Расчет естественного заземления. Расчет заземления: цель, правила и алгоритм вычислений
Заземление - одна из основных мер безопасности при использовании электрических приборов. В случае износа внутренней изоляции под напряжением может оказаться внешний корпус техники, при касании к которому может случится поражение электрическим током. Именно для предотвращения таких происшествий и организуется монтаж заземления. А чтобы защитная конструкция была максимально эффективной, необходимо провести её расчёт заземления, который может отличаться в зависимости от множества исходных факторов.
Виды заземляющих конструкций
Для организации заземления используются проводники из металлоконструкций различной формы (балка, труба, уголок и так далее). Эти базисные элементы могут быть использованы в одной из трёх основных систем:
- С использование одиночного глубинного заземлителя;
- Монтаж комплексной модульной конструкции;
- Организация электролитического заземления.
Вне зависимости от типа выбранной конструкции, её сопротивление должно укладываться в определённые рамки. Для трёхфазной сети на 380 Вольт сопротивление заземления должно составлять не более 4 Ом. Более распространённая однофазная сеть на 220 Вольт потребует не более 8 Ом. Также предварительные расчёты позволяют заранее определиться с количеством необходимых материалов, что даёт возможность существенно сэкономить.
Формула расчёта одиночного заземлителя
Существует ряд факторов, влияющих на окончательный результат расчёта заземляющей конструкции, а именно:
- Используемые материалы (решающие значение имеет вид металла, но немаловажным могут быть и показатели электролита);
- Форма элементов-электродов (влияет незначительно);
- Расстояние между элементами электродами;
- Глубина, на которую погружается монтируемый контур.
Необходимо отметить, что для получения системы, имеющий сопротивление в 4–8 Ом, применяемые металлические элементы должны обладать определёнными минимальными параметрами:
- Плоская балка - 12 мм в ширину, 4 мм в высоту;
- Уголок - 4 мм в высоту
- Шест - диаметр не менее 10 мм;
- Труба - толщина не менее 3.5 мм.
Расчёт защитного заземления можно провести при помощи специализированного программного обеспечения или онлайн-калькуляторов. Но для их правильного использования необходимо знать общую формулу, по которой проводятся вычисления и значение всех переменных. Традиционно в рассматриваемой формуле используются следующие обозначения:
- R - расчётное заземление (Ом);
- L - протяжённость заземляющего элемента-заземлителя (м);
- d - диаметр элемента (м);
- T - заглубление: расстояние между от середины каждого заземляющего элемента до поверхности грунта (м);
- ρ - сопротивление грунта (Ом×м). Смотрите таблицу.
- π - число Пи (3.14)
Расчёт такого типа контура заземления производится по такой формуле:
Измерить все перечисленные значения не составить большой трудности, за исключением разве что параметра ρ. Произвести эту процедуру можно самостоятельно при помощи Омметра, но нужно понимать, что полученные данные могут существенно изменяться при изменении температуры, влажности и других параметров окружающей среды. Поэтому гораздо удобнее будет воспользоваться усреднёнными табличными данными:
Формула расчёта системы заземлителей
С целью достижения оптимального значения сопротивления создаваемой конструкции одиночные заземлители можно расположить в ряд или сформировать из них замкнутый контур (круг, прямоугольник или любую другую фигуру). Для расчёта такого заземления в указанную выше формула войдут дополнительные параметры:
- R1 - искомое сопротивление (Ом);
- R - сопротивление, вычисленное по базовой формуле (Ом);
- N - число элементов в системе заземлителей;
- Ки - коэффициент использования.
О последнем параметре необходимо рассказать подробнее. Вокруг каждого электрода, используемого для заземления электрического тока, можно представить воображаемую зону, в которой его эффективность достигает 90 %. Она формируется из всех точек, удалённых от поверхности электрода на расстояние, равное его длине. При расчёте заземление необходимо избегать пересечения этих зон, что позволяет достичь максимального коэффициента полезного действия формируемой системы.
