполнять собой пустоты при переходе из жидкого в твердое состояние. Для бытовых составов это показатель обычно достигает 60%, у профессиональных – доходит до 300%.

Для оценки увеличения объема необходимо учитывать параметр вторичного расширения. Минимальный показатель означает, что полиуретановые связи устанавливаются достаточно быстро, а пена достигает своей окончательной формы сразу после выхода из баллона. Оптимальное значение параметра для качественного продукта не должно превышать 20%. Если вторичное расширение превосходит этот показатель, то это может приводить к разрыву утепляемых конструкций. Прочный каркас, конечно, не разорвет, но лишняя пены выдавится из щелей и ее придется отрезать.

Обработка шва после расширения пены

Обратный процесс называется усадкой, когда затвердевшая пена начинает терять объем. В результате все щели и швы «открываются», теплоизоляция перестает быть эффективной. Иногда усадка пены приводит к отрыву одной из скрепляемых плоскостей. К усадке приводит низкая плотность и открытие слишком большого количества ячеек, параметр усадки не должен превышать 5%.

К усадке и расширениям приводят некачественные, компоненты, используемые при производстве монтажной пены. Использование газа со слишком высоким давлением приводит к открытию большого количества пор и усадке. Также к плохой пространственной стабильности приводят нарушения процедуры монтажа: недостаточная зачистка поверхности, нанесение материала на жирные поверхности, температурные и механические воздействия на материал.

Температурный режим работы

Температура работы влияет на такую характеристику монтажной пены, как вязкость. При понижении температуры вязкость вещества снижается, соответственно и реакция протекает хуже. В зависимости от температуры использования пены подразделяются на зимние, летние и всесезонные.

Зимние пены сохраняют вязкость до – 10 градусов. При этом процесс затвердения все равно протекает дольше, чем в условиях при положительных температурах. Перед использованием пены поверхность нуждается в дополнительном увлажнении, чтобы компенсировать недостаток влаги в воздухе. Негативной чертой зимней пены является слабое расширение.

Зимняя монтажная пена, рассчитанная на нанесение при температуре до – 20 °C

Летние пены применяются при температурах от +30 до +5 градусов.
Всесезонные пены сочетают свойства летних и зимних составов и могут использоваться как в жаркую, так и в холодную погоду.

Также на монтажную пену негативно влияет воздействие ультрафиолета, в результате попадания прямого солнечного излучения пена темнеет и начинает крошиться. От солнечного излучения пену можно защитить штукатуркой. При срезе наружного слоя пена становится уязвимой для влаги.

Кроме температуры нанесения, на выбор пены влияет температура эксплуатации и морозостойкость, которая измеряется в количестве циклов заморозки и оттаивания и обозначается буквой «F».

Плотность и адгезия

Важным параметром монтажной пены является плотность. Для бытовой разновидности нормальной считается плотность 1525 кг/м.куб. для профессиональной – 2535 кг/м.куб. Пена может иметь мелкие или крупные поры. Выбор плотности зависит от конкретных задач, для которых применяется состав. Заделку швов лучше всего осуществлять плотной пеной с ячейками одного размера.

Пена разной плотности

Адгезия – способность пены закрепляться на других поверхностях. Адгезия определяется тем, какое усилие требуется, чтобы оторвать одну поверхность от другой. Для монтажный пены нормальным считается 0,4 – 0,48 Мпа сопротивление на сдвиг. Смесь плохо сцепляется с такими поверхностями, как полиэтилен, жирные покрытия, тефлон и др., но такие материалы достаточно редко встречаются в строительной сфере, а при адгезии с бетоном, кирпичом, железом или древесиной никаких проблем возникать не должно.

Монтажная пена должна сразу закрепляться на материале и набирать объем. Стекание состава по поверхности говорит о плохой полимеризации.

На что обратить внимание при покупке

В первую очередь необходимо обратить внимание на срок годности. В среднем он составляет не более 18 месяцев. Просроченная пена теряет необходимую вязкость и адгезию.

При использовании баллон необходимо взболтать, чтобы смесь перешла в однородное состояние. Также рекомендуется обратить внимание на наличие внешних повреждений на упаковке. Следы от ударов могут свидетельствовать о ненадлежащем хранении материла. При покупке монтажного пистолета обратите внимание на наконечник, рекомендуется протестировать пистолет на опытном образце. При неполном открытии выпускного отверстия пена будет подаваться в недостаточном количестве тонкой струйкой.

Монтажную пену надо выбирать на основе задач. Профессиональные составы подойдут при проведении масштабных строительных работ, бытовые – для решения отдельных задач. При заполнении узких пространств лучше воспользоваться составом с небольшим процентом расширения. Если основная роль пены – изолировать «мостики холода», то подойдут вещества с равномерной ячеистой структурой. Если пенная структура должна выполнять функцию крепления, то лучше присмотреться к пене с высокой плотностью.