Заземление

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством (ПУЭ 1.7.28).
Грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток. Также он являться некоторой “общей” точкой в электросхеме, относительно которой воспринимается сигнал.

Заземляющее устройство — совокупность заземлителя/ заземлителей и заземляющих проводников (ПУЭ 1.7.19).
Это устройство/ схема, состоящее из заземлителя и заземляющего проводника, соединяющего этот заземлитель с заземляемой частью сети, электроустановки или оборудования. Может быть распределенным, т.е. состоять из нескольких взаимно удаленных заземлителей.

Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с грунтом (ПУЭ 1.7.15).
Проводящая часть — это металлический (токопроводящий) элемент/ электрод любого профиля и конструкции (штырь, труба, полоса, пластина, сетка, ведро :-) и т.п.), находящийся в грунте и через который в него “стекает” электрический ток от электроустановки.
Конфигурация заземлителя (количество, длина, расположение электродов) зависит от требований, предъявляемых к нему, и способности грунта “впитывать” в себя электрический ток идущий/ “стекающий” от электроустановки через эти электроды.

Сопротивление заземления — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю (ПУЭ 1.7.26).
Сопротивление заземления — основной показатель заземляющего устройства, определяющий его способность выполнять свои функции и определяющий его качество в целом.
Сопротивление заземления зависит от площади электрического контакта заземлителя (заземляющих электродов) с грунтом (“стекание” тока) и удельного электрического сопротивления грунта, в котором смонтирован этот заземлитель (“впитывание” тока).

Заземляющий электрод (электрод заземлителя) — проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с локальной землей (ГОСТ Р 50571.21-2000 п. 3.21)

Контур заземления — “народное” название заземлителя или заземляющего устройства, состоящего из нескольких заземляющих электродов (группы электродов), соединенных друг с другом и смонтированных вокруг объекта по его периметру/ контуру.

На рисунке объект обозначен серым квадратом в центре, а контур заземления — толстыми красными линиями:

Удельное электрическое сопротивление грунта — параметр, определяющий собой уровень «электропроводности» грунта как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземляющего электрода.

Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности
прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).

Рабочее (функциональное) заземление
Это заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности) (ПУЭ 1.7.30).

Рабочее заземление (электрический контакт с грунтом) используется для нормального функционирования электроустановки или оборудования, т.е. для их работы в ОБЫЧНОМ режиме.

Защитное заземление
Это заземление, выполняемое в целях электробезопасности (ПУЭ 1.7.29).

Защитное заземление обеспечивает защиту электроустановки и оборудования, а также защиту людей от воздействия опасных напряжений и токов, могущих возникнуть при поломках, неправильной эксплуатации техники (т.е. в АВАРИЙНОМ режиме) и при разрядах молний.
Также защитное заземление используется для защиты аппаратуры от помех при коммутациях в питающей сети и интерфейсных цепях, а также от электромагнитных помех, наведенных от работающего рядом оборудования. 

Подробнее защитное назначение заземления можно рассмотреть на двух примерах:

  • в составе внешней молниезащитной системы в виде заземленного молниеприёмника
  • в составе системы защиты от импульсного перенапряжения
  • в составе электросети объекта

Заземление в составе молниезащиты
Молния — это разряд или другими словами «пробой», возникающий от облака к земле, при накоплении в облаке заряда критической величины (относительно земли).
Примерами этого явления в меньших масштабах является “пробой” в конденсаторе и газовый разряд в лампе.

Воздух — это среда с очень большим сопротивлением (диэлектрик), но разряд преодолевает его, т.к. обладает большой мощностью. Путь разряда проходит по участкам наименьшего сопротивления, таким как капли воды в воздухе и деревья. Этим объясняется корнеобразная структура молнии в воздухе и частое попадание молнии в деревья и здания (они имеют меньшее сопротивление, чем воздух в этом промежутке).
При попадании в крышу здания, молния продолжает свой путь к земле, также выбирая участки с наименьшим сопротивлением: мокрые стены, провода, трубы, электроприборы — таким образом представляя опасность для человека и оборудования, находящихся в этом здании.

Молниезащита предназначена для отвода разряда молнии от защищаемого здания/ объекта. Разряд молнии, идущий по пути наименьшего сопротивления попадает в металлический молниеприёмник над объектом, затем по металлическим молниеотводам, расположенным снаружи объекта (например, на стенах), спускается до грунта, где и расходится в нём (напоминаю: грунт является средой, имеющей свойство “впитывать” в себя электрический ток).

