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 Rз, Ом |
Характеристика электроустановок |
|
Rз < 0,5 |
Для электроустановок напряжением выше 1000В и расчётным током замыкания на землю Iз < 500А |
|
Rз = 250 / Iз < 10 |
Для электроустановок напряжением выше 1000В и расчётным током замыкания на землю Iз < 500А |
|
Rз = 125 / Iз < 10 |
При условии, что заземляющее устройство является общим для злектроустановок напряжением до и выше 1000 В и расчётном токе замыкания на землю Iз < 500 |
|
Rз < 2 |
В электроустановках напряжением 660/380 В |
|
Rз < 4 |
В электроустановках напряжением 380/220 В |
|
Rз < 8 |
В электроустановках напряжением 220/127 В |
Расчётные токи замыкания на землю принимают по данным энергосистемы либо путём расчётов. В принципе, при строительстве коттеджа ток замыкания на землю не нужен. Это вопрос заземления подстанции.
Расчёт заземления методом коэффициентов использования производится следующим образом.
1. В соответствии с ПУЭ устанавливается необходимое сопротивление заземления Rз по таблице 1.
2. Определяют путём замера, расчётом или на основе данных по работающим аналогичным заземлительным устройствам возможное сопротивление растеканию естественных заземлителей Rе.
3. Если Rе<Rз, то устройство искусственного заземления не требуется. Если Rе>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 |
|
Песок |
700 |
|
Супесок |
300 |
|
Суглинок |
100 |
|
Глина |
40 |
|
Садовая земля |
40 |
|
Глина (слой 7-10 м) или гравий |
70 |
|
Мергель, известняк, крупный песок с валунами |
1000-2000 |
|
Скалы, валуны |
2000-4000 |
|
Чернозём |
20 |
|
Торф |
20 |
|
Речная вода (на равнинах) |
10-100 |
|
Морская вода |
0,2-1 |
Примерное распределение государств СНГ по климатическим зонам:
1 зона: Архангельская, Кировская, Омская, Иркутская области, Коми, Урал;
2 зона: Ленинградская и Вологодская области, центральная часть России, центральные области Казахстана, южная часть Карелии.
3 зона: Латвия, Эстония, Литва, Беларусь, южные области Казахстана; Псковская, Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская и Ростовская области.
4 зона: Азербайджан, Грузия, Армения, Узбекистан, Таджикистан, Киргизия, Туркмения (кроме горных районов), Ставропольский край, Молдова.
Таблица 3. Признаки климатических зон и значения коэффициента Кс
|
Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых заземляющих электродов |
Климатические зоны СНГ |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
Климатические признаки зон: |
||||
|
средняя многолетняя низшая температура (январь), °С |
от -20 до -15 |
от -14 до -10 |
от -10 до 0 |
от 0 до +5 |
|
средняя многолетняя высшая температура (июль), °С |
от +16 до +18 |
от +18 до +22 |
от +22 до +24 |
от +24 до +26 |
|
среднегодовое количество осадков, мм |
~400 |
~500 |
~500 |
~300-500 |
|
продолжительность замерзания вод, дн |
190-170 |
150 |
100 |
0 |
|
Значение коэффициента Кс при применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м |
1,8-2 |
1,5-1,8 |
1,4-1,6 |
1,2-1,4 |
|
Значение коэффициента К'с при применении протяжённых электродов и глубине заложения их вершины 0,8 м |
4,5-7,0 |
3,5-4,5 |
2,0-2,5 |
1,5-2,0 |
|
Значение коэффициента Кс при длине 5 м и глубине заложения вершины 0,7-0,8 м |
1,35 |
1,25 |
1,15 |
1,1 |
5. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного вертикального заземлителя - стержневого круглого сечения (трубчатый или уголковый) в земле:
Таблица 4. Коэффициенты использования Мв вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых в ряд без учёта влияния полосы связи
|
Отношение расстояния между электродами к их длине: а/l |
Число электродов Мв |
Мв |
|
1 |
2 |
0,84-0,87 |
|
3 |
0,76-0,80 |
|
|
5 |
0,67-0,72 |
|
|
10 |
0,56-0,62 |
|
|
15 |
0,51-0,56 |
|
|
20 |
