Песок пылеватый удельное сопротивление. Расчет защитного заземления

Основной величиной, которая вводится в расчет заземления и от которой зависят конструкции заземления, является удельное сопротивление грунта. Этот важнейший параметр, говорит об уровне "электропроводности" земли в роли проводника, то есть как хорошо будет идти в этой среде электрический ток от заземлителя.

Грунт – это пористое дисперсионное тело , состоящее из трех основных частей: твердой , жидкой (свободная и связанная вода) и газообразной . Структура грунта схематически показана на рисунке ниже.

1 – твердые частицы, 2 – связанная вода, 3 – свободная вода, 4 – газообразная составляющая

Земля – достаточно плохой проводник, ее проводимость в тысячи раз ниже, проводимости воды или металлов. Удельное сопротивление грунта – это физическая величина, характеризующая сопротивление грунта протеканию электрического тока, простыми словами – этим параметром мы делаем выводы о электропроводности грунта в качестве проводника при прокладке заземления.

– это сопротивление, оказоваемое различными веществами земли (грунта) в виде куба с размерами 1×1×1 метр, к которому подключены измерительные электроды к противоположным сторона куба. За физическую единицу объемного удельного сопротивления считают Ом на метр (международное обозначение Омм ).

Значение удельного сопротивления грунта это исходный и главный физический параметр для осуществления расчетов сопротивления заземления. Чем выше это значение, тем больше заземлителей потребуется, чтобы добиться требуемого значения сопротивления заземления. При расчете любого заземляющего устройства необходимо знать точное значение этого араметра в конкретном месте, где будем подключать заземление.

Данный параметр грунта зависит от большого числа внешних факторов: температуры, влажности, состава, структуры и уплотненности грунта, времени года, присутствия солей, щелочных и кислотных остатков.

На основе различных геодезических исследований, проводимых в верхних слоях грунта, можно сделать вывод о том, что электрическая составляющая структуры земли носит выраженный вид слоев, которые имеют совершенно различное сопротивление с достаточно определенными горизонтальными границами. Причем удельное сопротивление в горизонтальном направлении практически одинаковое и изменяется несущественно. При этом верхний слой земли подвергается интенсивным сезонным изменениям, из-за сильных температурных колебаний, а так же от количества попадающей в почву влаги. Другие факторы, влияют менее выражено. Наибольшее значение удельного сопротивления наблюдается в зимнее время года , когда грунт промерзает, и летом – при высыхании последнего. Самым высоким значением обладают как раз на вечномерзлые грунты в зоне мерзлоты. У воды в переходном состоянии из жидкого в твердое практически не идут процессы передачи заряда. На рисунке ниже представлен график зависимости удельного сопротивления грунта от значения температуры, на котором все выше сказанное, очень хорошо видно:

Характерно, что при снижении окружающей температуры всего до -5° Цельсия, значение удельного сопротивления увеличивается в 8 раз. Не менее важное значение, при расчетах заземления имеет и уровень влажности – при его даже незначительном падении у некоторых типов грунтов (пески, глина и суглинок) удельное сопротивление увеличивается в разы. Примеры этого, как раз, приводится в таблице ниже.

Точное и правильное измерение удельного сопротивления грунта позволяет существенно снизить затраты при монтаже заземления. Так, нет необходимости устанавливать лишние заземлители. Для получения правильного результата измерения необходимо осуществлять в течение всего года, как минимум по разу в течение каждого временного сезона. Гораздо чаще все замеры проводят в конце весны – начала лета, возможное увеличение сопротивления учитывают, вводя различные повышающие коэффициенты, смотри таблицу ниже.

