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)
| Тип грунта | Параметр сопротивление грунта в диапазоне от –5 до –20°С |
| Песок | 5000–11000 |
| Супесь | 1100–1500 |
| Влажная глина | 550–3000 |
| Каменистая глина | 1000–12000 |
| Известняк | 3000–12500 |
| Торф | 500–1000 |
| Суглинок | 1200–3500 |
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.
Для подсчётов удобнее всего пользоваться табличными значениями, полученных в результате практического применения формулы.
| Система заземления при расположении электродов последовательно | ||
| Расстояние между электродами (где L это длинна используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Коэффициент использования |
| L | 5 | 0.7 |
| L | 10 | 0.6 |
| L | 15 | 0.53 |
| L | 20 | 0.5 |
| 2L | 5 | 0.81 |
| 2L | 10 | 0.75 |
| 2L | 15 | 0.7 |
| 2L | 20 | 0.67 |
| Система заземления при размещении электродов в замкнутый контур | ||
| Расстояние между электродами (где L это длинна используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Коэффициент использования |
| L | 5 | 0.65 |
| L | 10 | 0.55 |
| L | 15 | 0.51 |
| L | 20 | 0.45 |
| 2L | 5 | 0.75 |
| 2L | 10 | 0.69 |
| 2L | 15 | 0.66 |
| 2L | 20 | 0.63 |
При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.
Расчет контуров заземлений для жилых зданий
Назначение
Расчет помогает проанализировать габариты и форму создаваемого контура для обеспечения допустимого электрического сопротивления аварийному току, отводимого от дома на потенциал земли.
Заземление призвано снизить напряжение прикосновения человека до безопасного значения за счет растекания от него недопустимых токов и перераспределения опасных потенциалов.
Для жилых зданий сопротивление контура не должно превышать 8 Ом при эксплуатации однофазной сети 220 вольт и 4 Ома — для трехфазной 380.
Характеристики грунтов
Для учета их влияния на протекание токов используется термин «Удельное сопротивление грунта», единицей которого выбран «Ом∙м». Он обозначается латинской буквой ρ. Этот показатель зависит от многих факторов, включая влажность почвы и ее состав, изменяется в определённых пределах даже с учетом погодных условий.
Величина удельного сопротивления грунта определяется измерением на местности, а его усредненные значения для предварительных ориентировочных расчетов сведены в таблицы. Электроды заземлителей с целью уменьшения климатического воздействия заглубляют в землю на 0,7 метра или больше.
Сравнить влияние состава грунтов, влажности, температуры рабочей среды на величину этого показателя можно на основе предлагаемой таблицы.
Таблица приближенных значений удельного сопротивления для грунтов и воды
| № п/п | Рабочая среда | -20°С | -10°С | -5°С | Талый грунт |
| 1 | Песок | 11500 | 8000 | 5000 | 500 |
| 2 | Песок глинистый с примесями кварца (пылеватый) | 3000 | 1200 | 1100 | 45 |
| 3 | Супесь | 1500 | 1000 | 500 | 800 |
| 4 | Суглинок тяжелый | 3500 | — | 1200 | 50 |
| 5 | Глина с влажностью от 6% до 40% | 3000 | 3000 | 550 | 70 |
| 6 | Глина каменистая (слой 1÷3 м, а далее гравий) | 12000 | — | 1000 | 100 |
| 7 | Известняк | 12600 | 7940 | 3000 | 2000 |
| 8 | Чернозем | — | 1000 | 800 | 500 |
| 9 | Торф | — | 1000 | 500 | 20 |
| 10 | Вода речная | — | — | — | 50-400 |
| 11 | Вода озерная | — | — | — | 50 |
Металл заземлителя
Для изготовления электродов контура обычно выбирают:
Величину их проводимости легко найти в технических справочниках.
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
| Тип грунта | Удельное сопротивление ρ, Ом м |
|---|---|
| Скала | 4000 |
| Суглинок | 100 |
| Чернозем | 30 |
| Песок | 500 |
| Супесь | 300 |
| Известняк | 2000 |
| Садовая земля | 50 |
| Глина | 70 |
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.
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
Важно!