0,47-0,50 |
|
|
2 |
2 |
0,90-0,92 |
|
3 |
0,85-0,88 |
|
|
5 |
0,79-0,83 |
|
|
10 |
0,72-0,77 |
|
|
15 |
0,66-0,73 |
|
|
20 |
0,65-0,70 |
|
|
3 |
2 |
0,93-0,95 |
|
3 |
0,90-0,92 |
|
|
5 |
0,85-0,88 |
|
|
10 |
0,79-0,83 |
|
|
15 |
0,76-0,80 |
|
|
20 |
0,74-0,79 |
Таблица 5. Коэффициенты использования Мв вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи
|
Отношение расстояния |
Число электродов Мв |
Мв |
|
1 |
4 |
0,66-0,72 |
|
6 |
0,58-0,65 |
|
|
10 |
0,52-0,58 |
|
|
20 |
0,44-0,50 |
|
|
40 |
0,38-0,44 |
|
|
60 |
0,36-0,42 |
|
|
100 |
0,33-0,39 |
|
|
2 |
4 |
0,76-0,80 |
|
6 |
0,71-0,75 |
|
|
10 |
0,66-0,71 |
|
|
20 |
0,61-0,66 |
|
|
40 |
0,55-0,61 |
|
|
60 |
0,52-0,58 |
|
|
100 |
0,49-0,55 |
|
|
3 |
4 |
0,84-0,86 |
|
6 |
0,78-0,82 |
|
|
10 |
0,74-0,78 |
|
|
20 |
0,68-0,73 |
|
|
40 |
0,64-0,69 |
|
|
60 |
0,62-0,67 |
|
|
100 |
0,59-0,65 |
6. При устройстве простых заземлителей в виде короткого ряда вертикальных стержней расчёт на этом можно закончить и не определить проводимость соединяющей полосы, поскольку длина её относительно невелика (в этом случае фактически сопротивление заземляющего устройства будет несколько завышено). В итоге общая формула для расчета сопротивления вертикальных заземлителей выглядит так
где
р - Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом•м, таблица 2
КС - Признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.
L – длина вертикального заземлителя, м
d – диаметр вертикального заземлителя, м
t’ – длина от поверхности земли до середины вертикального заземлителя, м
Мв – коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл.4, 5). Предварительное количество вертикальных заземлителей для определения Мв можно принять равным Мв=rв/Rз
а – расстояние между вертикальными заземлителями (обычно отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)
Rз – Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В , таблица 1
при этом l>d, t0>0,5 м;
для уголка с шириной полки b получают d=0,95b.
Для горизонтальных заземлителей расчет ведется тем же методом коэффициента использования
1. Определяют сопротивление, Ом, растеканию горизонтального заземлителя. Для круглого стержневого сечения:
Таблица 6. Коэффициенты использования Мг горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов в ряд.
|
Отношение расстояния между электродами к длине a/l |
Мг при числе электродов в ряд |
|||||||
|
4 |
5 |
8 |
10 |
20 |
30 |
50 |
65 |
|
|
1 |
0,77 |
0,7 |
0,67 |
0,62 |
0,42 |
0,31 |
0,2 |
0,2 |
|
2 |
0,89 |
0,9 |
0,79 |
0,75 |
0,56 |
0,46 |
0,4 |
0,34 |
|
3 |
0,92 |
0,9 |
0,85 |
0,82 |
0,68 |
0,58 |
0,5 |
0,47 |
Таблица 7. Коэффициент использования Мг горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов по контуру.
|
Отношение расстояния между электродами к длине a/l |
Мг при числе электродов в контуре заземления |
||||||||
|
4 |
5 |
8 |
10 |
20 |
30 |
50 |
70 |
100 |
|
|
1 |
0,45 |
0,4 |
0,36 |
0,34 |
0,27 |
0,24 |
0,21 |
0,2 |
0,19 |
|
2 |
0,55 |
0,48 |
0,43 |
0,4 |
0,32 |
0,3 |
0,28 |
0,26 |
0,24 |
|
3 |
0,65 |
0,64 |
0,6 |
0,56 |
0,45 |
0,41 |
0,37 |
0,35 |
0,33 |
где
р - приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом•м, таблица 2
КС - признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.
L – длина горизонтального заземлителя, м
d – диаметр горизонтального заземлителя, м
t’ – длина от поверхности земли до середины горизонтального заземлителя, м
Мв—коэффициент использования горизонтальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл. 6, 7).
а – расстояние между горизонтальными заземлителями (обычно отношение расстояния между горизонтальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)
Rз – Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В, таблица 1
Здесь l>d, l>>4t’. Для полосы шириной b получают d=0,5b.