Для измерения можно использовать прибор МС-08 или его аналоги. В основу работы положен принцип магнитоэлектрического логометра. В приборе имеются две рамки – одна подсоединена как вольтметр, вторая – амперметр. Эти обмотки, при одномоментном включении, создают на ось измерительного прибора воздействия, имеющие прямо противоположные направления. В результате этого противодействия – отклонение стрелки прибора будет прямо пропорционально значению сопротивления. Шкала измерительного устройства проградуирована в омах. В МС-08 источником напряжения при проведении измерений выступает генератор (Г) постоянного тока, который приводится в движение за счет вращения ручкой. Также имеется выпрямитель (Вп) и прерыватель (П).

При включение питания на крайние электроды между средними появится разность напряжений U . Для однородного грунта значение U будет прямо пропорционально току I и удельному сопротивлению ρ и обратно пропорционально расстоянию между электродами а .

откуда следует, что удельное сопротивление определяется так:

ρ = 2πaU/I . или из соотношений ρ = 2πaR

Чем выше расстояние между электродами, тем больший объем земли охватывается , генерируемым токовыми электродами. Изменяя значение а можно увидеть зависимость значения удельного сопротивления грунта от этого параметра. Для однородной земли значение ρ будет практически везде одинаковым.

Для увеличения точности проводимых измерений важно грамотно расположить на поверхности грунта измерительные щупы. При этом следует соблюдать следующие принципы :
Щтыри нужно хорошо почистить от грязи, оставшейся от предыдущих измерений. Засохшая грязь сильно увеличивает полученное значение
Щупы монтируются в землю строго вертикально по прямой линии, на равном расстоянии друг от друга
Растояние между измерительными щупами должно быть минимум в пять раз больше, чем глубина, на которую забиты щупы
Измерительные щупы желательно вдавливать или забивать в грунт – это даст хороший контакт с землей. Вкручивать стержни не советую – при этом между электродом и землей появляется воздушная прослойка, вносящая погрешность в результат измерений

Измерения необходимо осуществлять в отдалении от металлоконструкций и трубопроводов, которые могут влиять на погрешность и точность.

Приблизительное значение удельного сопротивления можно вычислить с помощью метода пробного электрода. В нем измерительный электрод погружают вертикально в грунт, чтобы над землей оставалось всего 60-70 см, после чего с помощью прибора МС-08 осуществляют замер сопротивления электрода. После чего делают коррекцию полученных данных, используя приближенные значения сопротивления вертикальных значений (смотри таблицу ниже), в результате находя приближенное значение. Измерение лучше всего проводить в двух-трех местах и за рабочее значение принять среднее значение.

Важнейшей функцией заземления является электробезопасность. Перед его установкой в частном доме, на подстанции и в других местах необходимо произвести расчёт заземления.

Как выглядит заземление частного дома

Электрический контакт с землёй создаёт погруженная в грунт металлическая конструкция из электродов вместе с подключёнными проводами – всё это представляет собой заземляющее устройство (ЗУ).

Места соединения с ЗУ проводника, защитного провода или экрана кабеля называются точками заземления. На рисунке ниже изображено заземление из одного вертикального металлического проводника длиной 2500 мм, вкопанного в землю. Его верхняя часть размещается на глубине 750 мм в траншее, ширина которой в нижней части составляет 500 мм и в верхней – 800 мм. Проводник может быть связан сваркой с другими такими же заземлителями в контур горизонтальными пластинами.

Вид простейшего заземления помещения

После монтажа заземлителя траншея засыпается грунтом, а один из электродов должен выходить наружу. К нему подключается провод над поверхностью земли, который идет к шине заземления в электрощите управления.

При нахождении оборудования в нормальных условиях на точках заземления напряжение будет нулевым. В идеальном случае при коротком замыкании сопротивление ЗУ будет равно нулю.

При возникновении в заземлённой точке потенциала, должно произойти его зануление. Если рассмотреть любой пример расчёта, можно увидеть, что ток короткого замыкания I з имеет определенную величину и не может быть бесконечно большим. Грунт обладает сопротивлением растекания тока R з от точек с нулевым потенциалом до заземлителя:

R з = U з / I з, где U з – напряжение на заземлителе.

