Расчет заземляющего устройства контура заземления

Защитный контур, созданный вокруг любого объекта, который снабжается электроэнергией, обеспечит стекание высокого напряжения в землю по специально установленным электродам. Такие конструкции защищают дорогостоящее оборудование от короткого замыкания и перегорания из-за скачков напряжения. Установку конструкции необходимо проводить в соответствии с результатами проведенных вычислений уровня электропроводности проводников.

Предназначение расчёта

Прежде чем установить систему заземления на жилом или ином объекте, необходимо провести расчет заземляющего устройства, его типоразмеров. Такая конструкция состоит из:

• элементов, установленных вертикально к поверхности земли;
• проводника;
• полос, соединяющих контур в горизонтальной плоскости.

Электроды вкапываются и соединяются между собой с помощью горизонтального заземлителя. После этого созданную систему защиты подсоединяют к электрическому щитку.

Используют такие искусственные конструкции в силовых сетях с разными показателями напряжения:

1. переменным от 380 В;
2. постоянным от 440 В;

на опасных производственных объектах.

Защитные системы устанавливают в разных местах оборудования. В зависимости от места установки они бывают выносными или контурными. В открытых конструкциях подсоединение элементов проводится сразу к заземляющему элементу. В контурных устройствах размещение идет по внешнему периметру или внутри устройства. Для каждого вида защитных установок необходимо провести расчет, чтобы установить величину сопротивления вертикальных заземлителей, количество необходимых стержней и длину полос для их соединения.

Кроме специальных устройств могут использоваться естественные системы:

• коммуникации из металлических труб;
• металлоконструкции;
• подстанции;
• опоры;
• металлическая оболочка кабеля;
• обсадные трубы.

Расчеты токопроводимости делают для искусственных конструкций. Обустройство их на месте использования силовых установок обеспечивает отвод электрического тока в землю, защищая человека и оборудование от разрядов большой величины в результате скачка напряжения. Чем меньше электропроводность, тем уровень силы электротока, уходящего через защитную конструкцию, будет более низким.

Пошаговый расчет контура заземления

Вычисления должны проводиться с учетом количества элементов, удаленности их друг от друга, токопроводимости почвы и глубины вкапывания вертикального заземлителя. Используя эти параметры, получится провести точный расчет защитного заземления.

Сначала следует по таблице определить вид почвы. После этого выбрать подходящие материалы для конструкции. Затем проводятся вычисления по специальным формулам, определяющим число всех элементов, а также их способности к электропроводности.

На основании полученных результатов проводится установка всей системы, после чего проводят контрольные замеры на ее токопроводимость.

Исходные данные

При вычислении силового значения контура заземления, следует составить соотношение их количества, длины соединительных полосок и расстояния, на котором проводится вкапывание.

Кроме этого нужно будет учесть удельное сопротивление грунта, которое определяется уровнем его влажности. Чтобы добиться стабильной величины, необходимо заглублять электроды в почву на глубину не менее 0,7 метра. Также важно не отходить от установленного ГОСТом размера самого защитного устройства.При проведении расчет нужно использовать готовые таблицы с уже имеющимися показателями для используемых материалов и электропроводности определенных видов почв.

Таблица показателей токопроводимости различных грунтов

Название вида почвы	Показатели электропроводности в Ом·м
Торф	20
Черноземы и почвогрунты	50
Песок с залеганием грунтовых вод не глубже 5 м	500
Глина	60
Песок с грунтовыми водами, расположенными ниже 5 м	1000
супеси	150
Морские воды	0,2-1
Речная вода	10-100
Садовая земля	40
Крупнозернистый песок с большим количеством валунов	1000-2000
Скальная порода	2000-4000
Глина или гравий	70

Нужную глубину, на которую закапывают в землю вертикальный электрод, рассчитывают по формуле:

При монтаже защитной конструкции нужно следить за тем, чтобы металлические стержни полностью входили в верхний слой земли и частично в нижние его уровни. Во время расчетов потребуется использовать средние коэффициенты уровня электропроводимости грунта в разные сезоны в тех или иных климатических зонах, представленные в данной таблице:

Сопротивление грунтов в разных климатических зонах

Виды электродов	Климатические зоны
	I	II	III	IV
Вертикального типа	1,8 ÷ 2	1,5 ÷ 1,8	1,4 ÷ 1,6	1,2 ÷ 1,4
В виде полос	4,5 ÷ 7	3,5 ÷ 4,5	2 ÷ 2,5	1,5

Чтобы точно определить количество вертикальных элементов в собираемой конструкции, не учитывая показатели для узких полосок, их соединяющих, нужно использовать формулу:

В ней Rн, обозначающий силу тока, растекающегося по почве определенного типа, коэффициент сопротивления для которого берется из таблицы.

Для вычисления физических параметров материала следует учитывать размеры используемых элементов системы:

• у полосок 12х4 – 48 мм2;
• у уголков 4х4 мм;
• у стального круга– 10 мм2;
• у труб, стенки которых имеют толщину 3,5 мм.

Пример расчета заземления

Проводить вычисления проводимости используемых проводников с учетом особенностей почвогрунта нужно для каждого электрода в отдельности по формуле:

В которой:

• Ψ — климатический коэффициент, который берется из справочной литературы;
• ρ1, ρ2 –величина проводимости верхнего и нижнего слоя земли;
• Н – толщина верхнего слоя грунта;
• t –глубина расположения вертикального элемента в траншеи.

Стержни для таких конструкций закапывают на уровень не менее, чем на 0.7 метра, согласно действующим нормативам.