Для того, чтобы сделать молниезащиту «привлекательной» для молнии, а также для исключения распространения молниевых токов от деталей молниезащиты (приёмник и отводы) внутрь объекта, её соединение с грунтом производится через заземлитель, имеющий низкое сопротивление заземления.

Заземление в такой системе является обязательным элементом, т.к. именно оно обеспечивает полный и быстрый переход молниевых токов в грунт, не допуская их распространение по объекту.

Заземление в составе системы защиты от импульсного перенапряжения (УЗИП)

УЗИП предназначено для защиты электронного оборудования от заряда, накопленного на каком-либо участке линии/сети в результате воздействия электромагнитного поля (ЭМП), наведенного от рядом стоящей мощной электроустановки (или высоковольтной линии) или ЭМП, возникшего при близком (до сотен метров) разряде молнии.

Ярким примером этого явления является накопление заряда на медном кабеле домовой сети или на “пробросе” между зданиями во время грозы. В какой-то момент приборы, подключенные к этому кабелю (сетевая карта компьютера или порт коммутатора), не выдерживают «размера» накопившегося заряда и происходит электрический пробой внутри этого прибора, разрушающий его (упрощенно).
Для “стравливания” накопившегося заряда параллельно “нагрузке” на линию перед оборудованием ставит УЗИП.

Классический УЗИП представляет собой газовый разрядник, рассчитанный на определенный «порог» заряда, который меньше “запаса прочности” защищаемого оборудования. Один из электродов этого разрядника заземляется, а другой — подключается к одному из проводов линии/ кабеля.

При достижении этого порога внутри разрядника возникает разряд :-) между электродами. В результате чего накопленный заряд сбрасывается в грунт (через заземление).

 Как и в молниезащите — заземление в такой системе является обязательным элементом, так как именно оно обеспечивает своевременное и гарантированное возникновение разряда в УЗИПе, не допуская превышение заряда на линии выше безопасного для защищаемого оборудования уровня.

Заземление в составе электросети
Третий пример защитной роли заземления — это обеспечение безопасности человека и электрооборудования при поломках/авариях.

Проще всего такая поломка описывается замыканием фазного провода электросети на корпус прибора (замыкание в блоке питания или замыкание в водонагревателе через водную среду). Человек, коснувшийся такого прибора, создаст дополнительную электрическую цепь, через которую побежит ток, вызывающий в теле повреждения внутренних органов — прежде всего нервной системы и сердца.

Для устранения таких последствий используется соединение корпусов с заземлителем (для отвода аварийных токов в грунт) и защитные автоматические устройства, за доли секунды отключающие ток при аварийной ситуации.

Например, заземление всех корпусов, шкафов и стоек телекоммуникационного оборудования. 

Качество заземления. Сопротивление заземления.
Для корректного выполнения заземлением своих функций оно должно иметь определенные параметры/ характеристики. Одним из главных свойств, определяющих качество заземления, является сопротивление растеканию тока (сопротивление заземления), определяющее способность заземлителя (заземляющих электродов) передавать токи, поступающие на него от оборудования в грунт.
Это сопротивление имеет конечные значения и в идеальном случае представляет собой нулевую величину, что означает отсутствие какого-либо сопротивления при пропускании «вредных» токов (это гарантирует их ПОЛНОЕ поглощение грунтом).

Факторы, влияющие на качество заземления
Сопротивление в основном зависит от двух условий:

  • - площадь ( S ) электрического контакта заземлителя с грунтом
  • - электрическое сопротивление ( R ) самого грунта, в котором находятся электроды

Площадь контакта заземлителя с грунтом.
Чем больше будет площадь соприкосновения заземлителя с грунтом, тем больше площадь для перехода тока от этого заземлителя в грунт (тем более благоприятные условия создаются для перехода тока в грунт).

Увеличить площадь контакта заземлителя с грунтом можно либо увеличив количество электродов, соединив их вместе (сложив площади нескольких электродов), либо увеличив размер электродов. При применении вертикальных заземляющих электродов последний способ очень эффективен, если глубинные слои грунта имеют более низкое электрическое сопротивление, чем верхние.

Электрическое сопротивление грунта (удельное)
Напомню: это величина, определяющая — как хорошо грунт проводит ток через себя. Чем меньшее сопротивление будет иметь грунт, тем эффективнее/ легче он будет “впитывать” в себя ток от заземлителя.

Примерами грунтов, хорошо проводящих ток, является солончаки или сильно увлажненная глина. Идеальная природная среда для пропускания тока — морская вода.
Примером “плохого” для заземления грунта является сухой песок.

