Заземление любой структурной единицы производственного объекта, общественного учреждения, либо всего здания в целом, является обязательным требованием для обеспечения защитных мер электробезопасности и обеспечивается присоединением электроустановок (шкафов управления, корпусов электродвигателей, станков и т.п.) к заземляющему устройству (ЗУ), состоящему из заземлителя и заземляющих проводников.
Для заземления оборудования используются различные виды заземлителей — естественные и искусственные. Первые представляют собой проложенные непосредственно в земле металлические трубопроводы и металлоконструкции самого объекта, а вторые — вертикальные и горизонтальные заземлители (стальные уголки, стержни и трубы), которые специально применяются для заземления.
В соответствии с ПУЭ, все электроустановки необходимо заземлять путем присоединения корпусов оборудования или отдельных элементов установки к заземляющему устройству в соответствии со схемой заземления.
Однако, для того чтобы ЗУ выполняло свою защитную функцию, перед его реализацией выполняется проект заземления, в котором производятся расчеты сопротивления вертикальных и горизонтальных электродов, полное сопротивление ЗУ, исходя из удельного сопротивления грунта, размеров вертикального (длина, диаметр) и горизонтального (длина, ширина) электродов, а так же величины их заглубления.
Определение значения требуемого нормируемого сопротивления
Данное значение для группового заземлителя регламентируется ПУЭ, Глава 1.7 «Заземление и защитные меры электробезопасности» (если заземляющее устройство является общим для установок на различное напряжение, то за расчетное сопротивление заземляющего устройства принимают наименьшее из допустимых):
1.7.101. Сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора или выводы источника однофазного тока, в любое время года должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока.
Это сопротивление должно быть обеспечено с учетом использования естественных заземлителей, а также заземлителей повторных заземлений PEN или PE проводника ВЛ напряжением до 1 кВ при количестве отходящих линий не менее двух. Сопротивление заземлителя, расположенного в непосредственной близости от нейтрали генератора или трансформатора или вывода источника однофазного тока, должно быть не более 15, 30 и 60 Ом соответственно при линейных напряжениях 660, 380 и 220 В источника трехфазного тока или 380, 220 и 127 В источника однофазного тока. При удельном сопротивлении земли ρ > 100 Ом • м допускается увеличивать указанные нормы в 0,01ρ раз, но не более десятикратного.
Заземляющие устройства электроустановок напряжением до 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью
1.7.104. Сопротивление заземляющего устройства, используемого для защитного заземления открытых проводящих частей, в системе IT должно соответствовать условию:
R ≤ Uпр/I,
где R — сопротивление заземляющего устройства, Ом;
Uпр — напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В (см. также 1.7.53);
I — полный ток замыкания на землю, А.
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВ• А, в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.
Заземляющие устройства электроустановок напряжением выше 1 кВ в сетях с изолированной нейтралью
1.7.96. В электроустановках напряжением выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства при прохождении расчетного тока замыкания на землю в любое время года с учетом сопротивления естественных заземлителей должно быть
R ≤ 250/I,
но не более 10 Ом, где I — расчетный ток замыкания на землю, А.
В качестве расчетного тока принимается:
- в сетях без компенсации емкостных токов — ток замыкания на землю;
- в сетях с компенсацией емкостных токов: для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты, — ток, равный 125% номинального тока наиболее мощного из этих аппаратов;
для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, — ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов.
Расчетный ток замыкания на землю должен быть определен для той из возможных в эксплуатации схем сети, при которой этот ток имеет наибольшее значение.
Удельное сопротивление грунта
Удельное электрическое сопротивление грунта — параметр, определяющий уровень «электропроводности» грунта как проводника. Оно зависит от состава грунта, размеров и плотности прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нём растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков), температуры и т.п. и колеблется в очень широких пределах.
Величину сопротивления грунта можно значительно понизить за счёт уменьшения переходного сопротивления между заземлителем и почвой путём тщательной очистки перед укладкой поверхности заземлителя и утрамбовкой вокруг него почвы, подсыпкой поваренной соли, а также орошением почвы вокруг заземлителей (орошение почвы вокруг заземлителей 2-5%-ным соляным раствором снижает сопротивление заземления в 5 — 10 раз).
В лучшем варианте в наличии могут быть результаты геологических изысканий, выполненные специализированной организацией, в ином случае, нужно обратиться к карте грунтов местности, в соответствии с ней выбрать значение по Таблице 1:
Таблица 1 — Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов и воды:
|
Грунт, вода |
Удельное сопротивление, Ом∙м |
|
|
возможные пределы |
при влажности 10-20% |
|
| Глина |
8-70 |
40 |
| Суглинок |
40-150 |
100 |
| Песок |
400-700 |
700 |
| Супесь |
150-400 |
300 |
| Торф |
10-30 |
20 |
| Чернозем |
9-53 |
20 |
| Садовая земля |
30-60 |
40 |
| Каменистый |
500-800 |
— |
| Скалистый |
104-107 |
— |
| Вода: | ||
| морская |
0,2-1 |
— |
| речная |
10-100 |
— |
| прудовая |
40-50 |
— |
| грунтовая |
20-70 |
— |
| в ручьях |
10-60 |
— |
Хорошо проводящие грунты теряют свои свойства при отсутствии влаги. Для большинства грунтов 30%-ного содержания влаги достаточно для обеспечения малого сопротивления. Например, для суглинков удельное сопротивление при влажности 5% составляет 165000 Ом/см3, а при влажности 30% — 6400 Ом/см3 [11]. Поэтому везде, где это возможно, заземлители следует помещать довольно глубоко — на уровне грунтовых вод либо на постоянном уровне влаги.