Что мы должны иметь по окончанию расчета

После проведения вычислений по используемым формулам удается получить точное сопротивление заземляющего устройства искусственного типа. Измерить данные показатели у естественных систем часто не удается из-за невозможности получить точные типоразмеры закопанных коммуникаций, колей, кабеля или уже установленных металлических конструкций.

По окончании расчетов удается получить точное количество стержней и полос для контура, которые помогут создать надежную систему защиты для используемого оборудования и всего объекта в целом. Расчеты помогут также установить точную длину соединяющих стержни полосок. Основным результатом всех проведенных вычислений станет получение итогового значения свойств используемых в созданном контуре проводников, которое определяет силу проходящего по ним электрического тока. Это важнейший норматив ПЭУ, который имеет определенные значения для сетей с разными показателями напряжения.

Допускаемые значения сопротивления заземления, согласно нормативам

Существуют единые нормативные значения, по которым сопротивление растекания тока для электросети с определенным значением напряжения не должно превышать установленных стандартов ГОСТа. В сетях с напряжением в 220 В оно не должно быть больше 8 Ом. При напряжении в 380 В его значение должно быть не выше 4 Ом.

Для расчета показателей всего контура можно использовать формулу R= R0/ ηв*N, в которой:

• R0 уровень токопроводимости для одного электрода;
• R —показание уровня препятствования прохождению тока для всей системы;
• ηв — коэффициент использования защитного устройства;
• N — количество электродов во всем контуре.

Материал, требуемый для устройства контура

Собирать контур можно из металлического материала:

1. уголка,
2. полосок, имеющих определенные размеры.

После установки заземления его обязательно должен проверить эксперт из независимой измерительной лаборатории. Строительную арматуру можно использовать в качестве естественного контура при наличии ее в несущих конструкциях здания. ПЭУ содержит специальный список конструкций, которые можно использовать в качестве естественного контура при создании защитных систем.

Для проверки работы всей конструкции необходимо общее значение и сопротивление вертикальных заземлителей и всей системы проверить специальными приборами. Доверить эту работу нужно независимым экспертам из электролаборатории. Чтобы конструкция надежно защищала весь объект, следует регулярно проводить замеры, проверяя их значение установленным нормативам.

Продолжение примеров расчёта заземляющего устройства

  Наиболее востребованным расчёт заземления с сопротивлением не более 4 Ом., которое должно обеспечить надёжное сопротивление заземляющего устройства в любое время года, при линейных напряжениях 380 В., к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора, или выводы источника трёхфазного 380 В, или 220 В однофазного тока.

3.  Пример расчёта заземления с расположением заземлителей в ряд с нормированным сопротивлением ПУЭ до ρ_н  — 4 Ом·м:

Исходные данные для расчёта:

Почва — глина с удельным сопротивлением ρ — 60 Ом·м., II климатическая зона с ψ — 1,5 для вертикального электрода и ψ — 3,5 для горизонтальной полосы, вертикальные электроды: труба стальная d -50 мм., с толщиной стенки h — 4 мм., длина электрода L — 2,5 м., горизонтальная полоса: сталь шириной b — 60 мм., толщенной h — 4 мм., глубина траншеи равна t = 0,7 м., расстояния между заземляющими стержнями (предварительно) примем из соотношения a = 1хL.

1. Расчёт одиночного вертикального заземлителя:

где,  ρ_экв = Ψ·ρ = 1.5 · 60 = 90 Ом·м;    T = 0,5 · L + t = 0,5 · 2,5 + 0,7 = 1,95 м.

R_О  = 90 / (2π · 2,5) · (ln (2 · 2,5 / 0,050) + 0,5 · ln (4 · 1,95 + 2,5) / (4 · 1,95 — 2,5)) = 5,73 · (ln 100 + 0,5 · ln 1,943) = 28,29 Ом·м.,  примем R_o = R_в = 28,29 Ом·м.

2. Находим предварительное количество стержней вертикального заземления в ряд без учета сопротивления горизонтального заземления:

n = 28,29 /4 = 7,07 шт., находим по таблице 3 ближайшее значение, где n ≈ 7 шт., далее по таблице 3.2 выберем число электродов n = 6 шт., к их длине a = 1хL коэффициент спроса  η_В = 0,65, уточняем число электродов:

n = 28,29 / (4 · 0,65) = 10,88 шт; примем ближайшее значение по таблице 3, где кол. вертикальных электродов n = 10 шт., коэффициент спроса  η_В = 0,59.

3. Длину горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей  расположенных в ряд, где а = 1 · L = 1 · 2,5 = 2,5 м;  L_Г = а · (n — 1) — в ряд, L_Г = 2,5 · (10 — 1) = 22,5 м; находим сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя, где коэффициент для II климатической зоны для горизонтального (полосового) заземлителя возьмём Ψ — 3,5:

 R_Г = 0,366 · (60 · 3,5 / 22,5 · 0,62) · lg (2 · 22,5² /0,060 · 0,7) = 5,51 · lg 24107,14 = 24,15 Ом·м, где коэффициент спроса по таблице 3 η_Г = 0,62, примем сопротивление горизонтального заземлителя R_Г = 24,15 Ом·м.

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

R_об =  (24,15 · 28,29) / (28,29 · 0,62) + (24,15 · 0,59 ·10) = 4,269 Ом·м, где R_об = 4,27  Ом·м, что не соответствует норме  сопротивление не более R_н = 4 Ом., учитывая погрешность расчёта можно оставить полученное значение, т.к. данный расчет следует применять как оценочный, для ООО и ИП обязательное проведения электроизмерений после окончания монтажа заземляющего устройства электролабораторией. Для нового устройства заземления рекомендуется развести пачку соли на ведро воды и пролить вертикальные электроды (один раствор на один электрод) до замера сопротивления, старый «дедовский» способ, улучшить растекание тока заземлителя и уменьшить сопротивление почти в два раза. 