Последующие расчеты необходимо производить для наихудших условий эксплуатации, поскольку во всех иных случаях сопротивление заземления будет снижаться
Расчет зануления
Данные математические действия производятся для того, чтобы определить сечение нулевого провода, при котором 100% произойдет срабатывание максимальной токовой защиты. Предохранитель определяется рабочими характеристиками подключенной электроустановки (потребителя).
Пример расчета зануления
Порядок расчета примера такой.
- Вычисляется номинальный ток предохранителя, исходя из рабочих характеристик подключаемого электроагрегата — Jп.
- Вычисляется сопротивление фазного и нулевого проводов Rпров (R ф,Rн ):
Rпров = пров (L/S), Ом
где:
пров — удельное сопротивление цветных металлов, Ом•м;
L и S — длина линии (м) и сечение проводов (мм2).
Рассчитывается полное сопротивление петли «фаза-нуль»:
где Rф, Rн , Xп — активные сопротивления фазного и нулевого электропроводов, индуктивное сопротивление петли «фаза-нуль» соответственно.
Xп = Xф + Xн + Xп ‘,
где: Xп ‘- сопротивление взаимоиндукции между проводами, Ом.
где: µо – магнитная проницаемость воздуха, которая равна 4 •10-7 Гн/м;
L — длина линии, м;
d – интервал между проводами, м;
D – диаметр провода, мм.
Индуктивные сопротивления проводов из цветных металлов малы и эти показатели можно не учитывать во время производимых вычислений
В случае, когда нулевые провода прокладываются отдельно, принимается Xп = 0.6 l, при прокладке кабелем или в стальных трубах значение Xп можно не брать во внимание
Вычисляется расчетный ток короткого замыкания с учетом полного сопротивления петли «фаза-нуль» Zп:
где: Zф.пр и Zн — сопротивление фазного и нулевого провода соответственно, Ом;
Zт — полное сопротивление трансформатора (таблица 2), Ом.
Т а б л и ц а 2
| Рабочие характеристики трансформатора, кВ•А | Схема соединения обмоток | Zт /3, Ом | Рабочие характеристики трансформатора, кВ•А | Схема соединения обмоток | Zт /3, Ом |
| 160 | «D»/YО | 0,055 | 560 | Y/YО | 0.0434 |
| 180 | Y/YО | 0,151 | 630 | «D»/ YО | 0.014 |
| 250 | «D»/YО | 0,0354 | 750 | Y/YО | 0,0364 |
| 320 | Y/YО | 0,0847 | 1000 | «D»/ YО | 0,009 |
| 400 | «D»/YО | 0,022 |
«D» — дельта
При общепринятом в электротехнике сечении нулевого провода в конце расчета должно соблюдаться условие
Jном < Jп < Jкз >3Jп < Jрасч ,
где: Jном , Jрасч — номинальный ток потребителя, ток петли «фаза-нуль», полученный по расчету.
Профессиональный расчет защитного заземления жилого/нежилого помещения избавит умного человека (ответственного за техническое состояние здания) и его сотрудников/знакомых/родственников от отрицательного воздействия электрического тока на них. Если у читателя нет возможности самостоятельно произвести нужные вычисления для осуществления качественной заземляющей конструкции, тогда необходимо обращаться к профессиональным электрикам.
Качественный расчет заземляющей конструкции – это не пример на бумаге решать, В таком деле нужны не только математические способности, но и профессиональные навыки, которые вырабатываются годами успешной профессиональной работы.
Экономное расходование материала
Так как сечение металла — не самый важный параметр, рекомендуется приобретать материал с наименьшей площадью сечения. Однако при этом нужно оставаться в пределах минимально рекомендуемых значений. Наиболее экономичные (но способные выдержать удары кувалды) варианты металлоизделий:
- трубы диаметром 32 миллиметра и толщиной стенок от 3 миллиметров;
- уголок равнополочный (сторона — 50 или 60 миллиметров, толщина — 4 или 5 миллиметров);
- круглая сталь (диаметр от 12 до 16 миллиметров).
В качестве металлосвязи оптимальным выбором станет полоса из стали толщиной 4 миллиметра. В качестве альтернативы подойдет 6-миллиметровый стальной прут.