Величины расчетного электрического удельного сопротивления грунта:
Удельное сопротивление, среднее значение (Ом*м)

Асфальт - 200 - 3 200 Ом*м;
Базальт - 2 000 Ом*м;
Бентонит (сорт глины) - 2 - 10 Ом*м;
Бетон - 40 - 1 000 Ом*м;
Вода морская - 0,2 Ом*м;
Вода прудовая - 40 Ом*м;
Вода равнинной реки - 50 Ом*м;
Вода грунтовая - 20 - 60 Ом*м;
Вечномёрзлый грунт - талый слой (у поверхности летом) - 500 - 1000 Ом*м;
Вечномёрзлый грунт (суглинок) - 20 000 Ом*м;
Вечномёрзлый грунт (песок) - 50 000 Ом*м;
Глина влажная - 20 Ом*м;
Глина полутвёрдая - 60 Ом*м;
Гнейс разложившийся - 275 Ом*м;
Гравий глинистый, неоднородный - 300 Ом*м;
Гравий однородный - 800 Ом*м;
Гранит - 1 100 - 22 000 Ом*м;
Гранитный гравий - 14 500 Ом*м;
Графитовая крошка - 0,1 - 2 Ом*м;
Дресва (мелкий щебень/крупный песок) - 5 500 Ом*м;
Зола, пепел - 40 Ом*м;
Известняк (поверхность) - 100 - 10 000 Ом*м;
Известняк (внутри) - 5 - 4 000 Ом*м;
Ил - 30 Ом*м;
Каменный уголь - 150 Ом*м;
Кварц - 15 000 Ом*м;
Кокс - 2,5 Ом*м;
Лёсс (желтозем) - 250 Ом*м;
Мел - 60 Ом*м;
Мергель обычный - 150 Ом*м;
Мергель глинистый (50 - 75% глинистых частиц) - 50 Ом*м;
Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами - 10 - 60 Ом*м;
Песок, умеренно увлажненный - 60 - 130 Ом*м;
Песок влажный - 130 - 400 Ом*м;
Песок слегка влажный - 400 - 1 500 Ом*м;
Песок сухой - 1 500 - 4 200 Ом*м;
Супесь (супесок) - 150 Ом*м;
Песчаник - 1 000 Ом*м;
Садовая земля - 40 Ом*м;
Солончак - 20 Ом*м;
Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами - 10 - 60 Ом*м;
Суглинок полутвердый, лесовидный - 100 Ом*м;
Суглинок при температуре минус 5 С° - 150 Ом*м;
Супесь (супесок) - 150 Ом*м;
Сланец - 10 - 100 Ом*м;
Сланец графитовый - 55 Ом*м;
Супесь (супесок) - 150 Ом*м;
Торф при температуре 10° - 25 Ом*м;
Торф при температуре 0 С° - 50 Ом*м;
Чернозём - 60 Ом*м;
Щебень мокрый - 3 000 Ом*м;
Щебень сухой - 5 000 Ом*м;

 Возвращаясь к первому фактору и способу уменьшения сопротивления заземления в виде увеличения глубины электрода можно сказать, что на практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности. Часто встречаются грунтовые воды, которые обеспечивают грунту очень низкое сопротивление. Заземление в таких случаях получается очень качественным и надежным.

Существующие нормы сопротивления заземления

Так как идеала (нулевого сопротивления растеканию) достигнуть невозможно, все электрооборудование и электронные устройства создаются исходя из некоторых нормированных величин сопротивления заземления, например 0.5, 2, 4, 8, 10, 30 и более Ом.

Для ориентирования приведу следующие значения:

  • для подстанции с напряжением 110 кВ сопротивление растеканию токов должно быть не более 0,5 Ом (ПУЭ 1.7.90)
  • при подключении телекоммуникационного оборудования, заземление обычно должно иметь сопротивление не более 2 или 4 Ом
  • для уверенного срабатывания газовых разрядников в устройствах защиты воздушных линий связи(например, локальная сеть на основе медного кабеля или радиочастотный кабель) сопротивление заземления, к которому они (разрядники) подключаются должно быть не более 2 Ом. Встречаются экземпляры с требованием в 4 Ом.
  • у источника тока (например, трансформаторной подстанции) сопротивление заземления должно быть не более 4 Ом при линейном напряжении 380 В источника трехфазного тока или 220 В источника однофазного тока (ПУЭ 1.7.101)
  • у заземления, использующегося для подключения молниеприёмников, сопротивление должно быть не более 10 Ом (РД 34.21.122-87, п. 8)
  • для частных домов, с подключением к электросети 220 Вольт / 380 Вольт:
    • при использовании системы TN-C-S необходимо иметь локальное заземление с рекомендованным сопротивлением не более 30 Ом (ориентируюсь на ПУЭ 1.7.103)
    • при использовании системы TT (изолирование заземления от нейтрали источника тока) и применении устройства защитного отключения (УЗО) с током срабатывания 100 мА необходимо иметь локальное заземление с сопротивлением не более 500 Ом (ПУЭ 1.7.59)

 

 Расчёт сопротивления заземления

Для успешного проектирования заземляющего устройства, имеющего необходимое сопротивление заземления, применяются, как правило, типовые конфигурации заземлителя и базовые формулы для расчётов.