 Для экономии места под заземлитель в данном случае воспользуемся расчётом использования параллельно уложенных полосовых заземлителей в ряд с исходными данными выше, где R₀ = 28,29 Ом·м.:

Примем предварительное количество стержней вертикального одного заземления в ряд без учета сопротивления горизонтального заземления:

n = 10 /2 = 5 шт.,  где коэффициент спроса  η_В = 0,7, длину горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей  расположенных в один ряд, где а = 1 · L = 1 · 2,5 = 2,5 м;  L_Г = а · (n — 1) — в ряд, L_Г = 2,5· (5 — 1) = 10 м.

Находим сопротивление растекания тока для одного горизонтального заземлителя, где коэффициент спроса  η_Г = 0,74:

R_Г = 0,366 · (60 · 3,5 / 10 · 0,74) · lg (2 · 10² /0,060 · 0,7) = 5,51 · lg 476,19 = 27,81 Ом·м.

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

R_об =  (27,81 · 28,29) / (28,29 · 0,74) + (27,81 · 0,7 ·5) = 6,65 Ом·м, где R_об = 6,65 Ом·м., далее опредилим сопротивление одного горизонтального заземлителя проложенного параллельно в  2 ряда, по таблице 9 ниже выбираем коэффициент влияния между полосами длиной 15 м. и расстоянием между ними 5 м.:

таблица 9         ¹) данные приближенные

тогда, заземление R_об  с двумя горизонтальными полосами проложенных параллельно: R_об =  6,65  / (2 · 0,83) = 4 Ом·м, что соответствует норме  сопротивление не более R_н = 4 Ом., где η — 0,83 коэффициент влияния.

 4.  Пример расчёта заземления с расположением заземлителей по контуру с нормированным сопротивлением ПУЭ до ρ_н  — 4 Ом·м. в неоднородном грунте:

В этом примере выбран грунт для расчёта двухслойный.

  Верхний грунт — песок с удельным сопротивлением ρ₁ — 500 Ом·м., толщина верхнего слоя грунта Н – 1 м., нижний слой грунта — глина с удельным сопротивлением ρ₂ — 60 Ом·м., II климатическая зона с ψ — 1,5 для вертикального электрода и ψ — 3,5 для горизонтальной полосы, вертикальные электроды: уголок b -50 мм. (d = 0.95 · b ≈ 0,05 м), с толщиной стенки h — 4 мм., длина электрода L — 2,5 м., горизонтальная полоса: сталь шириной b — 40 мм.(0,04 м), толщенной h — 4 мм., глубина траншеи равна t = 0,7 м., расстояния между заземляющими стержнями (предварительно) примем из соотношения a = 1хL.

1. Находим эквивалентное удельное сопротивление в неоднородном грунте (двухслойный) вертикального заземлителя:

ρ_экв = (1,5 · 500 · 60 ·  2,5) / (500 · (2,5 — 1 + 0,7) + 60 · (1 — 0,7))  = 100,63 Ом·м.

2. Расчёт одиночного вертикального заземлителя с найденным в двухслойном грунте удельным сопротивлением  ρ_экв = 100,63 Ом.:

R_О  = 100.63 / (2π · 2,5) · (ln (2 · 2,5 / 0,05) + 0,5 · ln (4 · 1,95 + 2,5) / (4 · 1,95 — 2,5)) = 6,41 · (ln 100 + 0,5 · ln 1,943) = 31,648 Ом·м., где T = 0,5 · L + t = 0,5 · 2,5 + 0,7 = 1,95 м.  Примем R_О = R_В = 31,65 Ом·м.,

3. Находим предварительное количество стержней вертикального заземления по контуру без учета сопротивления горизонтального заземления:

n = 31,65 /4 = 7,9 шт., находим по таблице 3 ближайшее значение, где n ≈ 8 шт., далее по таблице 3.2 выберем число электродов n = 10 шт., к их длине a = 1хL коэффициент спроса  η_В = 0,56, уточняем число электродов:

 n = 31,65/(4 · 0,56) = 14,13 шт; примем ближайшее значение в сторону увеличения по таблице 3, где кол. вертикальных электродов n = 20 шт., коэффициент спроса  η_В = 0,47.

4. Находим эквивалентное удельное сопротивление горизонтального заземлителя:

 Длину горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей  расположенных по контуру, где а = 1 · L = 1 · 2,5 = 2,5 м; где  L_Г = а · n, L_Г = 2,5 · 20 = 50 м; находим сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя, где коэффициент для II климатической зоны для горизонтального (полосового) заземлителя возьмём Ψ — 3,5:

 R_Г = 0,366 · (500 · 3,5 / 50 · 0,27) · lg (2 · 50² /0,040 · 0,7) = 47,44 · lg 178571,42 = 249,45 Ом·м, где коэффициент спроса по таблице 3 η_Г = 0,27, примем сопротивление горизонтального заземлителя R_Г =  249,45 Ом·м.

5. Находим общее сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:

R_об =  (249,45 · 31,65) / (31,65 · 0,27) + (249,45 · 0,47 ·20) = 3,354 Ом·м, где R_об = 3,35  Ом·м,  что соответствует норме  сопротивление не более R_н = 4 Ом.,

   Посмотреть ⇒                Рисунки к примерам расчёта заземления

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

Вернутся:

на страницу  ⇒   Системы заземляющих устройств

на страницу  ⇒      Глубине промерзания грунта заземляющих устройств

на страницу  ⇒    Расчёт заземляющих устройств

на страницу  ⇒  Примеры расчёта заземления

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

8.2 Расчет защитного заземления

Цель расчета заземления — определить число и длину вертикальных элементов (стержней), длину горизонтальных элементов (соединительных полос) и разместить заземлители на плане электроустановки, исходя из значений допустимых сопротивления и максимального потенциала заземлителя.

