Современная бытовая техника и аппаратура требует наличия заземления. Только в этом случае производители будут поддерживать свои гарантии. Обитателям квартир приходится ждать капремонта сетей, а владельцам домов можно все сделать своими руками. Как сделать заземление в частном доме, каков порядок действий и схемы подключения — обо всем этом читайте тут.
Вообще, контуры заземления могут быть в виде треугольника, прямоугольника, овала, линии или дуги. Оптимальный вариант для частного дома — треугольник, но вполне подойдут и другие.
Заземление в частном доме — виды заземляющих контуров
Треугольник
Заземление в частном доме или на даче чаще всего делают с контуром в виде равнобедренного треугольника. Почему так? Потому что при таком строении на минимальной площади получаем максимальную площадь рассеивания токов. Затраты на устройство заземляющего контура минимальны, а параметры соответствуют номам.
Минимальное расстояние между штырями в треугольнике контура заземления — их длина, максимальное — удвоенная длина. Например, если штыри забиваете на глубину 2,5 метра, то расстояние между ними должно быть 2,5-5,0 м. В этом случае при измерении сопротивления контура заземления получите нормальные показатели.
Во время работ не всегда получается сделать треугольник строго равнобедренным — камни попадаются в нужном месте или другие труднопроходимые участки грунтов. В этом случае можно штыри сдвигать.
Линейный контур заземления
В некоторых случаях проще сделать контур заземления в виде полукруга или цепочки штырей, выстроенных в линию (если нет свободного участка подходящих размеров). В этом случае расстояние между штырями тоже равно или больше длины самих электродов.
При линейном контуре необходимо большее число вертикальных электродов — чтобы площадь рассеивания была достаточной
Недостаток такого способа — для получения нужных параметров необходимо большее количество вертикальных электродов. Так как забивать их — то еще удовольствие, при наличии мета стараются сделать треугольный контур.
Материалы для контура заземления
Чтобы заземление частного дома было эффективным, его сопротивление не должно быть больше 4 Ом. Для этого необходимо обеспечить хороший контакт заземлителей с грунтом. Проблема в том, что измерить сопротивление заземления можно только специальным прибором. Эту процедуру проводят при вводе системы в эксплуатацию. Если параметры хуже, акт не подписывают. Потому, делая заземление частного дома или дачи своими руками, старайтесь строго придерживаться технологии.
Параметры и материалы штырей
Штыри заземления обычно делают из черного металла. Чаще всего используется пруток сечением 16 мм и больше или уголок параметрами 50*50*5 мм (полочка 5 см, толщина металла — 5 мм). Обратите внимание, что арматуру использовать нельзя — ее поверхность каленая, что изменяет распределение токов, к тому же в земле она быстро ржавеет и разрушается. Нужен именно пруток, не арматура.
Еще вариант для засушливых регионов — толстостенные металлические трубы. Их нижнюю часть сплющивают в виде конуса, в нижней трети сверлят отверстия. Под их установку сверлят лунки требуемой длины, так как забить их не получится. При пересыхании грунтов и ухудшении параметров заземления, в трубы заливают соляной раствор — для восстановления рассеивающей способности грунтов.
Длинна стержней заземления — 2,5-3 метра. Этого достаточно для большинства регионов. Конкретнее есть два требования:
Конкретные параметры заземления можно высчитать, но требуются результаты геологического исследования. Если у вас таковые имеются, можно заказать расчет в специализированно организации.
Из чего делать металлосвязь и как соединять со штырями
Все штыри контура соединяются между собой металлосвязью. Ее можно сделать из:
- медного провода сечением на менее 10 мм 2 ;
- алюминиевого провода сечением не менее 16 мм 2
- стальной проводник сечением не менее 100 мм 2 (обычно полоса 25*5 мм) .
Чаще всего штыри между собой соединяются при помощи стальной полосы. Ее приваривают к уголкам или оголовкам прутка. Очень важно чтобы качество сварного шва было высоким — от этого зависит пройдет ли ваше заземление испытание или нет (будет ли оно соответствовать требованиям — сопротивление меньше 4 Ом).
При использовании алюминиевого или медного провода к штырям приваривают болт большого сечения, к нему уже крепят провода. Провод можно накрутить на болт и прижать шайбой с гайкой, можно провод оконечить разъемом подходящего размера. Главная задача та же — обеспечить хороший контакт. Потому не забудьте зачистить болт и провод до чистого металла (можно обработать шкуркой) и хорошо поджать — для хорошего контакта.
Как сделать заземление своими руками
После того как закуплены все материалы, можно приступать к собственно изготовлению контура заземления. Для начала нарезают металл на отрезки. Длина их должна быть больше расчетной примерно на 20-30 см — при забивании вершины штыре изгибаются, так что приходится их срезать.
Заточить забиваемые края вертикальных электродов — дело пойдет быстрее
Есть способ уменьшить сопротивление при забивании электродов — один конец уголка или штыря заточить под углом 30°. Этот угол оптимален при забивании в грунт. Второй момент — к верхнему краю электрода, сверху, приварить площадку из металла. Во-первых, по ней проще попасть, во-вторых, меньше деформируется металл.
Порядок работ
Независимо от формы контура, начинается все с земляных работ. Необходимо выкопать канаву. Лучше ее сделать со скошенными краями — так она меньше обсыпается. Порядок работ такой:
Собственно, на этом все. Заземление в частном доме своими руками сделали. Осталось его подключить. Для этого надо разобраться со схемами организации заземления.