Конфигурация заземлителя обычно выбирается инженером на основании его опыта и возможности её (конфигурации) применения на конкретном объекте.

Выбор формул расчёта зависит от выбранной конфигурации заземлителя. 
Сами формулы содержат в себе параметры этой конфигурации (например, количество заземляющих электродов, их длину, толщину) и параметры грунта конкретного объекта, где будет размещаться заземлитель. Например, для одиночного вертикального электрода эта формула будет такой:

Точность расчёта обычно невысока и зависит опять же от грунта — на практике расхождения практических результатов встречается в почти 100% случаев. Это происходит из-за его (грунта) большой неоднородности: он изменяется не только по глубине, но и по площади — образуя трёхмерную структуру. Имеющиеся формулы расчёта параметров заземления с трудом справляются с одномерной неоднородностью грунта, а расчёт в трёхмерной структуре сопряжен с огромными вычислительными мощностями и требует крайне высокую подготовку оператора.
Кроме того, для создания точной карты грунта необходимо произвести большой объем геологических работ (например, для площади 10*10 метров необходимо сделать и проанализировать около 100 шурфов длиной до 10 метров), что вызывает значительное увеличение стоимости проекта и чаще всего не возможно.

В свете вышесказанного почти всегда расчёт является обязательной, но ориентировочной мерой и обычно ведётся по принципу достижения сопротивления заземления “не более, чем”. В формулы подставляются усредненные значения удельного сопротивления грунта, либо их наибольшие величины. Это обеспечивает “запас прочности” и на практике выражается в заведомо более низких (ниже — значит лучше) значениях сопротивления заземления, чем ожидалось при проектировании.


Строительство заземлителей
При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов — у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.

В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.

Модульно-штыревая система молниезащиты собственного производства

 

Модульно-штыревое заземление
«-Головка «-Муфта
«-Стержень
«-Муфта
«-Стержень
«-Наконечник
В настоящее время все более широкое распространениеМедное покрытие 250мкм получают вертикальные заземлители, которые, благодаря возможности соединения стержней в сегменты необходимой длины, могут быть забиты в грунт на глубину до 20 метров.
Данные заземлители позволяют решать проблему местного активного сопротивления токам стекания с заземлителя в грунт путем наращивания, как глубины проникновления заземлителя в грунт, так и количества заземлителей в грунте. Это делает их независимыми от влияния атмосферных условий, которые увеличивают удельное сопротивление почвы и, в то же самое время, - активное сопротивление заземлителя. Вертикальные заземлители представляют собой стальные стержни с медным покрытием, толщиной около 250 мкм, соединяемые между собой резьбовыми латунными муфтами. Монтаж глубинных заземлителей прост, и осуществляется при помощи вибромолота, а применяемые зажимы обеспечивают надежный контакт с тоководами. Данная технология позволяет значительно сократить время монтажа заземляющего устройства, уменьшить затраты на подготовительные работы, практически полностью упразднить земляные работы. Заземлители штыревые позволяют проводить работы в городских условиях, для их монтажа требуется незначительное вскрытие дорожного покрытия.
"Artterm-m" развернул произвоство модульно-штыревой системы собственного изготовления. В состав системы входит комплект штыревых заземлителей, которые благодаря модульной системе, могут достигать глубин до 20 метров. В состав комплекта входят(сверху-вниз):головка, муфта, стержень, наконечник. Посредством муфт можно стежнями наращивать длину заземлителя. Благодаря медной оболочке достигается большой срок службы заземления (до 100 лет). Применение стального сердечника даёт необходимые прочностные характеристики заземлителю, ввиду чего достигается большая глубина проникновения. Погружение заземления в землю возможно даже одним человеком, оптимальный состав звена по погружению заземлителей составляет 2 человека, при чем, как вручную, так и механизированным способом (вибромолотом или перфоратором).
Таким образом достигается невысокая стоимость и высокая эффективность.
Порядок действий звена по погружению молниеприёмников следующий:

 

Порядок действий звена по погружению молниеприёмников следующий:

 

 

Обработать резьбовую часть наконечника пастой антикоррозионной.