Расчет производится в следующем порядке:

1 Определяется норма сопротивления заземления R_нв зависимости от напряжения, режима работы нейтрали, мощности и других данных электроустановки;

2 Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента:

_расч=_табл^., (8.1)

где _расч— расчетное удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента;

_табл— удельное сопротивление грунта по таблице 8.1;

 — климатический коэффициент по таблице 8.2.

Таблица 8.1 — Значения удельных сопротивлений грунтов при влажности 10 — 12 % к массе грунта

Грунт	Удельное сопротивление, Ом·м	Грунт	Удельное сопротивление, Ом·м
Глина	40	Супесок	300
Суглинок	100	Песок	700
Чернозем	200	Скалистый	2000

Таблица8.2 — Значения климатических коэффициентов и признаки зон

Тип заземлителя	Климатические зоны
	I	II	III	IV
Вертикальные стержни длиной lс=2-3 м и при глубине заложенияН0= 0,5-0,8 м	1,8–2,0	1,5–1,8	1,4–1,6	1,2–1,4
Горизонтальные полосовые заземлители при глубине заложения Н 0 = 0,8 м	4,5–7,0	3,5–4,5	2,0–2,5	1,5–2,0
Признаки климатических зон
Средняя температура января, оС	от -20 до -15	от -14 до -10	от -10 до 0	от 0 до +5
Средняя температура июля, оС	от +16 до +18	от +18 до + 22	от +22 до +24	от +24 до +28

3 Определяется сопротивление одиночного вертикального заземлителя R_сс учетом удельного сопротивления грунта:

, (8.2)

где R_с— сопротивление одиночного вертикального заземлителя с учетом удельного сопротивления грунта, Ом;

d— диаметр стержня, м;

— длина вертикального заземлителя, м;

— расстояние от поверхности земли до середины заземлителя;

— глубина заложения заземляющего устройства, м.

4 Учитывая нopмyсопротивления заземленияR_н, определяют число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования:

, (8.3)

где n— число вертикальных заземлителей без учета взаимного экранирования.

5 Разместив заземлители на плане и, задавшись отношением расстояния между одиночными заземлителями Sк их длине ,определяют с учетом коэффициента использования вертикальных стержней_сокончательно число заземлителей и сопротивление заземлителей — без учета соединительной полосы:

, (8.4)

где n₁— окончательное число заземлителей с учетом взаимного экранирования;

_с— коэффициент использования вертикальных стержней (таблица 8.3).

Таблица 8.3 — Коэффициенты использования вертикальных заземлителей

Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м),	Число заземлителей n
	2	4	6	10	20	40	60	100
Заземлители располагаются в ряд
1	0,85	0,73	0,65	0,59	0,48	—	—	—
2	0,91	0,83	0,77	0,74	0,67	—	—	—
Заземлители располагаются по контуру
1	—	0,69	0,61	0,55	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

, (8.5)

где R_сс— сопротивление заземлителей без учета соединительной полосы.

6 Определяется сопротивление соединительной полосы :

, (8.6)

где — сопротивление соединительной полосы, Ом;

— длина соединительной полосы, м;

S— расстояние между одиночными заземлителями, м;

— ширина соединительной полосы, м;

— глубина заложения полосы, м.

Далее с учетом коэффициента использования полосы (таблица 4.4) уточняется:

, (8.7)

R_п‘— сопротивление соединительной полосы.

Таблица 8.4 — Коэффициенты использования горизонтальной полосы, соединяющей вертикальные заземлители

Отношение расстояния между заземлителями (м) к их длине (м),	Число вертикальных заземлителей n1
	2	4	6	10	20	40	60	100
Вертикальные заземлители расположены в ряд
1	0,85	0,77	0,72	0,62	0,42	—	—	—
2	0,94	0,89	0,84	0,75	0,56	—	—	—
Вертикальные заземлители расположены 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

7 Определяют общее сопротивление заземляющего устройства и соединявшей полосы и проверяют, соответствует ли оно нормативному значению R_н:

, (8.8)

R— общее сопротивление заземляющего устройства и соединительной полосы.

Пример расчета.Заземлению подлежит оборудование понижающей подстанции напряжением 6/0,4 кВ. Мощность трансформатора 200 кВ·А, схема соединения обмотокY/_н, т.е. на стороне высокого напряжения — глухозаземленная нейтраль, низкого — изолированная нейтраль. Грунт — суглинок, климатическая зона -II.

Для заземляющего устройства в качестве вертикальных стержней предполагается использовать угловую сталь с шириной полки 40 мм, длиной 3 м; в качестве соединительной полосы — стальную шину сечением 40х4 мм.

1 Токи замыкания на землю в подобных установках меньше 500 А, поэтому для заданной мощности трансформатора нормированное сопротивление заземляющего устройства R_н4 Ом.

2 Удельное сопротивление грунта Ом·м (см. таблицу 8.1). С учетом климатических коэффициентов1,4;4 (см. таблицу 8.2) расчетные удельные сопротивления:Омм,Омм.

3 Эквивалентный диаметр стержней: d = 0,95^. 0,04 = 0,038 м.

Сопротивление одиночного заземлителя при Н₀ = 0,5 м и H = 0,5+ 3/2 = 2 м определяем по формуле (8.2):

Ом.

4 Без учета взаимного экранирования число заземлителей n= 40,5 / 4 = 10 шт.