Решение задачи правильного расчёта заземления особенно важно для электростанции или подстанции, где сосредоточено много оборудования, работающего под высоким напряжением.

Величина R з определяется характеристиками окружающего грунта: влажностью, плотностью, содержанием солей. Здесь также важными параметрами являются конструкции заземлителей, глубина погружения и диаметр подключённого провода, который должен быть таким же, как у жил электропроводки. Минимальное поперечное сечение голого медного провода составляет 4 мм 2 , а изолированного – 1,5 мм 2 .

Если фазный провод коснётся корпуса электроприбора, падение напряжения на нём определяется величинами R з и максимально возможного тока. Напряжение прикосновения U пр всегда будет меньше, чем U з, поскольку его снижают обувь и одежда человека, а также расстояние до заземлителей.

На поверхности земли, где растекается ток, также существует разность потенциалов. Если она высокая, человек может попасть под шаговое напряжение U ш опасное для жизни. Чем дальше от заземлителей, тем оно меньше.

Величина U з должна иметь допустимое значение, чтобы обеспечить безопасность человека.

Снизить величины U пр и U ш можно, если уменьшить R з, за счёт чего также уменьшится ток, протекающий через тело человека.

Если напряжение электроустановки превышает 1 кВ (пример – подстанции на промышленных предприятиях), создаётся подземное сооружение из замкнутого контура в виде рядов металлических стержней, забитых в землю и соединённых сваркой между собой при помощи стальных полос. За счёт этого производится выравнивание потенциалов между смежными точками поверхности.

Безопасная работа с электросетями обеспечивается не только за счёт наличия заземления электроприборов. Для этого ещё необходимы предохранители, автоматические выключатели и УЗО.

Заземление не только обеспечивает разность потенциалов до безопасного уровня, но и создаёт ток утечки, которого должно хватать для срабатывания защитных средств.

Соединять с заземлителем каждый электроприбор нецелесообразно. Подключения производят через шину, расположенную в квартирном щитке. Вводом для неё служит провод заземления или провод РЕ, проложенный от подстанции к потребителю, например, через систему TN-S.

Расчёт заземляющего устройства

Расчёт заключается в определении R з. Для этого необходимо знать удельное сопротивление грунта ρ, измеряемое в Ом*м. За основу принимают его средние значения, которые сводят в таблицу.

Определение удельного сопротивления грунта

Грунт		Грунт	Удельное сопротивление р, Ом*м
Песок при глубине залегания вод менее 5 м	500	Садовая земля	40
Песок при глубине залегания вод менее 6 и 10 м	1000	Чернозем	50
Супесь водонасыщенная (текучая)	40	Кокс	3
Супесь водонасыщенная влажная (пластинчатая)	150	Гранит	1100
Супесь водонасыщенная слабовлажная (твердая)	300	Каменный уголь	130
Глина пластичная	20	Мел	60
Глина полутвердая	60	Суглинок влажный	30
Суглинок	100	Мергель глинистый	50
Торф	20	Известняк пористый	180

Из приведённых в таблице значений видно, что значение ρ зависит не только от состава грунта, но и от влажности.

Кроме того, табличные величины удельных сопротивлений умножают на коэффициент сезонности K м, учитывающий промерзание грунта. В зависимости от низшей температуры (0 С) его значения могут быть следующими:

• от 0 до +5 — K м =1,3/1,8;
• от -10 до 0 — K м =1,5/2,3;
• от -15 до -10 — K м =1,7/4,0;
• от -20 до -15 — K м =1,9/5,8.

Значения коэффициента K м зависят от способа заложения заземлителей. В числителе приведены его значения при вертикальном погружении заземлителей (с заложением вершин на глубине 0,5-0,7 м), а в знаменателе – при горизонтальном расположении (на глубине 0,3-0,8 м).

На выбранном участке ρ грунта может существенно отличаться от средних табличных значений из-за техногенных или природных факторов.