Для подсчётов удобнее всего пользоваться табличными значениями, полученных в результате практического применения формулы.
Сама же формула выглядит следующим образом:
Таким образом, если предварительно вычислить переменную и взять её за константу, то по данной формуле можно вычислить оптимальный набор электродов, необходимый для создания заземляющей конструкции:
При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.
Формула расчёта электролитического заземления
В упрощённой модели электролитическую систему заземления можно описать как металлическую трубу, заполненную веществом-электролитом. Это вещество повышает сопротивление всей конструкции и, что более важно, способствует сохранению её параметров с течением времени. Это достигается за счёт того, что со временем электролит проникает в почву и накапливается в ней.
Помимо описанных выше параметров в формуле расчёта электролитического заземления используется параметр C, который описывает концентрацию электролита в почве. Его допустимые значения могут колебаться в промежутке между 0.5 и 0.05. Чем дольше рассматриваемая система находится в грунте, тем меньше становится значение этого параметра: если при начале установки он равнялся 0.5, то через полгода он составить всего 0.125 (но дальнейшее его падение прекратиться).
В этом случае требуемая формула будет такой:
Если в монтируемой системе присутствует несколько электродов электролитического типа, тогда её сопротивление может быть рассчитано по формуле из предыдущего раздела. С той лишь разницей, что коэффициент использования тут будет несколько иной:
В данной статье мы рассмотрели основные типы электрического заземления и все необходимые формулы для их расчёта. Очевидно, что в основе всех вычислений лежит расчёт контура одиночного заземления, в то время как два основных вида получаются при помощи его расширения и доработки. Стоит ещё раз указать на то, что большую одну из ключевых ролей в организации эффективного заземления играет расстояние между электродами, которое не должно быть меньше их отдельной длинны. Все приведённые выше вычисления можно существенно упростить, если воспользоваться специализированным программным обеспечением или онлайн-инструментами. Обладая минимум знаний о том, какие параметры участвуют в расчёте заземления, эти утилиты позволят существенно сократить время проведения работ, при этом обеспечивая довольно высокую точность.
Видео по теме
Расчет заземления производится для того чтобы определить сопротивление сооружаемого контура заземления при эксплуатации, его размеры и форму. Как известно, контур заземления состоит из вертикальных заземлителей, горизонтальных заземлителей и заземляющего проводника. Вертикальные заземлители вбиваются в почву на определенную глубину.
Горизонтальные заземлители соединяют между собой вертикальные заземлители. Заземляющий проводник соединяет контур заземления непосредственно с электрощитом.
Размеры и количество этих заземлителей, расстояние между ними, удельное сопротивление грунта – все эти параметры напрямую зависят на сопротивление заземления.
К чему сводится расчет заземления?
Заземление служит для снижения напряжения прикосновения до безопасной величины. Благодаря заземлению опасный потенциал уходит в землю тем самым, защищая человека от поражения электрическим током.
Величина тока стекания в землю зависит от сопротивления заземляющего контура. Чем сопротивление будет меньше, тем величина опасного потенциала на корпусе поврежденной электроустановки будет меньше.
Заземляющие устройства должны удовлетворять возложенным на них определенным требованиям, а именно величины сопротивление растекания токов и распределения опасного потенциала.
Поэтому основной расчет защитного заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя. Это сопротивление зависит от размеров и количества заземляющих проводников, расстояния между ними, глубины их заложения и проводимости грунта.
Исходные данные для расчета заземления
1. Основные условия, которых необходимо придерживаться при сооружении заземляющих устройств это размеры заземлителей.
1.1. В зависимости от используемого материала (уголок, полоса, круглая сталь) минимальные размеры заземлителей должны быть не меньше:
- а) полоса 12х4 – 48 мм2;
- б) уголок 4х4;
- в) круглая сталь – 10 мм2;
- г) стальная труба (толщина стенки) – 3.5 мм.