5 Заземляемый объект – небольшое, отдельно стоящее здание, поэтому заземляющее устройство выбираем контурное в виде прямоугольника (рисунок 8.1) с ориентировочным соотношением сторон — 2х3.

Рисунок 8.1 — Эскиз заземления

Исходя из реальных условий, берем отношение = 1. Тогда(см. таблицу 4.3) ишт. Сопротивление заземлителейОм.

6 Длина соединительной полосы м;берем равнойм. Тогда сопротивление соединительной полосы формула (4.6) равно:

Ом.

С учетом коэффициента использования полосы (см. таблицу 4.4)Ом.

7 Общее сопротивление заземляющего устройства находим по формуле (4.8).

Ом.

Полученное расчетное сопротивление Rудовлетворяет требованиям ПУЭ:R<R_н= 4 Ом. Стержневые заземлители длиной по 3 м в количестве 18 шт. расположены в прямоугольном контуре размером 11х16 м.

Пример расчета защитного заземления с картинками

В системе заземления TN-С-S, защитные функции выполняет заземляющий провод PE, поэтому расчёт повторного заземления в точке разделения PEN затруднён из-за сложности получения параметров воздушных линий и повторных заземлителей.

Без данных, которые находятся у энергоснабжающих служб, подобные расчеты не будут иметь обоснованной точности, строясь лишь на догадках. Тем более, часто бывает, что представители компании, обеспечивающей энергоснабжение, заверяют в ненужности повторного заземления в месте разделения PEN провода, иногда даже препятствуют этому.

Поэтому в отношении частного дома, для расчёта максимальной эффективности заземления нужно брать за основу систему TT, где заземляющий контур не связан с сетевым нулевым проводом.

Система заземления ТТ

Предназначение расчёта заземления

Приступая к расчётам, нужно учесть, что из-за неоднородности почвы и других неучтённых факторов, реальное сопротивление заземления может не совпасть с расчётным. Данные несовпадения случаются даже с лабораториями, имеющими специальное оборудование для анализа грунтов.

Поэтому после проведения работ всегда проверяют сопротивление заземления, и если нужно, добавляют электроды. Целью расчёта сопротивления контура заземления является электробезопасность, условие которой состоит в снижении напряжения прикосновения до безопасного уровня при пробое изоляции и контакте фазного провода с корпусом заземляемого электроприбора.

Безопасным считается максимально допустимое напряжение прикосновения Uп.д.= 40В. Первым этапом расчета будет определение значения тока однофазного замыкания на землю Iкзф.

Поскольку речь идёт о заземлении для частного дома, которое ПУЭ не регламентируется, то Iкзф нужно принять таким, при котором вводный защитный автомат гарантированно отключится за очень быстрое время.

Обозначение вертикального заземлителя

Максимально эффективные значения сопротивления контура заземления

Проект заземления, расчёт защитного контура, пример расчёта сопротивления

Расчёт защитного заземления обычно выполняется в составе основных комплектов рабочих чертежей марок ЭО и ЭМ — внутреннего электроосвещения и силового электрооборудования. Защитное заземление выполняется для повторного заземления PE (PEN) проводника питающей линии. Оно не является заземлением для создания режима работы нейтрали, как например на трансформаторной подстанции. Для молниезащиты зданий и сооружений заземлитель предназначен для отвода в землю токов молнии или ограничения перенапряжений и в этом случае необходимы расчёты в составе проекта молниезащиты.

В качестве примера представлен рабочий проект заземления, альбом марки ЭГ, отдельно стоящего здания лаборатории, в которой используется высокотехнологическое электронное оборудование, с расчётной величиной сопротивления равной 4 Ом. При расчётах получилась величина 3,9 Ом — это отличный результат, такое заземление может использоваться даже для заземления нейтрали трансформаторной подстанции. Все комплектующие — это модульное заземление ZANDZ промышленного изготовления, стальные штыри вертикальных электродов и стальная полоса горизонтального электрода покрыты слоем меди.

Электроустановка лаборатории представляет собой электроустановку в отдельно стоящем здании. Разделение PEN проводника на PE и N проводники предусмотрено в вводном распределительном устройстве ВРУ, напряжение питания 380/220В, система заземления TN-C-S, категория надежности электроснабжения III. В качестве ГЗШ (главной заземляющей шины) проектом предусмотрено использование шины PE, щита ВРУ. Основные потребители электроэнергии: электронное оборудование, офисная техника, бытовые электроприборы, электроосвещение.

Проектом предусмотрено повторное заземление PE проводника питающего кабеля на вводе в здание, для чего предусмотрено заземляющее устройство. Устройство представляет собой заглубленные в грунт вертикальные электроды (штыри стальные омедненные, d=0,014 м, l=4,5 м), соединенные между собой горизонтальным электродом (полоса стальная омедненная, 4х30 мм). Верх электродов расположен на 0,5 м ниже отметки спланированной земли. Расчетное сопротивление растеканию тока 3,98 Ом. Заземляющее устройство имеет электрическую связь с PE шиной щита ВРУ, для чего проектом предусмотрена прокладка проводника медного в изоляции ПВХ сечением 25 мм2.

Для расчёта сопротивления контура заземляющего устройство сначала рассчитывается сопротивление одного вертикального заземлителя. Для этого необходимо знать удельное сопротивление грунта, длину вертикального электрода, диаметр и расстояние от поверхности земли до середины электрода. В примере используется величина расчётного электрического удельного сопротивления суглинка полутвёрдого.