Пример 1
Рассчитать заземляющее устройство заводской подстанции 35/10 кВ, находящейся во второй климатической зоне. Сети 35 и 10 кВ работают с незаземленной нейтралью. На стороне 35 кВ Iз=8А, на стороне 10 кВ Iз=19А. Собственные нужды подстанции получают питание от трансформатора 10/0,4 кВ с заземленной нейтралью на стороне 0,4 кВ, естественных заземлителей нет. Удельное сопротивление грунта при нормальной влажности p=62 Ом*м. Электрооборудования подстанции занимает площадь 18*8 кв.м.
Решение
Прикинем количество вертикальных электродов 10 шт. по таблице 5, Мв=0,58.
Найдем количество вертикальных электродов
Если Nв<10, все хорошо и можно принимать Nв=9 электродов.
Если Nв>10, нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
Прикинем количество горизонтальных электродов 50 шт. по таблице 6, Мг=0,2.
Если Nг<50, все хорошо и можно принимать Nг=49 электродов.
Если Nг>50, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
Пример 2
Рассчитать заземляющее устройство коттеджа в Беларуси. Коттедж стоит на глинистой почве, следовательно удельное сопротивление грунта p=40 Ом*м. Для заземления используется арматура диаметром 12 мм и длиной 2 метра.
Решение
По таблице 1 – Rз=4
По таблице 2 – р=40 Ом*м
По таблице 3 – Кс=1,6
Электроды будут размещаться в ряд, поэтому по таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, например 10 шт. Мв=0,62
Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра.
Найдем количество вертикальных электродов
Если Nв>10, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
По таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, итого 15 шт. Мв=0,56
Если Nв<15, все хорошо и можно принимать Nв=14 электродов.
Пойдем другим путем и из штырей сварим каркас, закопав его на 0,8 метра под землю. Так получаются горизонтальные заземлители.
По таблице 1 – Rз=4
По таблице 2 – р=40 Ом*м
По таблице 3 – Кс=1,6
Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра
Прикинем количество горизонтальных электродов, например 30 шт. по таблице 6, Мг=0,24
Если Nг>30, то нужно увеличить Мг, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.
По таблице 6 прикинем количество горизонтальных электродов, например 50 шт. Мг=0,21
Если Nг<10, все хорошо и можно принимать Nг=37 электродов.
Заземление учитывает свойство Земли проводить электричество. Электроды для заземления делают обычно из стали. Сталь со временем ржавеет и разрушается, и заземление пропадает. Процесс этот необратим, но можно использовать стальные стержни, покрытые цинком. Цинк тоже металл, но он плохо подвержен ржавлению до тех пор, пока слой цинка есть. Когда со временем цинк вымывается или стирается механическими способами, например, при забивании электродов в твердую почву камни могут ободрать покрытие, тогда скорость коррозии увеличится вдвое. Иногда используют специальные электроды с покрытием из меди.
Стержни для заземления можно брать те, которые использовались как арматура для бетона фундамента. Красить или покрывать смолистыми составами их нельзя – смола выступит как изолятор и заземления не будет вообще. Чем длиннее стержни, тем меньше их понадобится для заземления, но тем труднее их забить в почву. Поэтому вначале нужно выкопать траншею глубиной 1 метр. Забить в траншею кусок арматуры, предварительно заточенный, чтобы он выглядывал из дна траншеи не более 20 сантиметров. Следом через 2 метра забивают следующую арматуру и так далее по расчету. Следом на дно траншеи кладут арматуру и приваривают ее ко всем забитым штырям. Место сварки необходимо обмазать битумом для влагоизоляции. Это делается потому, что арматуру толщиной 12 миллиметров будет гнить в земле очень долго, а вот место сварки по площади относительно небольшое, но самое ответственное.
После забивания всех электродов можно провести эксперимент. Из дома вытягиваем удлинитель. Источник напряжения должен приходить со столба от подстанции. Использовать для проверки автономный источник типа генератора нельзя – не будет замкнутой цепи. На удлинителе находим фазу и подключаем один провод от лампочки, а вторым проводом прикасаемся к обваренным электродам. Если лампочка светится, то измеряем напряжение между фазным проводом и заземленными электродами, напряжение должно быть 220 В, а вот светиться лампочка должна достаточно ярко. Также можно измерить ток через лампочку в 100 Вт. Если ток примерно 0,45 А, все в порядке, но если ток значительно меньше – следует добавить заземляющих стержней.
Нужно добиться нормального свечения лампочки и тока в пределах нормы. После этого места сварки заливают битумом и выводят кусок арматуры из траншеи, прикрепив его к дому. После этого траншею можно засыпать. Выведенный кусок арматуры нужно приварить к электрическому распределительному щиту в коттедже. От щита уже развести медными кабелями все точки.