 

Навернуть наконечник на стержень.

 

Навернуть на стержень муфту и обработать антикоррозионной пастой.

Ввернуть в муфту головку для перфоратора {электромолота) и вставить головку в перфоратор {электромолот)

Аккуратно поместить в точку, предназначенноую для стержня молниезащиты

Забить первый стержень

Вывернуть головку. Довернуть муфту (допускается использование ключа трубного). Приготовить следующую муфту и следующий стержень.

11

Обработать муфту пастой антикоррозионной.

2

Закрутить второй стержень в муфту, навернуть следующую муфту, обработать муфту пастой антикоррозионной, ввернуть головку

Забить второй стержень, произвести замер сопротивления растекания. В случае если измеренная величина больше требуемой, то забивать стержни до получения нужного значения.

 

http://9

В случае невозможности достичь требуемого сопротивления растекания одним очагом, допускается забивать необходимое количество очагов с последующим их объединением. Объединение очагов и присоединение проводника производится при помощи зажима. После закрепления зажима необходимо изолировать (обмотать) его лентой изолирующей.

 

 

МОДУЛЬНО-ШТЫРЕВЫЕ СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ СРАВНЕНИЕ С ДРУГИМИ СИСТЕМАМИ

Сравним существующие методы устройств заземления. Монтаж устройств заземления традиционным методом связан со значительными трудозатратами на монтаж заземлителей и проведением подготовительных земляных работ. Приведем сравнительный расчет стоимости устройств заземления: горизонтального и вертикального с приблизительно одинаковыми характеристиками. Сопротивление заземляющего устройства 1 ...2 Ом, для грунтов с удельным сопротивлением 80 Ом*м. Материал горизонтального заземлителя полоса стальная 40x4, выполнен в виде сетки 25x25м с шагом 8,3м, в местах соединения полосы забит уголок 40x40 на глубину 1,5 метра. Все соединения выполнены сваркой.

Материал вертикального заземлителя омедненые стальные стержни, выполнен из 4 вертикальных электродов длиной 12 м каждый, обвязанных между собой стальной оцинкованной полосой 40x4. Соединения выполнены при помощи болтовых зажимов с последующей изоляцией специальной лентой. С учетом залегания грунтовых вод на глубине 6...7 метров, средняя величина удельного сопротивления составит 65 Ом*м.

 

Схемы представленные на рисунке выше, демонстрируют, что для монтажа горизонтального устройства заземления, требуется значительно большее количество металла, а также в 5 раз больший объем земляных работ, чем для аналогичного модульно-штыревого заземления.

 

Одним из преимуществ вертикальных заземлителей является их высокая коррозионная стойкость, что обусловлено медным покрытием большой толщины (с высокой адгезией) на стержнях, а также применением в качестве соединителей резьбовых латунных муфт. Минимальный срок службы таких заземлителей составляет 40 лет. По результатам испытаний полное разрушение стержня коррозией произойдет не менее, чем через 100 лет. Единственная часть которая потребует замены каждые 10* лет - горизонтальный соединитель (оцинкованная полоса).

Классическая конструкция заземлителя служит не более 7-11 лет, причем стоит отметить, что продукты коррозии со временем значительно ухудшают характеристики заземляющего устройства, т. к. ржавчина имеет пористую структуры и примерно в пять раз больший объем по отношению к металлу, что приводит к отодвиганию почвы от ЗУ.

Предлагаем провести примерный расчет стоимости монтажа и эксплуатации заземляющих устройств в течении сорока лет:

 

Тип заземлителя

Горизонтальный

Вертикальный

Материал, п. м.

232,00

88,00

Стоимость материалов, руб/п.м

96,00

354,00

Цена работ,руб/п.м.

642,00

681,00

Стоимость материалов, руб

22 272,00

31 152,00

Стоимость работ, руб

148 944,00

59 928,00

Общая стоимость, руб

171 216,00

91 080,00

Срок службы, лет

10

40*

Общие затраты за 40 лет, руб.

684 864,00

109 296,00**

Отсюда: стоимость ЗУ на вертикальных заземлителях на 45% ниже чем у традиционной схемы. Причем компактность вертикальных заземлителей позволяет их использовать без повреждения дорожного покрытия или в условиях ограниченного пространства включая подвалы зданий. Но с учетом среднего срока службы заземлителей стоимость вертикального заземлителя (за 40 лет) более чем в 6 раз ниже цены традиционного (горизонтального). Этот расчет не учитывает расходов на демонтаж старого горизонтального заземлителя.