Затем рассчитывается сопротивление пяти электродов. Для этого, из специальной таблицы подбирается коэффициент использования, при этом учитывается число заземлителей и отношение расстояния между вертикальными электродами к их длине. Коэффициент необходим потому, что возникает взаимодействие полей растекания тока вертикальных электродов между собой и горизонтальным заземлителем. Далее, выполняется расчёт сопротивления горизонтального электрода. В формулу вводится величина удельного сопротивления грунта, длина, диаметр и расстояние от поверхности земли до середины горизонтального заземлителя.

При расчёте общего сопротивления заземляющего устройства используются полученные ранее значения сопротивления пяти электродов, горизонтального электрода и коэффициента использования для горизонтального заземлителя.

В проекте предусмотрена пояснительная записка, план расположения заземляющего устройства, расчёт сопротивления заземления, схема основной и дополнительной системы уравнивания потенциалов и спецификация оборудования, изделий и материалов. В спецификации, подробно отображены сведения о наименовании материалов, технических характеристиках, типе, артикуле, производителе, единицах измерения и количестве всего используемого оборудования.

Скачать проект заземления, расчёты защитного контура.

В спецификациях оборудования в проектах не указывается стоимость материалов и стоимость монтажных работ. Для того, чтобы узнать цены и стоимость проводятся работы по составлению смет на оборудование, изделия, материалы и монтажные работы.

Величина сопротивления до 4 Ом необходима не часто, тем более расчётная, дело в том, что расчётные значения всегда в несколько раз больше реальных, полученных после монтажа. Значительное влияние на результат оказывает удельное сопротивление грунта, а оно, всегда, сильно различается на различной глубине, особенно при монтаже глубинного модульного штыревого заземления. Для частного дома или офиса, в отдельно стоящем доме с обычным оборудованием, достаточно величины до 10 Ом, это необходимо для газового котла и требований газоснабжающих организаций. Для дачного дома или коттеджа достаточно величины до 30 Ом.

Данный проект представляет из себя показательный пример заземления, все комплектующие лучшего качества и, следовательно, стоимость такого заземляющего устройства не маленькая, но это идеальный вариант.

Скачать смету на заземление модульное штыревое ZANDZ с расчётным сопротивление 4 Ом.

Проект заземления и расчёт защитного контура заземления необходим для соблюдения защитных мер по электробезопасности, для защиты от поражения электрическим током, в случае повреждения изоляции, в соответствии с ПУЭ.

Расчёт заземления

Верхний слой грунта:		Песок сильно увлажненный (60)Песок умеренно увлажненный (130)Песок влажный (400)Песок слегка влажный (1500)Песок сухой (4200)Песчаник (1000)Супесок (300)Супесь влажная (150)Суглинок сильно увлажненный (60)Суглинок полутвердый, лессовидный (100)Суглинок промерзший слой (190)Глина (при t > 0°С) (60)Торф при t = 0°С (50)Торф при t > 0°С (40)Солончаковые почвы (при t > 0°С) (25)Щебень сухой (5000)Щебень мокрый (3000)Дресва (при t > 0°С) (5500)Садовая земля (40)Чернозем (50)Речная вода (1000)Гранитное основание (при t > 0°С) (22500)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)
Климатический коэффициент:		Климатическая зона I (Верт. — 1.9; Горизонт. — 5.75)Климатическая зона II (Верт. — 1.7; Горизонт. — 4.0)Климатическая зона III (Верт. — 1.45; Горизонт. — 2.25)Климатическая зона IV (Верт. — 1.3; Горизонт. — 1.75)Климатическая зона I (Верт. — 1.9; Горизонт. — 5.75)Климатическая зона I (Верт. — 1.9; Горизонт. — 5.75)Климатическая зона I (Верт. — 1.9; Горизонт. — 5.75)Климатическая зона I (Верт. — 1.9; Горизонт. — 5.75)
Нижний слой грунта:		Песок сильно увлажненный (60)Песок умеренно увлажненный (130)Песок влажный (400)Песок слегка влажный (1500)Песок сухой (4200)Песчаник (1000)Супесок (300)Супесь влажная (150)Суглинок сильно увлажненный (60)Суглинок полутвердый, лессовидный (100)Суглинок промерзший слой (190)Глина (при t > 0°С) (60)Торф при t = 0°С (50)Торф при t > 0°С (40)Солончаковые почвы (при t > 0°С) (25)Щебень сухой (5000)Щебень мокрый (3000)Дресва (при t > 0°С) (5500)Садовая земля (40)Чернозем (50)Речная вода (1000)Гранитное основание (при t > 0°С) (22500)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)Песок сильно увлажненный (60)
Количество верт. заземлителей:		1 вертикальный заземлитель2 вертикальных заземлителя3 вертикальных заземлителя4 вертикальных заземлителя5 вертикальных заземлителей6 вертикальных заземлителей7 вертикальных заземлителей8 вертикальных заземлителей9 вертикальных заземлителей10 вертикальных заземлителей11 вертикальных заземлителей12 вертикальный заземлителей13 вертикальных заземлителей14 вертикальных заземлителей15 вертикальных заземлителей16 вертикальных заземлителей17 вертикальных заземлителей18 вертикальных заземлителей19 вертикальных заземлителей20 вертикальных заземлителей1 вертикальный заземлитель1 вертикальный заземлитель1 вертикальный заземлитель1 вертикальный заземлитель
Глубина верхнего слоя грунта, H (м):
Длина вертикального заземлителя, L1 (м):
Глубина горизонтального заземлителя, h3 (м):
Длина соединительной полосы, L3 (м):
Диаметр вертикального заземлителя, D (м):
Ширина полки горизонтального заземлителя, b (м):
Удельное электрическое сопротивление грунта (ом/м):
Сопротивление одиночного верт. заземлителя (ом):
Длина горизонтального заземлителя (м):
Сопротивление горизонтального заземлителя (ом):
Общее сопротивление растеканию электрического тока (ом):
*Формат ввода — х.хх (разделитель — точка)

Заземление зданий, контур заземления здания, проект заземления

Цвет провода заземления — желтый с салатовой полосой. Каждый, кто самостоятельно монтировал хоть раз проводку, задавался вопросом: «А зачем, собственно, он нужен?». Так ли важно усложнять конструкцию и нести лишние расходы? С какой целью делается заземление зданий? А если оно, заземление, действительно необходимо, то как смонтировать эту систему правильно, чтобы она выполняла свои функции?