Изменение температуры почвы также значительно влияет на её удельное сопротивление.
| Температура почвы, оС |
Удельное сопроти— вление почвы, Ом |
|---|---|
| 20 | 72 |
| 10 | 99 |
| 0 (вода) | 138 |
| 0 (лед) | 300 |
| -5 | 790 |
| — 15 | 3300 |
При промерзании сопротивление грунтов резко возрастает. Например, для суглинков удельное сопротивление при влажности 15% и температуре 20оС составляет 72 Ом/см3, при температуре 5оС — 790 Ом/см3, а при температуре -15оС — 3300 Ом/см3
Климатическая зона
Местонахождение выполняемых работ определяет климатическую зону, характерную для данной местности.
Таблица 2 — Признаки климатических зон для определения коэффициентов сезонности ψ:
|
Характеристика климатической зоны |
Климатические зоны |
|||
|
I |
II |
III |
IV |
|
| Средняя многолетняя низшая температура (январь), °С |
От -20 |
От -14 |
От -10 |
От 0 |
| Средняя многолетняя высшая температура (июль), °С |
От +16 |
От +18 |
От +22 |
От +24 |
| Среднегодовое количество осадков, см |
~40 |
~50 |
~50 |
~30-50 |
| Продолжительность замерзших вод, дни |
190-170 |
~150 |
~100 |
0 |
Коэффициент сезонности
В зависимости от габаритов горизонтального и вертикального заземлителей находится коэффициент сезонности, который показывает на сколько промерзание грунта снижает эффективность заземления.
Таблица 3 — Коэффициенты сезонности ψ для однородной земли:
|
Климатическая |
Влажность земли во время |
||
|
повышенная |
нормальная |
малая |
|
| Вертикальный электрод длиной 3 м | |||
|
I |
1,9 |
1,7 |
1,5 |
|
II |
1,7 |
1,5 |
1,3 |
|
III |
1,5 |
1,3 |
1,2 |
|
IV |
1,3 |
1,1 |
1,0 |
| Вертикальный электрод длиной 5 м | |||
| I |
1,5 |
1,4 |
1,3 |
| II |
1,4 |
1,3 |
1,2 |
| III |
1,3 |
1,2 |
1,1 |
| IV |
1,2 |
1,1 |
1,0 |
| Горизонтальный электрод длиной 10 м | |||
| I |
9,3 |
5,5 |
4,1 |
| II |
5,9 |
3,5 |
2,6 |
| III |
4,2 |
2,5 |
2,0 |
| IV |
2,5 |
1,5 |
1,1 |
| Горизонтальный электрод длиной 50 м | |||
| I |
7,2 |
4,5 |
3,6 |
| II |
4,8 |
3,0 |
2,4 |
| III |
3,2 |
2,0 |
1,6 |
| IV |
2,2 |
1,4 |
1,12 |
Количество электродов
Количество применяемых горизонтальных и вертикальных электродов создает понятие коэффициента использования этих устройств. Ведь электрод, удаленный от точки подключения заземления имеет ниже эффективность, чем первый. Таким образом, исходя из таблиц 4, 5, мы видим, что не рационально использование более 20 шт. заземлителей размещенных в ряд. А при размещении по контуру — невозможно применение 2-х штырей.
Таблица 4 — Коэффициенты использования ηв вертикальных электродов группового заземлителя (труб, уголков и т.п.) без учета влияния полосы связи:
| Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число заземлителей, n |
|||||||
|
2 |
4 |
6 |
10 |
20 |
40 |
60 |
100 |
|
| Электроды размещены в ряд | ||||||||
| 1 |
0,85 |
0,73 |
0,65 |
0,59 |
0,48 |
— |
— |
— |
| 2 |
0,91 |
0,83 |
0,77 |
0,74 |
0,67 |
— |
— |
— |
| 3 |
0,94 |
0,89 |
0,85 |
0,81 |
0,76 |
— |
— |
— |
| Электроды размещены по контуру | ||||||||
| 1 |
— |
0,69 |
0,61 |
0,56 |
0,47 |
0,41 |
0,39 |
0,36 |
| 2 |
— |
0,78 |
0,73 |
0,68 |
0,63 |
0,58 |
0,55 |
0,52 |
| 3 |
— |
0,85 |
0,80 |
0,76 |
0,71 |
0,66 |
0,64 |
0,62 |
Таблица 5 — Коэффициенты использования ηг горизонтального полосового электрода, соединяющего вертикальные электроды (трубы, уголки и т.п.) группового заземлителя:
| Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине |
Число вертикальных электродов |
|||||||
|
2 |
4 |
6 |
10 |
20 |
40 |
60 |
100 |
|
| Вертикальные электроды размещены в ряд | ||||||||
| 1 |
0,85 |
0,77 |
0,72 |
0,62 |
0,42 |
— |
— |
— |
| 2 |
0,94 |
0,80 |
0,84 |
0,75 |
0,56 |
— |
— |
— |
| 3 |
0,96 |
0,92 |
0,88 |
0,82 |
0,68 |
— |
— |
— |
| Вертикальные электроды размещены по контуру | ||||||||
| 1 |
— |
0,45 |
0,40 |
0,34 |
0,27 |
0,22 |
0,20 |
0,19 |
| 2 |
— |
0,55 |
0,48 |
0,40 |
0,32 |
0,29 |
0,27 |
0,23 |
| 3 |
— |
0,70 |
0,64 |
0,56 |
0,45 |
0,39 |
0,36 |
0,33 |
Пример расчета заземляющего устройства