Когда проводятся ориентировочные расчёты, для одиночного вертикально заземлителя R з ≈ 0,3∙ρ∙ K м.

Точный расчёт защитного заземления производят по формуле:

R з = ρ/2πl∙ (ln(2l/d)+0.5ln((4h+l)/(4h-l)), где:

• l – длина электрода;
• d – диаметр прута;
• h – глубина залегания средней точки заземлителей.

Для n вертикальных электродов, соединённых сверху сваркой R n = R з /(n∙ K исп), где K исп – коэффициент использования электрода, учитывающий экранирующее влияние соседних (определяется по таблице).

Расположение заземляющих электродов

Формул расчёта заземления существует много. Целесообразно применять метод для искусственных заземлителей с геометрическими характеристиками в соответствии с ПУЭ. Напряжение питания составляет 380 В для трёхфазного источника тока или 220 В однофазного.

Нормированное сопротивление заземлителя, на которое следует ориентироваться, составляет не более 30 Ом для частных домов, 4 Ом – для источника тока при напряжении 380 В, а для подстанции 110 кВ – 0,5 Ом.

Для группового ЗУ выбирается горячекатаный уголок с полкой не менее 50 мм. В качестве горизонтальных соединительных перемычек используется полоса сечением 40х4 мм.

Определившись с составом грунта, по таблице выбирается его удельное сопротивление. В соответствии с регионом, подбирается повышающий коэффициент сезонности K м.

Выбирается количество и способ расположения электродов ЗУ. Они могут быть установлены в ряд или в виде замкнутого контура.

Замкнутый контур заземления в частном доме

При этом возникает их экранирующее влияние друг на друга. Оно тем больше, чем ближе расположены заземлители. Значения коэффициентов использования заземлителей K исп для контура или расположенных в ряд, отличаются.

Значения коэффициента K исп при разных расположениях электродов

Количество заземлит. n (шт.)
	1	2	3
2	0.85	0.91	0.94
4	0.73	0.83	0.89
6	0.65	0.77	0.85
10	0.59	0.74	0.81
20	0.48	0.67	0.76
Расположение электродов в ряд
Количество заземлит. n (шт.)	Отношение расстояния между заземлителями к их длине
4	0.69	0.78	0.85
6	0.61	0.73	0.8
10	0.56	0.68	0.76
20	0.47	0.63	0.71

Влияние горизонтальных перемычек незначительно и в оценочных расчётах может не учитываться.

Примеры расчёта контура заземления

Для лучшего освоения методов расчёта заземления лучше рассмотреть пример, а лучше – несколько.

Пример 1

Заземлители часто делают своими руками из стального уголка 50х50 мм длиной 2,5 м. Расстояние между ними выбирается равным длине – h=2.5м. Для глинистого грунта ρ = 60 Ом∙м. Коэффициент сезонности для средней полосы, выбранный по таблицам, равен 1,45. С его учётом ρ = 60∙1,45 = 87 Ом∙м.

Для заземления по контуру роется траншея глубиной 0,5 м и в дно забивается уголок.

Размер полки уголка приводится к условному диаметру электрода:

d = 0.95∙p = 0.995∙0.05 = 87 Ом∙м.

Глубина залегания средней точки уголка составит:

h = 0,5l+t = 0.5∙2.5+0.5 = 1.75 м.

Подставив значения в ранее приведённую формулу, можно определить сопротивление одного заземлителя: R = 27.58 Ом.

По приближенной формуле R = 0.3∙87 = 26.1 Ом. Из расчёта следует, что одного стержня будет явно недостаточно, поскольку по требованиям ПУЭ величина нормированного сопротивления составляет R норм = 4 Ом (для напряжения сети 220 В).

Количество электродов определяется методом приближения по формуле:

n = R 1 /(k исп R норм) = 27,58/(1∙4) = 7 шт.