Для чего нужно заземление зданий

Наши далекие предки сталкивались только с проявлениями атмосферного электричества. Но уже тогда люди знали, насколько опасными могут быть разряды молнии и называли их «гневом богов». Раскопки археологов показали, что уже в те далекие времена люди понимали некоторые принципы действия атмосферного электричества и пытались создавать примитивные системы защиты.  Эти находки представляли собой длинные медные прутья, возвышающиеся над зданиями, противоположным концом погруженные в грунт.

Однако с развитием человеческого общества, технологий, электричество прочно вошло в наш быт. И тут же остро встал вопрос о защите человека от поражающих факторов электрического тока, но на этот раз не атмосферного, а «домашнего», сгенерированного машинами, построенными самим же человеком. Решение оказалось лежащим на поверхности.

Действительно, заземление зданий — практически точная копия конструкции громоотвода. Из опасной зоны ток отводится в землю с помощью фидера — металлического стержня, проволоки, кабеля.

С помощью заземления защищают электрические агрегаты, домашние сети, бытовую и промышленную технику. В случаях, когда на объектах электроснабжения случается пожар, насосы пожарных автомобилей и даже ручные стволы (брандспойты), которыми пожарные бойцы тушат пожар, должны быть заземлены с помощью специальных устройств.

Принцип действия системы заземления

Принцип действия системы заземления чрезвычайно прост. В чем состоит поражающая (разрушающая) сила электрического тока? Все начинается с того, что в одном месте при создании особых условий, накапливается очень большое количество отрицательно заряженных частиц — электронов. Но так как все в природе стремится к равновесию, то этот избыток частиц устремляется туда, где их недостаточно. Звучит не очень пугающе, но когда поток электронов мчится к земле от наэлектризованных облаков, они, эти крошечные частицы, умудряются нагревать слои атмосферы до миллиона градусов по Цельсию.

Изобретатели научились пускать этот поток в мирное русло — по электрическим проводам. Проходя через проволоку, электроны заставляют её нагреваться и иногда от перегрева она, проволока, начинает ярко светиться. Поток электронов создает и электромагнитное поле, приводящее в движение роторы мощных моторов.

Но машины иногда выходят из строя и поток электронов, прокладывают свой путь через любой предмет, проводящий электрический ток, иногда подобным проводником становится и тело человека. Таким образом, заземление зданий предназначено для предоставления заряженным частицам, электронам, образно говоря, альтернативного пути — более удобной, с меньшим сопротивлением, дороги к выходу. В результате, большая часть электронов проходит по защитному контуру заземления и уменьшает силу тока, направленного на человеческое тело.

Установка и правильный расчет заземления, молниезащиты — необходимое условие безопасности проживающих в доме.

Заземление зданий. Требования

Если расчет заземления частного дома, как и решение о необходимости его монтажа, полностью лежит на совести владельца, то о производственных зданиях и помещениях, многоквартирных жилых домах этого не скажешь. Так, согласно существующим правилам устройства электроустановок, наличие и характеристики системы заземления зависят не только от напряжения, под которым работают машины, но также и от микроклимата внутри конкретных помещений здания.

Расчет заземления электрооборудования производится на стадии проектирования. Согласно ГОСТ 12.1.030-81, в помещениях, где пользуются переменным током с напряжением 380 В и выше или постоянным более 440 В, устройство заземления или зануления обязательно во всех случаях. При напряжении от 42 В до 380 В переменного тока или от 110 В до 440 В постоянного тока заземление устраивается в случае, если работа в помещении сопряжена с условиями повышенной опасности или особо опасными по ГОСТ 12.1.013-78.

Обязательному заземлению подлежат и электроустановки, расположенные под открытым небом.

Машины, работающие от электрической сети с напряжением, менее указанных величин, должны быть заземлены только в помещениях с большой влажностью или на производствах, где есть опасность образования газовоздушных или газопылевых взрывоопасных смесей.

Расчет системы заземления

Методика сводится к расчету количества стержней, необходимых для достижения заданных параметров заземления. Для того чтобы сделать подобный расчет, необходимо знать сопротивление одного стержня. Это сопротивление можно измерить или рассчитать.

Замер производится методом, показанным на рисунке ниже.

Сопротивление стержня определяют по формуле R = U / I, где:

• U — напряжение, измеренное вольтметром, В;
• I — сила тока, измеренная амперметром, А.

Расчет заземления можно сделать и без замеров, для этого можно воспользоваться достаточно сложной формулой, но универсальной для любых вертикальных заземлителей.

Для расчета с помощью этой формулы необходимы следующие исходные данные:

• ρ-экв — эквивалентное удельное сопротивление почвы, Ом×м;
• L — длина стержня, м;
• d — диаметр стержня, м;
• Т — расстояние от поверхности грунта до середины заземлителя (геометрическая середина стержня), м.

Таблица 1. Эквивалентное удельное сопротивление почвы – значения, нормированные для известных видов почв.

