Расчет заземления: цель, правила и алгоритм вычислений

Онлайн калькулятор для расчета заземления

Основные условия, которых следует придерживаться при монтировании заземляющих устройств это габариты приспособлений.

В зависимости от применяемого материала минимум по габаритам устройств должен быть не менее:

  • Полоса 12 на 4 – 48 мм2.
  • Уголок 4 на 4.
  • Круглая сталь – 10 мм2.
  • Труба из стали (размер стенки) – 3,5 миллиметров.

Длина стержня устройства для заземления должна быть не меньше полутора-двух метров.

Интервал между стержнями заземлителями берётся из соотношения их длины, то есть а=:

  • 1хL;
  • 2хL;
  • 3хL.

В зависимости от площади, которая позволяет и комфорта монтирования, стержни заземления можно устраивать в рядок, либо в качестве фигуры, треугольной, квадратной формы. А какова цель расчёта устройства для защиты? Главная задача расчёта – выявить число стержней заземлителей и размер полоски, которая их объединяет в единую конструкцию. Если кроме устройства заземления следует монтировать систему внешней защиты от молнии, можно воспользоваться специальной программой расчёта вероятности поражения объекта, который под защитой спецприёмника. Сервис разработан профессионалами.

Онлайн калькулятор дает возможность:

  • Провести верные расчеты;
  • Провести проверку надёжности устройства защиты от молнии;
  • Сделать более рациональный и правильный проект молниезащиты.

Это обеспечивает наименьшую цену конструкции и монтажа, сокращая не требуемый запас и применяя наименее высокие, наименее дорогостоящие в монтировании приёмники молнии

Также это обеспечивает наименьшее количество поражений устройства, понижая вторичные отрицательные последствия, что очень важно на объектах с большим количеством электроприборов (количество ударов молнии сокращается с сокращением высоты стержневых приёмников молнии)

Функционал сервиса дает возможность высчитать результативность запланированной защиты в виде доступных параметров:

  1. Вероятность попадания молнии в объекты устройства (прочность защитной системы высчитывается как 1 минус число вероятности).
  2. Количество поражений молнией в устройство заземления за 12 месяцев.
  3. Количество прорывов молнии, минуя защитный барьер, за 12 месяцев.

Зная эти информационные данные, создатель проекта сможет сравнить требования и нормативы с полученной надёжностью и предпринять мероприятия по перестройке конструкции защиты.

Краткие теоретические сведения.

Защитное заземление– преднамеренное
электрическое соединение с землей или
ее эквивалентом металлических
нетоковедущих частей, которые могут
оказаться под напряжением.

Назначение
защитного заземления

– устранение опасности поражения людей
электрическим током при появлении
напряжения на конструктивных частях
электрооборудования, т.е. при замыкании
на корпус.

Принцип
действия защитного заземления

– снижение до безопасных значений
напряжений прикосновения и шага,
обусловленных замыканием на корпус.
Это достигается уменьшением потенциала
заземленного оборудования, а также
выравниванием потенциалов за счет
подъема потенциала основания, на котором
стоит человек, до потенциала, близкого
по значению к потенциалу заземленного
оборудования.

Заземляющим
устройством

называется совокупность вертикальных
заземлителей – металлических проводников,
находящихся в непосредственном
соприкосновении с землей, и горизонтальных
заземляющих проводников, соединяющих
заземляемые части электроустановки с
заземлителем.

Внутри помещений
выравнивание потенциала происходит
естественным путем через металлические
конструкции, трубопроводы, кабели и
подобные им проводящие предметы,
связанные с разветвленной сетью
заземления.

Защитному заземлению
подлежат металлические нетоковедущие
части оборудования, которые из-за
неисправности изоляции могут оказаться
под напряжением и к которым возможно
прикосновение людей. При этом в помещении
с повышенной опасностью и особо опасных
по условиям поражений током, а также в
наружных установках заземление является
обязательным при номинальном напряжении
электроустановки выше 42В переменного
и выше 110В постоянного тока, а в помещениях
без повышенной опасности – при напряжении
380В и выше переменного 440В и выше
постоянного тока. Лишь во взрывоопасных
помещениях заземление выполняется
независимо от назначения установки.

Различают заземлителиискусственные,
предназначенные исключительно для
целей заземления, и естественные
– находящиеся в земле металлические
предметы, используемые для иных целей
(проложенные в земле металлические
водопроводные трубы; трубы артезианских
скважин; металлические каркасы зданий
и сооружений и т.п.). Запрещается
использовать в качестве естественных
заземлителей трубопроводы горючих
жидкостей, горючих и взрывоопасных
газов, а также трубопроводы, покрытые
изоляцией для защиты от коррозии.
Естественные
заземлители обладают, как правило, малым
сопротивлением растеканию тока, и
поэтому использование их для целей
заземления дает большую экономию.
Недостатками естественных заземлителей
является их доступность и возможность
нарушения непрерывности соединения
протяженных заземлителей.

По форме расположения
заземлителей заземление бывает контурное
и выносное.

В
контурном
заземлении
все электроды располагают по периметру
защищаемой территории. В выносных
( сосредоточенное или очаговое)
–заземлители располагают на расстоянии
друг от друга не менее длины электрода.