Минимальные размеры арматуры применяемые для монтажа заземляющих устройств
1.2. Длина заземляющего стержня должна быть не меньше 1.5 – 2 м.
1.3. Расстояния между заземляющими стержнями берется из соотношения их длины, то есть: a = 1хL; a = 2хL; a = 3хL.
В зависимости от позволяющей площади и удобства монтажа заземляющие стрежни можно размещать в ряд, либо в виде какой ни будь фигуры (треугольник, квадрат и т.п.).
Цель расчета защитного заземления.
Основной целью расчета заземления является определить число заземляющих стержней и длину полосы, которая их соединяет.
Пример расчета заземления
Сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня):
где – ρ экв - эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом·м; L – длина стержня, м; d – его диаметр, м; Т – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м.
В случае установки заземляющего устройства в неоднородный грунт (двухслойный), эквивалентное удельное сопротивление грунта находится по формуле:
где – Ψ - сезонный климатический коэффициент (таблица 2); ρ 1 , ρ 2 – удельное сопротивления верхнего и нижнего слоя грунта соответственно, Ом·м (таблица 1); Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t - заглубление вертикального заземлителя (глубина траншеи) t = 0.7 м.
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:
Монтаж и установку заземления необходимо производить таким образом, чтобы заземляющий стержень пронизывал верхний слой грунта полностью и частично нижний.
| Тип заземляющих электродов | Климатическая зона | |||
| I | II | III | IV | |
| Стержневой (вертикальный) | 1.8 ÷ 2 | 1.5 ÷ 1.8 | 1.4 ÷ 1.6 | 1.2 ÷ 1.4 |
| Полосовой (горизонтальный) | 4.5 ÷ 7 | 3.5 ÷ 4.5 | 2 ÷ 2.5 | 1.5 |
| Климатические признаки зон | ||||
| Средняя многолетняя низшая температура (январь) | от -20+15 | от -14+10 | от -10 до 0 | от 0 до +5 |
| Средняя многолетняя высшая температура (июль) | от +16 до +18 | от +18 до +22 | от +22 до +24 | от +24 до +26 |
Количество стержней заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находится по формуле:
Rн - нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, определяется исходя из правил ПТЭЭП (Таблица 3).
| 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·ρ | |
| 380/220 | до 100 | 30 |
| свыше 100 | 0.3·ρ | |
| 220/127 | до 100 | 60 |
| свыше 100 | 0.6·ρ |
Как видно из таблицы нормируемое сопротивления для нашего случая должно быть не больше 30 Ом. Поэтому Rн принимается равным Rн = 30 Ом.
Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя:
L г, b – длина и ширина заземлителя; Ψ – коэффициент сезонности горизонтального заземлителя; η г – коэффициент спроса горизонтальных заземлителей (таблица 4).
Длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей:
- в ряд; - по контуру.
а – расстояние между заземляющими стержнями.
Определим сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:
Полное количество вертикальных заземлителей определяется по формуле:
η в – коэффициент спроса вертикальных заземлителей (таблица 4).
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.
Расчет заземления по указанным выше формулам можно автоматизировать воспользовавшись для расчета специальной программой «Электрик v.6.6», скачать ее можно в интернете бесплатно.
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 Rе
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 |
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.
Нормы > Все про заземление
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 устойчивости к коррозии. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитывают последовательно сопротивление соединительной линии и сопротивление заземлителя, чтобы суммарное сопротивление не превышало расчетного.
Расчет сопротивления заземлителя проводится в следующем порядке:
1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства
. 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 естественного заземлителя, включенного параллельно, из выражений
где
- расчетное сопротивление заземляющего устройства по п. 1;
- сопротивление искусственного заземлителя;
- сопротивление естественного заземлителя.
3. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание его зимой.
При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 12-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.
