Расчёт заземления и его особенности. Территория электротехнической информации WEBSOR Расчет заземления пример расчета защитного заземления

) для одиночного глубинного заземлителя на основе модульного заземления производится как расчет обычного вертикального заземлителя из металлического стержня диаметром 14,2 мм.

Формула расчета сопротивления заземления одиночного вертикального заземлителя:

где:
ρ - удельное сопротивление грунта (Ом*м )
L - длина заземлителя (м)
d - диаметр заземлителя (м)
T - заглубление заземлителя (расстояние от поверхности земли до середины заземлителя) (м)
π - математическая константа Пи (3,141592)
ln - натуральный логарифм

Для электролитического заземления ZANDZ формула расчета сопротивления заземления упрощается до вида:

- для комплекта ZZ-100-102

Вклад соединительного заземляющего проводника здесь не учитывается.

Расстояние между заземляющими электродами

При многоэлектродной конфигурации заземлителя на итоговое сопротивление заземления начинает оказывать свое влияние еще один фактор - расстояние между заземляющими электродами. В формулах расчета заземления этот фактор описывается величиной "коэффициент использования ".

Для модульного и электролитического заземления этим коэффициентом можно пренебречь (т.е. его величина равна 1) при соблюдении определенного расстояния между заземляющими электродами:

• не менее глубины погружения электродов - для модульного
• не менее 7 метров - для электролитического

Соединение электродов в заземлитель

Для соединения заземляющих электродов между собой и с объектом в качестве заземляющего проводника используется медная катанка или стальная полоса.

Сечение проводника часто выбирается - 50 мм² для меди и 150 мм² для стали. Распространено использование обычной стальной полосы 5*30 мм.

Для частного дома без молниеприемников достаточно медного провода сечением 16-25 мм² .

Подробнее о прокладке заземляющего проводника можно ознакомиться на отдельной странице "Монтаж заземления ".

Сервис расчета вероятности удара молнии в объект

Если помимо заземляющего устройства Вам предстоит установить систему внешней молниезащиты, Вы можете воспользоваться уникальным , защищённый молниеприёмниками. Сервис разработан командой ZANDZ совместно с ОАО «Энергетический институт им.Г.М.Кржижановского» (ОАО «ЭНИН»)

Этот инструмент позволяет не просто проверить надежность системы молниезащиты, но и выполнить наиболее рациональный и правильный проект защиты от молнии, обеспечивая:

• меньшую стоимость конструкции и монтажных работ, уменьшая ненужный запас и используя менее высокие, менее дорогие в монтаже, молниеприёмники;
• меньшее количество ударов молнии в систему, сокращая вторичные негативные последствия, что особенно важно на объектах со множеством электронных приборов (количество ударов молнии уменьшается с уменьшением высоты стержневых молниеприёмников).

• вероятность прорыва молнии в объекты системы (надёжность системы защиты определяется как 1 минус величина вероятности);
• число ударов молнии в систему в год;
• число прорывов молнии, минуя защиту, в год.

Имея подобную информацию, проектировщик может сравнить требования заказчика и нормативной документации с полученной надежностью и принять меры по изменению конструкции молниезащиты.

Для того, чтобы приступить к расчету, .

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.

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).

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.

Контур заземления необходим для защиты людей от поражения электрическим током. Для молниезащиты создается собственное заземляющее устройство, не связанное с защитным контуром заземления. Для правильной их постройки требуется расчет.

Заземляющее устройство (ЗУ) имеет параметр, называемый сопротивлением растекания или просто – сопротивлением. Оно показывает, насколько хорошим проводником электрического тока является данное ЗУ. Для электроустановок с линейным напряжением 380 В сопротивление растекания ЗУ не должно быть более 30 Ом, на трансформаторных подстанциях – 4 Ом. Для контуров заземления медицинской техники и оборудования видеонаблюдения, серверных комнат, норма устанавливается индивидуально и составляет от 0,5 до 1 Ом.

Задача расчета заземляющего устройства – определение количества и расположения вертикальных и горизонтальных заземлителей, достаточного для получения требуемого сопротивления.