Обратите внимание! Горизонтальные стержни приваривают к вершинам электродов. Поэтому к расчетной дистанции между электродами следует добавить еще 18 – 23 сантиметра
Наружный участок заземления можно изготовить из 4-миллиметровой полосы (ширина — 12 миллиметров).
Подробно об составляющих контура
Выше упоминалось, что заземление состоит из горизонтальных и вертикальных компонентов. По аналогии производят готовые наборы для оперативного устройства контуров заземления. Следуя приложенной инструкции, сооружать заземление из заводских элементов легко и приятно, но дорого.
Вертикальные проводники заземления
В качестве заземляющих вертикальных стержней для самодельного заземления могут использоваться любые длинномерные изделия из черного металлопроката без оцинковки. Данная обработка не нужна для расположенных в земле деталей, она снижает потенциал. Нежелателен арматурный пруток с ребрами, его сложно забивать в грунт. Подойдет квадрат, полоса, швеллер и его двутавровый собрат. Металлопрокат со сложным профилем применим, если предполагается перед монтажом системы пробурить скважины для закладки вертикальных электродов.
Распространенными материалами для изготовления вертикальных проводников являются:
- труба с толщиной стенки не меньше 3,0мм, рекомендованный диаметр 32мм;
- уголок с равными или разными полками с предпочтительной толщиной 5мм;
- круг с диаметром от 10мм.
Оптимальная площадь сечения вертикального электрода 1,6 см². Отталкиваясь от этого размера, следует подбирать материал. Длина заземлителя определяется в соответствии с местной геологической ситуацией. Необходимо углубиться как минимум на полметра ниже уровня сезонного промерзания.
Второе условие, влияющее на длину металлических стержней – водонасыщенность вмещающих пород. Проще говоря, чем ниже грунтовые воды, тем длиннее нужны электроды.
Для того чтобы не мучиться с геологическими характеристиками и расчетами, сведения о глубине закладки заземлителей нужно узнать в местном энергоуправлении у дежурных электриков. Ориентировочные данные помогут в любом случае, т.к. у них есть некоторый расчетный запас эффективности.
Среднестатистический стандарт длины заземлителя варьирует от 2х до 3х метров с полуметровыми вариациями. Благоприятной для сооружения заземления средой являются суглинки, торф, насыщенные водой пески, супеси, трещиноватые обводненные глины. Совершенно самостоятельно устроить заземление в скальных породах нереально, но способы для создания электрозащиты есть. Перед сооружением контура бурятся скважины требующейся глубины. В них и производится установка стержней, а свободное пространство заполняется песком или супесью, перемешанной с солью или предварительно залитой соляным раствором. Приблизительно полпачки на ведро.
При недостаточной электропроводности грунтов на участке в качестве вертикальных заземлителей лучше использовать трубы. В нижней части их нужно произвольно высверлить несколько технологических отверстий. Через трубы с отверстиями можно периодически заливать соляной раствор для уменьшения сопротивления. Соль, безусловно, поможет разрушиться электродам от коррозии, зато заземление достаточно долго будет действовать безупречно. Потом надо будет просто стержни заменить.
Самостоятельные мастера для изготовления электродов чаще всего используют черный стальной металлопрокат. Ведь во главе собственноручных усилий заложена экономия. Отличный, но недешевый материал для вертикальных электродов – сталь с электрохимическим медным покрытием или медь. Заложенные в землю элементы заземления нельзя окрашивать, краска ухудшит электрохимический контакт металла с грунтами.
Заземляющая металлосвязь — горизонтальный проводник
Горизонтальный элемент заземления, объединяющий систему и подводящий ее к щитку, чаще всего выполняют из полосы шириной 40 мм, толщина полосы 4 мм. Используют также круглую сталь, реже уголок или рифленую арматуру. Полоса приваривается к верхнему краю вертикальных заземлителей или крепится болтами. Преимущества у сварки, она надежней. Места сварных и болтовых соединений щедро обрабатываются противокоррозионной битумной мастикой или просто битумом. Соединять обжимным способом подземные элементы заземления нельзя!
Для сооружения горизонтальной составляющей, расположенной под землей, нежелательно менять материал, чтобы при неизбежном увлажнении не формировалась гальваническая пара с ее традиционными коррозионными последствиями. К выведенному из земли горизонтальному компоненту заземления можно присоединить алюминиевый, медный или стальной проводник. Далее проводом для заземления вся система через приваренный болт подключается к шине, а уже от нее подается на каждый из заземляемых приборов по отдельности.