Таблица 12-1 Удельное сопротивление грунтов
Наименование грунта |
Удельное сопротивление r , Ом Ч м |
Наименование грунта |
Удельное сопротивление r , Ом Ч м |
Глина (слой 7-10 м, далее скала, гравий)
|
70
|
Суглинок
|
100 |
Примечание: Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе и на глубине 1,5 м. |
|||
Повышающие коэффициенты
k
для различных климатических зон приведены в табл. 12-2 для горизонтальных и вертикальных электродов.
4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода
по формулам из табл. 12-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб. При применении углов для вертикальных электродов в качестве диаметра подставляется эквивалентный диаметр уголка
где
b
- ширина сторон уголка.
Таблица 12-2 Значения коэффициента k для различных климатических зон
Данные, характерезующие климатические зоны и тип применяемых электродов |
Климатические зоны |
|||
1. Климатические признаки зон: |
Oт +16 до +18
|
От +18 до +22 |
От +22 до +24
|
От +24 до +26
|
Таблица 12-3 Расчет сопротивлений растеканию одного электрода
Тип заземлителя |
Расположение заземлителя |
Формула |
Пояснения |
Вертикальный у поверхности земли |
|
||
Вертикальный ниже уровня земли |
|
|
|
Горизонтальный протяженный ниже уровня земли |
|
b - ширина полосы; если землитель круглый диаметром d , то b=2d |
|
Пластинчатый вертикальный ниже уровня земли |
|
a и b - размеры сторон пластины |
|
Кольцевой горизонтальный ниже уровня земли |
|
|
b -ширина полосы; если заземлитель круглый диаметром d , то b = 2d |
5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей n при предварительно принятом коэффициенте использования :
где
- необходимое сопротивление искусственного заземлителя.
Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 12-4 в случае расположения их в ряд и в табл. 12-5 в случае размещения их по контуру без учета влияния горизонтальных электродов связи.
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов
по формулам из табл. 12-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов
для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 12-6 при расположении их в ряд и по табл. 12-7 при расположении их по контуру.
Таблица 12-4 Коэффициенты использования вертикальных электродов
|
||
2 |
0,84-0,87 |
|
2 |
0,90-0,92
|
|
2 |
0,93-0,95 |
|
Таблица 12-5 Коэффициенты использования вертикальных электродов
Отношение расстояния между вертикальными
|
Число вертикальных электродов в ряду |
|
4 |
0,66-0,72 |
|
4 |
0,76-0,80 |
|
4 |
0,84-0,86 |
|
Таблица 12-6 Коэффициенты использования горизонтальных электродов
Коэффициент использования при числе вертикальных электродов в ряду n |
||||||||
1 |
0,77 |
0,74 |
0,67 |
0,62 |
0,42 |
0,31
|
0,21 |
0,20 |
Таблица 12-7 Коэффициенты использования горизонтальных электродов
Отношение рассюииия между вертикальными электродами к их длине |
Коэффициент использования при числе вертикальных электродов в контуре n |
||||||||
1 |
0,45 |
0,40 |
0,36 |
0,34 |
0,27 |
0,24 |
0,21 |
0,20 |
0,10
|
7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений
где
- сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п. 6.
8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 12-4 или 12-5:
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 (12-5).
Пример 12-1. Требуется рассчитать заземление подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 100 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 (12-6)
где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также для установок подстанции до 1000 В. Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление
.
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы - опоры;
3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя - суглинке по приведенным выше данным составляет 100 Ом
Ч
м. Повышающие коэффициенты для климатической зоны 2 по табл. 12 2 принимаются равными 4,5 для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м и 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
для вертикальных электродов
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. 12-3:
где
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов - полос 40 X 4 мм2, приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре при числе уголков порядка 100 и отношении
по табл. 12-7 равен:
.
Сопротивление растеканию полосы по формуле из табл. 12-3
7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов
Принятом из табл. 12-5 при n =100 и :
Окончательно принимается 117 уголков.
Дополнительно к контуру на территории подстанции 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.
9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 X 4 мм2. Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю по формуле (12-5) при приведенном времени прохождения тока к. з.