В соответствии с
требованиями механической прочности
и допустимого нагрева токами замыкания
на землю в установках напряжением свыше
1000В заземляющие стальные магистральные
проводники должны иметь сечение не
менее 120 мм2
, а в
установках до 1000В – не менее 100 мм2.

Дополнительная
информация (извлечения из ПУЭ – «Правила
устройства электроустановок», 2000г.)
приведена в Приложении 2.

2. Порядок
расчета.

2.1.
Определяют расчетный ток однофазного
короткого замыканияI3
:

I3
= U
л(35
l
к+lв)/350(А) (1)

гдеUл
линейное напряжение сети, кВ;

lк
и lв
длины электрически связанных кабельных
и воздушных линий; км.

2.2.
Рассчитывают необходимое сопротивление
заземляющего устройства Rзв
соответствии с табл. 11.
В случае, если Rзбольше
допустимого значения, то в дальнейших
расчетах Rзпринимают
равным допустимому значению.

2.3 Определяют
расчетное удельное сопротивление грунтаρр

ρр
= ρ
изм
, Ом

м

(2)

где ρизм
– удельное электрическое сопротивление
грунта, полученное измерением или из
справочной литературы (табл.2);
коэффициента
сезонности,значение
которого зависит от климатической зоны;
(для четвертой климатической зоны со
средними низшими температурами в январе
от 0 до – 5 С
и высшими в июле от +23 до +26 С=
1,3
).

При высоком удельном
сопротивлении земли применяют способы
искусственного снижения ρизмв целях
уменьшения размеров и количества
используемых электродов и площади
территории, занимаемой заземлителем.
Существенного результата достигают
химической обработкой области вокруг
заземлителей с помощью электролитов,
либо путем укладки заземлителей в
котлованы с насыпным углем, коксом,
глиной.

Определение подходящего контура

Прежде всего необходимо выбрать форму контура. Конструкция обычно выполняется в виде определенной геометрической фигуры или простой линии. Выбор конкретной конфигурации зависит от размеров и формы участка.

Наиболее распространенной схемой для создания защитного заземления выступает треугольная форма контура. По вершинам геометрической фигуры устанавливают электроды. Металлические штыри должны быть достаточно отдалены друг от друга, чтобы не препятствовать рассеиванию поступающих в них токов. Для обустройства защитной системы частного дома считается достаточным три электрода. Для организации эффективной защиты необходимо еще и правильно подобрать длину стержней.

Виды материала (профили)

Согласно требованиям ПУЭ, содержащим указания на то, каким должно быть сопротивление растекания тока в грунте, в большинстве случаев этот показатель устанавливается на уровне не более 4 Ом. Для получения этого значения обычно приходится приложить немало усилий, направленных на то, чтобы придерживаться заданных теми же требованиями технологий.

В первую очередь, это касается используемых при сборке заземляющего контура материалов, подбираемых, исходя из следующих условий:

  • При выборе штырей предпочтение должно отдаваться заготовкам из черного металла;
  • Наиболее часто применяется пруток типоразмером 16-20 мм или уголок с параметрами 50х50х5 мм и толщиной металла около 5 мм;
  • Применять в качестве элементов контура арматуру не допускается, поскольку она обладает каленой поверхностью, влияющей на нормальное стекание тока;
  • Для этих целей подходит именно чистый пруток, а не его арматурный заменитель.

Обратите внимание! Для районов с засушливым летом лучше всего подходят трубные толстостенные металлические заготовки, нижний конец которых сплющивается на конус, а затем в этой части трубы просверливаются несколько отверстий. Согласно положениям ПУЭ, перед их размещением в грунте сначала бурятся лунки нужной длины, поскольку забить их вручную достаточно проблематично

В случае особо засушливого лета и резком ухудшении параметров заземлителя в полые части труб заливается концентрированный соляной раствор, что позволяет получить такое сопротивление, какое должно быть в соответствии с требованиями ПУЭ. Длина трубных заготовок выбирается в пределах 2,5-3 метра, что вполне хватает для большинства российских регионов

Согласно положениям ПУЭ, перед их размещением в грунте сначала бурятся лунки нужной длины, поскольку забить их вручную достаточно проблематично. В случае особо засушливого лета и резком ухудшении параметров заземлителя в полые части труб заливается концентрированный соляной раствор, что позволяет получить такое сопротивление, какое должно быть в соответствии с требованиями ПУЭ. Длина трубных заготовок выбирается в пределах 2,5-3 метра, что вполне хватает для большинства российских регионов.

К этому виду профильных заготовок предъявляются особые требования, касающиеся порядка их размещения в почве и состоящие в следующем:

  • Во-первых, трубные элементы защитного контура должны размещаться на глубине, превышающей уровень промерзания грунта не менее чем на 80-100 см;
  • Во-вторых, в особо засушливых местностях примерно треть длины заземлителя должна достигать влажных слоёв почвы;
  • В-третьих, при выполнении второго условия следует ориентироваться на особенности расположения в данном регионе так называемых «грунтовых вод». В случае если они находятся на значительной глубине, по правилу, сформулированному в положениях ПУЭ, необходимо будет подготовить более длинные трубные отрезки.