Здесь вначале принимается k исп = 1. По таблицам находим для 7 заземлителей k исп = 0,59. Если подставить это значение в предыдущую формулу и снова пересчитать, получится количество электродов n = 12 шт. Затем производится новый перерасчёт для 12 электродов, где опять по таблице находится k исп = 0,54. Подставив это значение в ту же формулу, получим n = 13.

Таким образом, для 13 уголков R n = R з /(n*η) = 27,58/(13∙0,53) = 4 Ом.

Пример 2

Нужно изготовить искусственное заземление с сопротивлением R норм = 4 Ом, если ρ = 110 Ом∙м.

Заземлитель изготавливается из стержней диаметром 12 мм и длиной 5 м. Коэффициент сезонности по таблице равен 1,35. Ещё можно учесть состояние грунта k г. Измерения его сопротивления производились в засушливый период. Поэтому коэффициент составил k г =0,95.

На основе полученных данных за расчётное значение удельного сопротивления земли принимается следующая величина:

ρ = 1,35∙0,95∙110 = 141 Ом∙м.

Для одиночного стержня R = ρ/l = 141/5 = 28,2 Ом.

Электроды располагаются в ряд. Расстояние между ними должно быть не меньше длины. Тогда коэффициент использования составит по таблицам: k исп = 0,56.

Находим число стержней для получения R норм = 4 Ом:

n = R 1 /(k исп R норм) = 28,2/(0,56∙4) = 12 шт.

После монтажа заземления производятся измерения электрических параметров на месте. Если фактическое значение R получается выше, ещё добавляются электроды.

Если рядом находятся естественные заземлители, их можно использовать.

Особенно часто это делается на подстанции, где требуется самая низкая величина R. Оборудование здесь используется максимально: подземные трубопроводы, опоры линий электропередач и др. Если этого недостаточно, добавляется искусственное заземление.

Естественное заземление на даче через арматуру фундамента

Устройство размещается внутри фундамента, где шина для подключения выводится наружу.

Любой приведённый пример можно использовать как алгоритм расчёта. При этом для оценки правильности может быть применена онлайн-программа.

Как выглядит онлайн-программа, с помощью которой можно рассчитать заземление

Ошибки монтажа. Видео

Избежать ошибок в монтаже заземляющего устройства поможет это видео.

Самостоятельные расчёты заземления являются оценочными. После его монтажа следует произвести дополнительные электрические измерения, для чего приглашаются специалисты. Если грунт сухой, нужно использовать длинные электроды из-за плохой проводимости. Во влажном грунте поперечное сечение электродов следует брать как можно больше по причине повышенной коррозии.

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

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

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

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

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

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

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

Критерии применения заземления

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Нормируемые сопротивления заземляющих устройств приведены в табл.1.

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

Наибольшие допустимые значения R з, Ом	Характеристика электроустановок
	< 500А
R з = 250 / I з < 10	Для электроустановок напряжением выше 1000В и расчётным током замыкания на землю I з < 500А
R з = 125 / I з < 10	При условии, что заземляющее устройство является общим для злектроустановок напряжением до и выше 1000 В и расчётном токе замыкания на землю I з < 500
	В электроустановках напряжением 660/380 В
	В электроустановках напряжением 380/220 В
	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 RеRз, 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
Суглинок
Садовая земля
Глина (слой 7-10 м) или гравий
Мергель, известняк, крупный песок с валунами
Скалы, валуны
Чернозём
Речная вода (на равнинах)
Морская вода

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 К с

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых заземляющих электродов	Климатические зоны СНГ
Климатические признаки зон:
средняя многолетняя низшая температура (январь), °С	от -20 до -15	от -14 до -10
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
продолжительность замерзания вод, дн
Значение коэффициента Кс при применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м
Значение коэффициента К"с при применении протяжённых электродов и глубине заложения их вершины 0,8 м
Значение коэффициента Кс при длине 5 м и глубине заложения вершины 0,7-0,8 м

5. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного вертикального заземлителя - стержневого круглого сечения (трубчатый или уголковый) в земле:

Таблица 4. Коэффициенты использования М в 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 М в

Таблица 5. Коэффициенты использования Мв вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи

Отношение расстояния между электродами к их длине а/l	Число электродов М в

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

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)

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 М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов в ряд.

	М г при числе электродов в ряд

Таблица 7. Коэффициент использования М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов по контуру.

Отношение расстояния между электродами к длине a/l	М г при числе электродов в контуре заземления

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.

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.

Страница 3 из 4

8-8. РАСЧЕТ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и стойкости к коррозии по ПТЭ и ПУЭ. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитываются последовательно включаемые сопротивления соединительной линии и заземлителя, так, чтобы их суммарное сопротивление не превышало допустимого.
Следует особо выделить вопросы расчета заземляющих устройств для заполярных и северо-восточных районов нашей страны. Для них характерны многомерзлые грунты, имеющие удельное сопротивление поверхностных слоев на один - два порядка выше, чем в обычных условиях средней полосы СССР.
Расчет сопротивления заземлителей в других районах СССР производится в следующем порядке:
1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства r зм. Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.
2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей, включенных параллельно,из выражений

Или
(8-14)
где r зм -допустимое сопротивление заземляющего устройства по п. 1, R и-сопротивление искусственного заземлителя; R е-сопротивление естественного заземлителя. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта расч с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание зимой.
При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 8-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.
Таблица 8-1

Средние удельные сопротивления грунтов и вод, рекомендуемые для предварительных расчетов

Грунт	Удельное сопротивление , Ом *м	Грунт	Удельное сопротивление , Ом *м
		Суглинок
Земля садовая
Известняк
		Чернозем
		Вода: - грунтовая - морская - прудовая - речная	50 3 50 100
		Песок крупнозернистый с валунами

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

Измерение удельного сопротивления для получения более надежных результатов производят в теплое время года (май - октябрь) в средней полосе СССР. К измеренному значению удельного сопротивления грунта в зависимости от состояния грунта и от количества осадков вводятся поправочные коэффициенты к , учитывающие изменение вследствие высыхания и промерзания грунта, т. е. расч = к
Значения к , рекомендованные ВЭИ для средней полосы СССР, приведены в табл. 8-8; для других климатических зон они принимаются по данным табл. 8-2.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода R в.о. формулам табл. 8-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб.
При применении вертикальных электродов из угловой стали в формулу вместо диаметра трубы подставляется эквивалентный диаметр уголка, вычисленный по выражению
(8-15)

Где b - ширина сторон уголка.
(8-16)

Где R в.о. - сопротивление растеканию одного вертикального электрода, определенное в п. 4; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя; К и,в,зм - коэффициент использования вертикальных заземлителей.
Таблица 8-2

Значение повышающего коэффициента к для различных климатических зон

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых электродов	Климатические зоны СССР
1. 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 низшая температура (июль), С	от +16 до +18	от +18 до +22	от +22 до +24	от +24 до +26
Среднегодовое количество осадков, см
Продолжительность замерзания вод, дни
2. Значение коэффициента к :
При применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м
При применении протяженных электродов и при глубине заложения 0,8 м

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 8-4 при расположении их в ряд и в табл. 8-5 при размещении их по контуру
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов R г по формулам табл. 8-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 8-6 при расположении вертикальных электродов в ряд и по табл. 8-7 при расположении вертикальных электродов по контуру.
7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений
(8-17)

или

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

Таблица 8-3

Формулы для определения сопротивления растеканию тока различных заземлителей

		К и,в,зм,
	4 6 10 20 40 60 100	0,66-0,72 0,58-0,65 0,52-0,58 0,44-0,50 0,38-0,44 0,36-0,42 0,33-0,39
	4 6 10 20 40 60 100	0,76-0,80 0,71-0,75 0,66-0,71 0,61-0,66 0,55-0,61 0,52-0,58 0,49-0,55
	4 6 10 20 40 60 100	0,84-0,86 0,78-0,82 0,74-0,78 0,68-0,73 0,64-0,69 0,62-0,67 0,59-0,65