Определение удельного сопротивления грунта

На результаты расчетов ЗУ оказывает существенное влияние характеристика грунта в месте его постройки, называемая удельным сопротивлением (⍴). Для каждого из видов грунта существует расчетное значение, указанное в таблице.

На сопротивление грунта оказывают влияние влажность и температура. Зимой при максимальном промерзании и летом в засуху удельное сопротивление достигает максимальных значений. Для учета влияния погодных условий к величине ⍴ вводятся поправки для климатической зоны.

Если есть возможность, перед расчетами производят измерение удельного сопротивления.

Виды заземлителей и расчет их сопротивления

Заземлители бывают естественными и искусственными, и для создания заземляющего устройства используются и те, и другие. Рассчитать влияние естественных заземлителей (железобетонных фундаментов, свай) на величину сопротивления растекания сложно, это проще сделать методом измерений на месте. Сопротивление естественных заземлителей длиной более 100 м можно узнать из таблицы.

Если значение ⍴ отличается от 100 Ом∙м, значение R умножается на соотношение ⍴/100.

В качестве искусственных заземлителей используются арматура, трубы, угловая или полосовая сталь. Сопротивление каждого из них рассчитывается по собственной формуле, указанной в таблице.

Вид заземлителя	Расчетная формула
Вертикальный электрод из круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец ниже уровня земли.
Вертикальный электрод из угловой стали. Верхний конец ниже уровня земли
Вертикальный электрод их круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец над уровнем земли
Горизонтальный электрод из полосовой стали
Горизонтальный электрод из круглой арматурной стали или трубы
Электрод из пластины (уложена вертикально)
Вертикальный электрод из круглой арматурной или угловой стали
Горизонтальный электрод из круглой арматурной или полосовой стали

Значения переменных в формулах:

Теперь рассчитывается суммарное сопротивление штырей искусственных заземлителей:

Вычисляем сопротивление проводника, соединяющего вертикальные заземлители по формуле:

И полное сопротивление заземляющего устройства.

Если рассчитанное сопротивление контура заземления оказалось недостаточным, увеличиваем количество вертикальных заземлителей или изменяем их вид. Повторяем расчет до получения требуемого значения сопротивления.

Заземление необходимо для обеспечения безопасности в случае повреждения электроустройств, изоляции силовой проводки, замыкания проводников. Суть заземления сводится к снижению потенциала в месте прикосновения к заземлённой электроустановке до максимально допустимых значений.

Снижение потенциала выполняется двумя способами:

• Зануление – соединение корпуса устройства с нулевым проводником, идущим к подстанции;
• Заземление – подсоединение корпуса к заземляющему контуру, расположенному в грунте за пределами здания.

Первый вариант осуществляется проще, но в случае повреждения нулевого проводника перестает выполнять свои функции, а это опасно. Поэтому наличие контура заземления является обязательным условием обеспечения безопасности.

Расчет заземления предполагает определение сопротивления заземляющего устройства, которое не должно быть больше заданного техническими нормами.

Заземляющий контур

Конструкция контура заземления, виды используемых материалов, ограничены условиями, которые содержатся в документах, к примеру, в ПУЭ, правилах устройства электроустановок.

Заземляться должны все без исключения электроустановки, как на подстанции, так и на предприятии или в быту.

Наиболее распространенной конструкцией заземляющего контура является один или несколько металлических штырей (заземлителей), заглубленных в землю и соединенных между собой сварным соединением. При помощи металлического проводника контур заземления соединяется с заземляемыми устройствами.

В качестве заземлителей используются неокрашенные стальные или стальные обмедненные материалы, размеры которых не должны быть меньше приведенных ниже:

• Прокат круглый – диаметр не менее 12 мм;
• Уголок – не менее 50х50х4 мм;
• Трубы – диаметром не менее 25 мм с толщиной стенок не менее 4 мм.

Чем лучше проводимость заземлителей, тем эффективнее работает заземление, поэтому самый предпочтительный вариант – использование медных электродов, но на практике это не встречается, ввиду высокой стоимости меди.

Ничем не покрытая сталь имеет высокую коррозионную способность, особенно на границе влажного грунта и воздуха, поэтому определена минимальная толщина стенок металла (4 мм).

Оцинкованный металл хорошо сопротивляется коррозии, но не в случае протекания токов. Даже самый минимальный ток вызовет электрохимический процесс, в результате чего тонкий слой цинка прослужит минимальное время.