С видом и профилем используемых при обустройстве заземлителя штыревых заготовок можно ознакомиться на размещённом ниже рисунке.

«Электрик»

Первый программный продукт, который хотелось бы рассмотреть, называется «Электрик». Мы уже говорили о нем, когда рассматривали лучшие программы для расчета сечения кабеля. Так вот и с вычислениями параметров заземляющего контура «Электрик» может запросто справиться. Преимущество данного продукта заключается в том, что он достаточно прост в использовании, русифицирован и к тому же есть возможность бесплатного скачивания. Увидеть интерфейс программы вы можете на скриншотах ниже:

Все, что вам нужно – задать исходные данные, после чего нажать кнопку «Расчет контура». В результате вы получите не только подробную методику вычислений с используемыми формулами, но и чертеж, на котором будет изображен готовый контур заземления. Что касается точности расчетных работ, то тут мы рекомендуем использовать только самые последние версии программы, т.к. в устаревших версиях множество недоработок, которые были устранены со временем. Если вам нужно рассчитать заземляющий контур для частного дома либо более серьезных сооружений, к примеру, котельной либо подстанции, рекомендуем использовать данный продукт.

Расчет заземления в программе Электрик показан на видео:

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.

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 грунтаПараметр сопротивление грунта в диапазоне от –5 до –20°С
Песок5000–11000
Супесь1100–1500
Влажная глина550–3000
Каменистая глина1000–12000
Известняк3000–12500
Торф500–1000
Суглинок1200–3500

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 системеКоэффициент использования
L50.7
L100.6
L150.53
L200.5
2L50.81
2L100.75
2L150.7
2L200.67
Система заземления при размещении электродов в замкнутый контур
Расстояние между электродами (где L это длинна используемого электрода)Количество заземляющих элементов в системеКоэффициент использования
L50.65
L100.55
L150.51
L200.45
2L50.75
2L100.69
2L150.66
2L200.63

При это стоит учитывать, что скорее всего полученное значение будет дробным, поэтому его необходимо будет округлить в большую сторону.

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.

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)

Наружный участок заземления можно изготовить из 4-миллиметровой полосы (ширина — 12 миллиметров).

А вот теперь непосредственно формулы

С формой контура и с размерами элементов мы определились. Теперь можно загнать требующиеся параметры в специальную программу для электриков или воспользоваться приведенными ниже формулами. В соответствии с типом заземлителей выбираем формулу для производства расчетов:

Или воспользуемся универсальной формулой для расчета сопротивление одного вертикального стержня:

Для вычислений потребуются вспомогательные таблицы с приблизительными значениями, зависящими от состава грунта, его усредненной плотности, способности удерживать влагу и от климатической зоны:

Рассчитаем количество электродов, не учитывая значение сопротивления заземляющего горизонтального проводника:

Вычислим параметры горизонтального элемента системы заземления – горизонтального проводника:

Подсчитаем сопротивление вертикального электрода с учетом значения сопротивления горизонтального заземлителя:

Согласно результатам, полученным в результате усердных вычислений, запасаемся материалом и планируем время для устройства заземления.

Ввиду того что наибольшим сопротивлением наше защитное заземление будет обладать в засушливый и морозный период, его сооружением желательно заняться именно в это время. На строительство контура при правильной организации потратить нужно будет пару дней. Перед засыпкой траншеи надо будет проверить работоспособность системы. Это лучше сделать, когда в почве меньше всего содержится влаги. Правда, зима не слишком располагает к труду на открытых площадках, и земляные работы осложняет замерзший грунт. Значит, займемся строительством системы заземления в июле или в начале августа.

Цель работы:
ознакомиться
с алгоритмом расчета защитного заземления
методом коэффициентов использования
заземлителей (электродов) по допустимому
сопротивлению системы заземления
растеканию тока.

Цель расчета:

определение основных парамертров
заземления (количества, размеров и
размещения одиночных вертикальных
заземлителей и горизонтальных заземляющих
проводников)

Итоги и выводы

Нельзя пренебрегать нормами контроля, которые призваны проверить качество заземления и работу контура в условиях полной нагрузки. Процедуры производятся как непосредственно после создания цепи, так и в процессе ее использования. Частота проверок зависит от нагрузки на сети и целей, для которых используется контур.

Нормы сопроивления при этом вовсе не отличаются. Различают три типа норм: для линий электропередач, трансформаторов и электрических установок. С повышением рабочего напряжения по экспоненте возрастает максимальная величина сопротивления. Также учитывается и ряд специфических показателей (например, удельная проводимость грунта). Исходя из нее можно получить максимальное регламентированное сопротивление.

Основными способами для увеличения эффективности работы заземлителя является использование разных конфигураций проводника. Ключевая задача заключается в том, чтобы предельно повысить площадь прямого контакта контура с землей. Для этого используется один или несколько проводников. В последнем случае их могут соединять как последовательно, так и параллельно.

Метки: заземление, полный, сопротивление, формула

« Предыдущая запись

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий