Правила и алгоритм расчета заземляющих устройств

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.

Что такое заземление

Заземление — это комплекс мер для обеспечения безопасности человека, чтобы тот не получил удар электрического тока. Кроме этого, оно обеспечивает бесперебойную работу приборов и их стабильность.

Штыри для заземления в грунт

К сведению! Электрические сети отечественного образца часто использовали и используют заземление в виде глухозаземленной нейтрали.

Если говорить простыми словами, то на специальных станциях устанавливаются трехфазные генераторы, обмотки которых связываются по схеме звезда. Точка соединения всех обмоток (центр звезды) и является нейтралью.

Расчёт заземления: практические данные

Стоит обратить внимание на тот факт, что получаемые практически результаты ВСЕГДА отличаются от теоретических расчетов заземления.

В случае глубинного / модульного заземления — разница связана с тем, что в формуле расчёта чаще всего используется НЕИЗМЕННОЕ ОЦЕНОЧНОЕ удельное сопротивление грунта НА ВСЕЙ глубине электрода. Хотя в реальности, такого никогда не наблюдается.

Даже если характер грунта не меняется — его удельное сопротивление уменьшается с глубиной: грунт становится более плотным, более влажным; на глубине от 5 метров часто находятся водоносные слои.

Фактически, получаемое сопротивление заземления будет ниже расчётного в разы (в 90% случаев получается сопротивление заземления в 2-3 раза меньше).

В случае электролитического заземления — разница связана с тем, что в формуле расчета используется коэффициент «С» , берущийся в расчёт как усредненная поправочная величина, которую нельзя описать в виде формул и зависимостей. Определяется он исходя из множества характеристик грунта (температура, влажность, рыхлость, диаметр частиц, гигроскопичность, концентрации солей и т.п.)

Процесс выщелачивания длителен и относительно постоянен. Со временем концентрация электролита в окружающем грунте растёт. Также растёт объём грунта с присутствием электролита вокруг электрода. Через 3-5 лет после монтажа этот получившийся «полезный» объём можно описать трёхметровым радиусом вокруг электрода.

Из-за этого, сопротивление электролитического заземления ZANDZ со временем существенно падает . Замеры показали уменьшение в разы:

• 4 Ома сразу после монтажа
• 3 Ома через 1 год
• 1,9 Ома спустя 4 года

Формула расчёта системы заземлителей

С целью достижения оптимального значения сопротивления создаваемой конструкции одиночные заземлители можно расположить в ряд или сформировать из них замкнутый контур (круг, прямоугольник или любую другую фигуру). Для расчёта такого заземления в указанную выше формула войдут дополнительные параметры:

• R1 — искомое сопротивление (Ом);
• R — сопротивление, вычисленное по базовой формуле (Ом);
• N — число элементов в системе заземлителей;
• Ки — коэффициент использования.

О последнем параметре необходимо рассказать подробнее. Вокруг каждого электрода, используемого для заземления электрического тока, можно представить воображаемую зону, в которой его эффективность достигает 90 %. Она формируется из всех точек, удалённых от поверхности электрода на расстояние, равное его длине. При расчёте заземление необходимо избегать пересечения этих зон, что позволяет достичь максимального коэффициента полезного действия формируемой системы.

Для подсчётов удобнее всего пользоваться табличными значениями, полученных в результате практического применения формулы.

Сама же формула выглядит следующим образом:

Таким образом, если предварительно вычислить переменную и взять её за константу, то по данной формуле можно вычислить оптимальный набор электродов, необходимый для создания заземляющей конструкции:

При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.

Пример расчета контура заземления

Для изготовления заземлителя обычно используется металлический уголок длиной 2,5-3 метра и размером 50х50 мм. При установке расстояние между элементами должно соответствовать их длине, или 2,5-3 метра. Показатель сопротивления для глиняного грунта будет 60 Ом*м. Согласно таблице климатических зон, значение сезонности для средней полосы составит около 1,45. Сопротивление будет равно: 60*1,45=87 Ом*м.

Пошаговый алгоритм монтажа заземления:

1. Выкопать возле дома траншею по контуру глубиной 0,5 м.
2. Забить в ее дно металлический уголок. Габариты его полки подобрать с учетом условного диаметра электродного элемента, который вычисляется по формуле d=0.95*p=0.995*0.05=87 Ом*м.
3. Определить глубину залегания средней точки уголка: h=0.5*l+t=0,5*2,5*0,5=1,75 м.
4. Подставить данное значение в ранее описанную формулу для расчета величины сопротивления одного заземлителя. Полученный параметр в итоге составит 27,58 Ом.

Необходимое число электродов можно определить по формуле N=R1/(Kисп*Rнорм). В результате получится 7. Изначально в качестве Кисп применяется цифра 1. В соответствии с табличными данными, для семи заземлительных устройств значение составит 0,59. Подставив полученную величину в формулу расчета, получаем результат: для дачного участка необходимо использовать 12 электродных элементов.

Соответственно, производится новый перерасчет с учетом этого параметра. Кисп по таблице теперь составит 0,54. Если использовать это значение в формуле, то в результате получится 13 штук. Тогда величина сопротивления электродов будет равна 4 Ома.

Пример расчета заземления на калькуляторе

Предположим, что наш дом расположен на черноземных почвах с толщиной пласта 0.5 м. Мы живем на юге России в четвертой климатической зоне. Предположительно, в качестве заземлителей будут использоваться 5 вертикальных электродов диаметром 0.025 м и длиной 2 м, горизонтальные стержни на глубине 0.5 м – длиной 2 м с шириной полки 0.05 м.

Тогда, перенеся все значения в калькулятор расчета заземления мы получим общее сопротивление на растекание равное 4.134 Ома.

Если в нашем частном доме однофазная сеть с напряжением в 220 Вт, то это значение недопустимо, так как этого заземления будет недостаточно.

Добавим еще один вертикальный электрод и получим значение 3.568 Ом. Это величина нам вполне подходит, а значит такое заземление гарантировано защитит вашу постройку и ее обитателей.

Если вы получаете значение близкое к критическому, то лучше увеличить количество или размер электродов. Помните, что расчет контура заземления крайне важен для безопасности!

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.