Грунт	Эквивалентное удельное сопротивление, Ом×м			Климатический коэфициент
	При влажности грунта 10-12%	Возможные границы колебания значений	Рекомендовано для расчетов	Ψ1	Ψ2	Ψ3
торф чернозем садовая земля глина суглинок мергель, известняк супесчаный песчаный	20 200 40 40 100 250 300 700	— 9 — 53 30 — 60 8 — 70 40 — 150 200 — 300 150 — 400 400 — 2500	20 30 50 60 100 250 300 500	1,4 — — 1,6 2,0 — 2,0 2,4	1,1 1,32 1,3 1,3 1,5 — 1,5 1,56	1,0 1,2 1,2 1,2 1,4 — 1,4 1,2

В таблице: Ψ₁— очень влажный грунт, Ψ₂ – грунт средней влажности, Ψ₃ – сухой грунт.

После того, как стало известно сопротивление одного вертикального стержня, можно рассчитать их необходимое количество, без учета сопротивления горизонтального заземления:

где:

• Rн — нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющих устройств, Ом;
• Ψ — сезонный климатический коэффициент сопротивления грунта, для средней полосы Российской Федерации, может приниматься как 1,7.

Таблица 2. Наибольшее допустимое значение сопротивления заземляющих устройств (согласно ПТЭЭП), в формуле выше обозначено как Rн.

Характеристика электроустановки	Удельное сопротивление грунта ρ, Ом·м	Сопротивление заземляющего устройства, Ом
Искусственный заземлитель к которому присоединяется нейтрали генераторов и трансформаторов, а также повторные заземлители нулевого провода (в том числе во вводах помещения) в сетях с заземленной нейтралью на напряжение, В:
660/380	до 100	15
	свыше 100	0.5 х ρ
380/220	до 100	30
	свыше 100	0.3 х ρ
220/127	до 100	60
	свыше 100	0.6 х ρ

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.

Заглубление горизонтального заземлителя можно найти по формуле:

где:

• Т – расстояние от поверхности земли до геометрической середины заземлителя, м.;
• L – длина заземлителя, м;
• t — минимальное заглубление заземлителя (глубина траншеи), принимается равным 0.7 м.

Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя:

где:

• L_г, b – длина и ширина заземлителя;
• Ψ – коэффициент сезонности горизонтального заземлителя;
• η_г – коэффициент спроса горизонтальных заземлителей (таблица 3).

Длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей:

 — в ряд; — по контуру,

где а – расстояние между заземляющими стержнями.

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

Полное количество вертикальных заземлителей определяется по формуле:

где η_в – коэффициент спроса вертикальных заземлителей (таблица).

Таблица 3. Коэффициент использования заземлителей.

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

Пример расчета

Расчет заземления электрооборудования. Пример — частный дом, используется однофазная электрическая сеть, требуемое сопротивление растеканию не выше 4 Ом. Место расположения — черноземье: эквивалентное удельное сопротивление грунта равно 50 Ом м. Для оборудования системы заземления используются стальные трубы длиной 160 см, диаметром 32 мм.

Расчет одного заземлителя:

Зная сопротивление растеканию, одного заземлителя, нетрудно рассчитать необходимое их количество:

Ответ: 11 заземлителей.

Советы

Сухой грунт — плохой проводник электрического тока, поэтому на песчаных почвах чем глубже забиты заземляющие стержни, тем лучше.

Находясь постоянно во влажной почве, конструкция из тонкого металла очень быстро разрушится в результате коррозии и перестанет выполнять возложенные на нее функции. Поэтому, во влажных грунтах, заземляющие стержни должны быть выполнены из достаточно толстых прокатных материалов.

На фото: заземляющий контур здания выполнен из стальной полосы.

Отличным заземлением может послужить водоносная скважина, если обсадочная труба выполнена из металла.

Если крыша дома выполнена из металлочерепицы (профнастила), ее в обязательном порядке заземляют. Подобная конструкция будет прекрасной молниезащитой здания.

Готовый молниеотвод можно получить, заземлив металлическую мачту телевизионной антенны, если таковая имеется.

Заземление зданий промышленных объектов

Расчет заземления электроподстанции просто необходим, на её территории находится большое количество оборудования, работающего с большим напряжением. Поэтому, практически все оборудование подстанции (трансформаторы, электрические щиты, железобетонные и железные опоры машин, муфты кабелей, кожухи кабельных каналов и размыкателей) заземляется в обязательном порядке.

Сопротивление растекания тока на рассматриваемых объектах не должно превышать 0,5 Ома. Для достижения заданной цифры при устройстве оборудования подстанций по максимуму пользуются естественными заземлителями, такими как трубопроводы подземных кабельных каналов, металлическими опорами электропередач и поддерживают их тросами.

Сопротивление подобных систем рассчитывается по формуле:

где:

• R тр — сопротивление троса одной опоры ЛЭП, Ом;
• R оп — сопротивление растеканию тока самой опоры, Ом.

Заземление зданий цехов промышленного предприятия производится в зависимости от наличия и количества установленного в нем оборудования. Сам алгоритм расчета ничем не отличается от рассмотренного выше примера. По рассматриваемой схеме производится и расчет заземления электрических кабелей.

Произвести необходимые расчеты и составить полный пакет документации по заземлению здания Вам помогут квалифицированные специалисты нашей компании.

Как заказать услугу?

Заказать услугу, рассчитать стоимость работ или уточнить дополнительную информацию вы можете:

оставив заявку на сайте, через форму обратной связи «Заказать звонок»,

позвонив нам по контактному телефону 8 (495) 669 31 74 

или же написать нам на почту: [email protected]

Будем рады ответить на все интересующие вопросы!