Таким образом, полоса 40 X 4 мм2 условию термической стойкости удовлетворяет.
По результатам примера 12-1 можно видеть, что при достаточно большом количестве вертикальных электродов горизонтальные электроды, соединяющие верхние концы вертикальных, весьма слабо влияют на результирующее расчетное сопротивление контура заземления. При этом также обнаруживается дефект существующей методики расчета для случаев, когда требуется достаточно малое сопротивление контура. В выполненном примерном расчете этот дефект выявился в том, что учет дополнительной проводимости контура от горизонтальной соединительной полосы привел не к уменьшению потребного количества вертикальных электродов, а наоборот, к его увеличению примерно на 5%. На основании этого можно рекомендовать в подобных случаях рассчитывать необходимое количество вертикальных электродов без учета дополнительной проводимости соединительных и других горизонтальных полос, полагая, что их проводимость будет идти в запас надежности.
Пример 12-2.
Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВ
Ч
А со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю со стороны 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 на длине 20 м; материал - круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения - ввертыванием; 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 (12-6) :
где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ. Далее согласно ПУЭ сопротивление заземлителя не должно превышать 4 Ом.
Расчетным, таким образом, является сопротивление заземления
.
2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использовании водопровода в качестве параллельной ветви заземления:
3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя - глины по табл. 12-1 составляет 70 Ом
Ч
м. Повышающие коэффициенты для климатической зоны 3 но табл. 12-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,8 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2--3 м при глубине заложения их вершины 0,5-0,8 м.
Расчетные удельные сопротивления грунта:
для горизонтальных электродов
для вертикальных электродов
4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм и длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 12-3:
5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования :
6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней. Коэффициент использовании горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно равном 5 и отношении расстояния между стержнями к длине стержня
в соответствии с табл. 12-6 принимается равным 0,86.
Сопротивление растеканию горизонтального электрода по формуле из табл. 12-3
7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов
8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования
, принятом из табл. 12-4 при
n
=4 и
:
раздел подготовлен согласно типового проекта СЕРИЯ 3.407-150
Заземляющие устройства
основы электороснабжения
Требования к заземляющим устройствам
основы электроснабжения
Расчет заземляющих устройств
основы электроснабжения
Электрокоррозия подземных сетей блуждающими токами
основы электроснабжения
Повторное заземление нулевого провода на вводе в индивидуальный жилой дом
В современном мире, мы не представляет свою жизнь без использования электричества. Оно вокруг нас повсюду и именно оно позволило человечеству перейти на совершенно новый уровень развития. Переоценить его важность невозможно, однако при всех своих положительных качествах, за своей безобидностью и простотой, скрывается колоссальная энергия, которая представляет смертельную опасность.
Для того чтобы обезопасить помещения, где постоянно находятся люди, было создано специальное устройство - заземлитель. Это набор проводников, которые предназначены для отвода электрической энергии от приборов к грунту, тем самым исключая поражение током человека. Он состоит из заземлителей (горизонтальных и вертикальных стержней) и заземляющих проводников.
Наш сервис предлагает вам выполнить расчет заземления с помощью удобного онлайн-калькулятора. На основании типа грунта, климатической зоны и видов заземлителей, программа предоставит результат по сопротивлению отдельных стержней, а также общему сопротивлению на растекание. Мы работаем только по последним актуальным данным, в качестве источников использовались:
- правила устройства электроустановок;
- нормы устройства сетей заземления;
- заземляющие устройства электроустановок - Карякин Р. Н.;
- справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования - Барыбина Ю. Г.;
- справочник по электроснабжению промышленных предприятий - Федорова А. А. и Сербиновского Г. В.
Калькулятор расчета заземления
Для того чтобы упростить расчеты, мы предлагаем вам воспользоваться простым и точным калькулятором расчета заземления.