Современные системы заземления выполняются на основе обмедненной стали. Поскольку количество меди для изготовления невысоко, то стоимость готовых материалов ненамного превышает стальные, а срок службы многократно возрастает.

Наиболее распространенными конструкциями контуров заземления являются треугольное или рядное размещение электродов. Расстояние между соседними электродами должно составлять 1.2-2 м, а глубина закладки – 2-3 м. Глубина закладки (длина электродов) во многом зависит от характеристик грунта. Чем выше его электрическое сопротивление, тем глубже должны залегать электроды. В любом случае эта глубина должна превышать глубину промерзания грунта, поскольку замерзший грунт имеет высокое омическое сопротивление. То же самое относится и к участкам земли с низкой влажностью.

Там, где возможно протекание токов высокого значения, к примеру, на подстанции или предприятии с мощным оборудованием, подход к выбору конструкции контура заземления и его расчет имеют очень большое значение для безопасности.

Факторы сопротивления заземления

Расчет защитного заземляющего устройства зависит от многих условий, среди которых можно выделить основные, которые используются при дальнейших расчетах:

• Сопротивление грунта;
• Материал электродов;
• Глубина закладки электродов;
• Расположение заземлителей относительно друг друга;
• Погодные условия.

Сопротивление грунта

Сам по себе грунт, за несколькими исключениями, обладает низкой электропроводностью. Данная характеристика меняется, в зависимости от содержания влаги, поскольку вода с растворенными в ней солями является хорошим проводником. Таким образом, электрические свойства грунта зависят от количества содержащейся влаги, солевого состава и свойств грунта удерживать в себе влагу.

Распространенные типы грунта и их характеристики

Из таблицы видно, что удельное сопротивление может отличаться на несколько порядков. В реальных условиях ситуация осложняется тем, что на разных глубинах тип грунта может быть различным и без четко выраженных границ между слоями.

Материал электродов

Эта часть расчетов наиболее проста, поскольку при изготовлении заземления используется только несколько разновидностей материалов:

• Сталь;
• Медь;
• Обмедненная сталь;
• Оцинкованная сталь.

Медь в чистом виде не используется по причине высокой стоимости, наиболее часто применяемые материалы – это чистая и оцинкованная сталь. В последнее время все чаще стали встречаться системы заземления, в которых используется сталь, покрытая слоем меди. Такие электроды имеют наименьшее сопротивление, которое имеет хорошую стабильность во времени, поскольку медный слой хорошо сопротивляется коррозии.

Наихудшие характеристики имеет ничем не покрытая сталь, поскольку слой коррозии (ржавчина) увеличивает переходное сопротивление на границе электрод-грунт.

Глубина закладки

От глубины закладки электродов зависят линейная протяженность границы касания электрода и грунта и величина слоя земли, который участвует в цепи протекания тока. Чем больше этот слой, тем меньшее значение сопротивления он будет иметь.

На заметку. Кроме этого при установке электродов следует иметь в виду, что чем глубже они располагаются, тем ближе будут находиться к водоносному слою.

Расположение электродов

Данная характеристика наименее очевидна и трудна для понимания. Следует знать, что каждый электрод заземления имеет некоторое влияние на соседние, и чем ближе они будут расположены, тем меньше будет их эффективность. Точное обоснование эффекта довольно сложное, просто следует его учитывать при расчетах и строительстве.

Проще объяснить зависимость эффективности от количества электродов. Здесь можно привести аналогию с параллельно соединенными резисторами. Чем их больше, тем меньше суммарное сопротивление.

Погодные условия

Наилучшие параметры заземляющее устройство имеет при повышенной влажности грунта. В сухую и морозную погоду сопротивление грунта резко возрастает и при достижении некоторых условий (полное высыхание или промерзание) принимает максимальное значение.

Обратите внимание! Для того чтобы минимизировать влияние погодных условий, глубина закладки электродов должна быть ниже максимальной глубины промерзания зимой или доходить до водоносного слоя для исключения пересыхания.

Важно! Последующие расчеты необходимо производить для наихудших условий эксплуатации, поскольку во всех иных случаях сопротивление заземления будет снижаться.