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов	К и,в,зм,
	2 3 5 10 15 20	0,84-0,87 0,76-0,80 0,67-0,72 0,56-0,62 0,51-0,56 0,47-0,50
	2 3 5 10 15 20	0,90-0,92 0,85-0,88 0,79-0,83 0,72-0,77 0,66-0,73 0,65-0,70
	2 3 5 10 15 20	0,93-0,95 0,90-0,92 0,85-0,88 0,79-0,83 0,76-0,80 0,74-0,79

Таблица 8-6

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

Таблица 8-7

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

Отношение расстояний между вертикальными электродами к их длине	Число вертикальных электродов в контуре

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

Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.
9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (8-11).

Пример 1 . Требуется рассчитать контурный заземлитель подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 110 кВ - 3,2 кА, наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ - 42 А; грунт в месте сооружения подстанции - суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы - опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.
Решение 1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом, Для стороны 10 кВ по формуле (8-12) имеем:

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве U расч принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также и для установок подстанции напряжением до 1000 В.
Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление r зм = 0,5 Ом.
2.Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы-опоры

3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя (суглинка) по табл. 8-1 составляет 1000 Ом м. Повышающие коэффициенты к для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м равны 4,5 и соответственно 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2 - 3 м при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов расч.г = 4,5х100 = 450 Ом м; для вертикальных электродов расч.в= 1,8х100 = 180 Ом м.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода - уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

Где d = d y,эд= 0,95; b = 0,95x0,95 = 0,0475 м; t =0,7 + 2,5/2 = 1,95 м;

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

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

7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов

К и, г, зм = 0,52, принятом из табл. 8-5 при n = 100 и a/l = 2:

Окончательно принимается 116 уголков.
Дополнительно к контуру на территории устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8-1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления, проводимость их идет в запас надежности.
9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 × 4 мм 2 .
Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю в формуле (8-11) при приведенном времени протекания тока к. з. t п = 1,1 равно:

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

Пример 2. Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВА со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю на стороне 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения - глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.
Решение. Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд длиной 20 м; материал - круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения - ввертывание; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.
1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (8-12):

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ.
Согласно ПУЭ сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Таким образом, расчетным является сопротивление заземления r зм = 4 Ом.
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования водопровода в качестве параллельной ветви заземления

3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземления (глина) по табл. 8-1 составляет 70 Ом*м. Повышающие коэффициенты к для 3-й климатической зоны по табл. 8-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,7 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2-3 м при глубине заложения их верхнего конца 0,5-0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления грунта:
для горизонтальных электродов расч.г = 2,2 × 70 = 154 Ом*м;
для вертикальных электродов расч.в= 1,5х70 = 105 Ом*м.
4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм, длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:



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

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней.
Коэффициент использования горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно 6 и отношении расстояния между стержнями к длине стержнями a/l = 20/5х2 = 2 в соответствии с табл. 8-6 принимается равным 0,85.
Сопротивление растеканию горизонтального электрода определяется по формуле из табл. 8-3 и 8-8:
Таблица 8-8

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

Примечания: 1) к 1 применяется, если измеренная величина (Rх) соответствует примерно минимальному значению (грунт влажный - времени измерений предшествовало выпадение большого количества осадков);
2) к 2 применяется, если измеренная величина (Rх) соответствует примерно среднему значению (грунт средней влажности - времени измерений предшествовало выпадение небольшого количества осадков);
3) к 3 применяется, если измеренная величина (Rх) соответствует примерно наибольшему значению (грунт сухой - времени измерений предшествовало выпадение незначительного количества осадков).

7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов

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

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