Наш онлайн-калькулятор расчета заземления учитывает все поправочные коэффициенты и работает на основании приведенных формул. Для того чтобы выполнить надежный расчет, вам необходимо заполнить поля программы правильно.
- Грунт . Укажите верхний и нижний слой грунта, а также глубину.
- Климатический коэффициент. Поправка в расчетах на основании климатической зоны:
- I зона — от -20 до -15°С (Январь); от +16 до +18°С (Июль);
- II зона — от -14 до -10°С (Январь); от +18 до +22°С (Июль);
- III зона — от -10 до 0°С (Январь); от +22 до +24°С (Июль);
- IV зона — от 0 до +5°С (Январь); от +24 до +26°С (Июль);
- Вертикальные заземлители. Количество вертикальных заземлителей (предполагаем любой число, по умолчанию 5), их длина и диаметр.
- Горизонтальные заземлители. Глубина заложения горизонтальной полосы, ширина полки и длина стержня (берется из расчета 1:3, 1:2 или 1:1 к длине вертикального заземлителя - чем больше, тем лучше).
- удельное электрическое сопротивление грунта;
- сопротивление одиночного вертикального заземлителя;
- длина горизонтального заземлителя;
- сопротивление горизонтального заземлителя;
- общее сопротивление растеканию электрического тока.
Последний параметр является определяющим . Следите, чтобы нормативное сопротивление (2 Ом — для 380 вольт; 4 Ом — для 220 вольт; 8 Ом — для 127 вольт) в электрических сетях было всегда больше, чем расчетное.
Пример расчета заземления на калькуляторе
Предположим, что наш дом расположен на черноземных почвах с толщиной пласта 0,5 м. Мы живем на юге России в четвертой климатической зоне. Предположительно, в качестве заземлителей будут использоваться 5 вертикальных электродов диаметром 0,025 м и длиной 2 м, горизонтальные стержни на глубине 0,5 м - длиной 2 м с шириной полки 0,05 м.
Тогда, перенеся все значения в калькулятор расчета заземления мы получим общее сопротивление на растекание равное 4,134 Ома.
Если в нашем частном доме однофазная сеть с напряжением в 220 Вт, то это значение недопустимо, так как этого заземления будет недостаточно .
Добавим еще один вертикальный электрод и получим значение 3,568 Ом. Это величина нам вполне подходит, а значит такое заземление гарантировано защитит вашу постройку и ее обитателей.
Если вы получаете значение близкое к критическому, то лучше увеличить количество или размер электродов. Помните, что расчет контура заземления крайне важен для безопасности!
Как рассчитать заземление в частном доме вручную
Как вы уже поняли, основной параметр, который необходимо рассчитать - это общее сопротивление на растекание, т.е. нужно подобрать такую конфигурацию электродов, чтобы сопротивление заземляющего устройства, не превышало нормативное. Согласно положениям правил устройств электроустановок (ПЭУ), необходимо соблюдать определенные максимумы для токов:
- 2 Ом — для 380 вольт;
- 4 Ом — для 220 вольт;
- 8 Ом — для 127 вольт.
Правильный расчет начинается с подсчета оптимального размера и количества стержней. Для того чтобы сделать это вручную, легче всего воспользоваться упрощенными формулами, приведенными ниже.
- R o - сопротивление стержня, Ом;
- L - длина электрода, м;
- d - диаметр электрода, м;
- T - расстояние от середины электрода до поверхности, м;
- p экв - сопротивление грунта, Ом;
- ln — натуральный логарифм;
- π — константа (3,14).
- R н - нормируемое сопротивление заземляющего устройства (2, 4 или 8 Ом).
- ψ - поправочный климатический коэффициент сопротивления грунта (1,3, 1,45, 1,7, 1,9, в зависимости от зоны).
Также очень важно, чтобы при выборе глубины залегания и длины заземляющих стержней, нижний конец проходил ниже уровня промерзания, так как при отрицательных температурах резко возрастает сопротивление грунта, и возникают определенные сложности.