Методика расчета

Основным параметром расчета является необходимое значение сопротивления заземления, которое регламентируется нормативными документами, в зависимости от величины напряжения питания, типа электроустановок, условий их использования.

Строгий расчет защитного заземления, который дает значения количества и длины электродов, не существует, поэтому он выполняется на основе некоторых приближенных данных и допусков.

Для начала учитывается тип грунта, и определяется примерная длина электродов заземления, их материал и количество. Далее выполняется расчет, порядок которого следующий:

• Определяется сопротивление растекания тока для одного электрода;
• Рассчитывается количество вертикальных заземлителей с учетом их взаимного расположения.

Одиночный заземлитель

Сопротивление растекания тока рассчитаем, согласно формуле:

В данном выражении:

ρ – удельное эквивалентное сопротивление грунта;

l – длина электрода;

d – диаметр;

t – расстояние от поверхности земли до центра электрода.

При использовании уголка вместо трубы или проката принимают:

d = b·0.95, где b – ширина полки уголка.

Эквивалентное сопротивление многослойного грунта:

• ρ1 и ρ2 – удельные сопротивления слоев грунта;
• Н – толщина верхнего слоя;
• Ψ – сезонный коэффициент.

Сезонный коэффициент зависит от климатической зоны. Также в него вносятся поправки, в зависимости от количества использованных электродов. Ориентировочные значения сезонного коэффициента составляют от 1.0 до 1.5.

Количество электродов

Необходимое количество электродов определяется из выражения:

n = Rз/(К·R), где:

• Rз – допустимое максимальное сопротивление заземляющего устройства;
• К – коэффициент использования.

Коэффициент использования выбирается. в соответствии с выбранным количеством заземлителей, их взаимного расположения и расстояния между ними.

Рядное расположение электродов

Контурное размещение электродов

Не всегда расчет контура заземления выдает необходимое значение, поэтому, возможно, его потребуется произвести несколько раз, изменяя количество и геометрические размеры заземляющих электродов.

Измерение заземления

Для измерения сопротивления заземления используются специальные измерительные приборы. Правом измерения заземления обладают организации с соответствующим разрешением. Обычно это энергетические организации и лаборатории. Измеренные параметры вносятся в протокол измерения и хранятся на предприятии (в цеху, на подстанции).

Расчет сопротивления заземления представляет сложную задачу, в которой необходимо учитывать множество условий, поэтому рациональнее воспользоваться помощью организаций, которые специализируются в данной области. Для решения задачи можно произвести расчеты на он-лайн калькуляторе, пример которых можно найти в интернете в свободном доступе. Программа калькулятора сама подскажет, какие данные необходимо учитывать при вычислениях.

Видео

где R - сопротивление заземляющего устройства, Ом;
Uпр - напряжение прикосновения, значение которого принимается равным 50 В (см. также 1.7.53 ПУЭ);
I - полный ток замыкания на землю, А.
Как правило, не требуется принимать значение сопротивления заземляющего устройства менее 4 Ом. Допускается сопротивление заземляющего устройства до 10 Ом, если соблюдено приведенное выше условие, а мощность генераторов или трансформаторов не превышает 100 кВА, в том числе суммарная мощность генераторов или трансформаторов, работающих параллельно.

В электроустановках напряжением выше 1 кВ сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства при прохождении расчетного тока замыкания на землю в любое время года с учетом сопротивления естественных заземлителей должно быть

но не более 10 Ом, где I - расчетный ток замыкания на землю, А.
В качестве расчетного тока принимается:
1) в сетях без компенсации емкостных токов - ток замыкания на землю;
2) в сетях с компенсацией емкостных токов:
для заземляющих устройств, к которым присоединены компенсирующие аппараты, - ток, равный 125 % номинального тока наиболее мощного из этих аппаратов;для заземляющих устройств, к которым не присоединены компенсирующие аппараты, - ток замыкания на землю, проходящий в данной сети при отключении наиболее мощного из компенсирующих аппаратов.
Расчетный ток замыкания на землю должен быть определен для той из возможных в эксплуатации схем сети, при которой этот ток имеет наибольшее значение.")" onmouseout="hide_info(this)" src="/pics/help.gif">