Расчеты для устройства искусственного заземления
Абсолютно точный расчет заземления произвести практически невозможно. Даже профессиональные проектировщики оперируют приблизительным количеством электродов и дистанциями между ними.
Причина сложности расчетов состоит в большом количестве внешних факторов, каждый из которых оказывает существенное влияние на систему. К примеру, нельзя предсказать точный уровень влажности, не всегда известна фактическая плотность грунта, его удельное сопротивление и так далее. В связи с неполной определенностью вводных данных итоговое сопротивление организованного контура заземления в конечном счете отличается от базового значения.
Разницу в проектируемых и реальных показателях нивелируют за счет монтажа дополнительных электродов или путем увеличения длины стержней. Тем не менее, предварительные расчеты важны, так как позволяют:
- отказаться от лишних трат (или хотя бы уменьшить их) на покупку материалов, на земляные работы;
- подобрать наиболее подходящую конфигурацию заземлительной системы;
- выбрать правильный план действий.
Для облегчения расчетов существует разнообразное программное обеспечение. Однако чтобы разобраться в их работе, необходимы определенные познания о принципах и характере вычислений.
Расчёт сопротивления
Правильный расчёт защитного заземления заключается в точном определении сопротивления растекания тока (Rз), которое зависит от множества факторов (влажности и плотности грунта, количества солей, конструктивных особенностей заземлительного устройства, диаметра и глубины погружения подключённого провода и др.).
Их снижение достигается путём уменьшения сопротивления растекания тока. Результатом такого снижения является уменьшение тока, проходящего сквозь тело человека при аварии.
В процессе расчёта заземления необходимо учитывать такой важный показатель, как удельное сопротивление грунта. Таблица ПУЭ позволяет узнать его для разных видов почвы:
- Песка с разным уровнем залегания подземных вод.
- Водонасыщенной супеси (пластинчатой и текучей).
- Пластичной и полутвёрдой глины.
- Суглинка.
- Торфа.
- Садовой земли.
- Чернозёма.
- Кокса.
- Гранита.
- Каменного угля.
- Мела.
- Глинистого мергеля.
- Пористого известняка.
Все представленные в таблице разновидности грунта отличаются разным уровнем влажности, которая также сказывается на конечном значении сопротивления растекания тока. Для его точного определения удельное сопротивление умножают на коэффициент сезонности. Эта цифра зависит от низшей температуры и способа расположения электродов (вертикального или горизонтального).
Помимо удельного сопротивления почвы (ρ), для подсчёта сопротивления растекания (Rз) необходимо знать длину электрода (l), диаметр прута (d) и глубину расположения средней точки заземлителя (h). Взаимосвязь этих величин отражается в формуле Rз = ρ/2πl∙ (ln (2l/d)+0.5ln ((4h+l)/(4h-l)).
Если основой заземлительной установки являются сваренные сверху вертикальные электроды (n), целесообразнее будет использовать формулу Rn = Rз/(n∙ Kисп), в которой буквами Kисп обозначается коэффициент использования электрода (с учётов влияния соседних). Его также легко найти в специальной таблице.
Независимо от выбранной формулы, при подсчёте защитного заземления следует принимать во внимание нормированное сопротивление заземлителя (для частного дома, источника тока или подстанции), размеры основных деталей конструкции и соединительных элементов, а также количество и метод соединения электродов (в ряд или в форме замкнутого контура). Проводить расчёт заземлительного контура имеет смысл только в том случае, если в качестве заземлителей используются искусственные элементы. Формул для определения сопротивления естественных заземлителей не существует
Формул для определения сопротивления естественных заземлителей не существует
Проводить расчёт заземлительного контура имеет смысл только в том случае, если в качестве заземлителей используются искусственные элементы. Формул для определения сопротивления естественных заземлителей не существует.
Заземляющий контур
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.
Конструкция контура заземления, виды используемых материалов, ограничены условиями, которые содержатся в документах, к примеру, в ПУЭ, правилах устройства электроустановок.
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.
Контур заземления
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.
Заземлитель из уголка
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.
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.