Ввод контура заземления в дом
Контур заземления необходимо каким-то образом завести на шину заземления. Сделать это можно при помощи стальной полосы 24*4 мм, медной проволоки сечением 10 мм2, алюминиевым проводом сечением 16 мм2.
В случае использования проводов, их лучше искать в изоляции. Тогда к контуру приваривается болт, конец проводника надевается гильза с контактной площадкой (круглой). На болт накручивается гайка, на нее — шайба, затем провод, сверху — еще одна шайба и все это затягивается гайкой (картинка справа).
Как завести «землю» в дом
При использовании стальной полосы есть два выхода — завести в дом шину или провод. Стальную шину размером 24*4 мм тянуть очень не хочется — вид неэстетичный. Если есть — можно при помощи того же болтового соединения провести медную шину. Она нужна гораздо меньшего размера, смотрится лучше (фото слева).
Также можно сделать переход с металлической шины на медный провод (сечение 10 мм2). В этом случае к шине приваривают два болтана расстоянии в несколько сантиметров друг от друга (5-10 см). Медный провод закручивают вокруг обоих болтов, прижимая их с помощью шайбы и гайки к металлу (затягивать как можно лучше). Это способ — самый экономный и удобный. Требует не так много денег, как при использовании только медного/алюминиевого провода, провести его через стену проще, чем шину (даже медную).
Схемы заземления: какую лучше сделать
В настоящий момент в частном секторе используют только две схемы подключения заземления — TN-C-S и TT. В большинстве своем к дому подходит двухжильный (220 В) или четырехжильный (380 В) кабель (система TN-С). При такой проводке кроме фазного (фазных) провода приходит защитный проводник PEN, в котором объединены ноль и земля. На данный момент этот способ не обеспечивает должной защиты от поражения электротоком, потому рекомендуется заменить старую двухпроводную проводку на трехпроводную (220 В) или пятипроводную (380 В).
Для того чтобы получить нормальную трех- или пяти- жильную проводку необходимо провести разделение этого проводника на землю PE и нейтраль N (при этом необходим индивидуальный контур заземления). Делают это во вводном шкафу на фасаде дома или в учетно-распределительном шкафу внутри дома, но обязательно до счетчика. В зависимости от способа разделения получают либо систему TN-C-S, либо TT.
Устройство в частном доме системы заземления TN-C-S
При использовании этой схемы очень важно сделать хороший индивидуальный контур заземления. Обратите внимание, что при системе TN-C-S для защиты от поражения электрическим током необходима установка УЗО и дифавтоматов. Без них ни о какой защите речь не идет.
Также для обеспечения защиты требуется к земляной шине отдельными проводами (неразрывными) подключить все системы, которые сделаны из токопроводящих материалов — отопление, водоснабжение, арматурный каркас фундамента, канализация, газопровод (если они выполнены из металлических труб). Потому шину заземления необходимо брать «с запасом».
Для разделения PEN проводника и создания заземления в частном доме TN-C-S нужны три шины: на металлическом основании — это будет шина PE (земляная), и на диэлектрическом основании — это будет шина N (нейтрали), и маленькая шина-расщепитель на четыре «посадочных» места.
Металлическую «земляную» шину надо прикрепить к металлическому корпусу шкафа так, чтобы был хороший электрический контакт. Для этого в местах крепления, под болты, с корпуса счищают краску до чистого металла. Нулевую шину — на диэлектрическом основании — лучше крепить на дин-рейку. Такой способ установки выполняет основное требование — после разделения шины PE и N нигде не должны пересекаться (не должны иметь контакта).
Заземление в частном доме — переход с системы TN-С на TN-С-S
- Пришедший с линии проводник PEN заводится на шину-расщепитель.
- На эту же шину подключаем провод от контура заземления.
- С одного гнезда медным проводом сечением 10 мм 2 ставим перемычку на земляную шину;
- С последнего свободного гнезда ставим перемычку на нулевую шину или шину нейтрали (тоже медный провод 10 мм 2).
Теперь все — заземление в частном доме сделано по схеме TN-C-S. Далее для подключения потребителей фазу берем от вводного кабеля, ноль — с шины N, землю — с шины PE. Обязательно следим, чтобы земля и ноль нигде не пересекались.
Заземление по системе TT
Преобразование схемы TN-C в TT происходит вообще просто. От столба приходят два провода. Фазный и дальше используется как фаза, а защитный PEN-проводник крепится к «нулевой» шине и дальше считается нулем. На шину заземления напрямую подается проводник от сделанного контура.
Заземление в частном доме своими руками — схема TT
Недостаток этой системы в том, что она обеспечивает защиту только той техники, у которой предусмотрено использование «земляного» провода. Если есть еще бытовая техника, сделанная по двухпроводной схеме, она может оказаться под напряжением. Даже если корпуса их заземлить отдельными проводниками, в случае проблем напряжение может остаться на «нуле» (фазу разорвет автомат). Поэтому из этих двух схем предпочтение отдают TN-C-S как более надежной.
Модульно-штыревое заземление обеспечивает минимальное сопротивление грунта распространению в нем электрического тока. Такой способ заземления находит широкое применение в промышленных, административных зданиях, частных домах. Расскажем, как сделать его своими руками, какие правила нужно знать при работе с устройством.
Что включает в себя система?
Система продается комплектом, но при необходимости, можно приобрести его компоненты отдельно.
В комплект включены:
- Вертикальные металлические полутораметровые стержни с резьбой, обработанные медью.
- Латунные резьбовые муфты, служащие соединительными элементами между штырями.
| Муфта соединительная МС-58-11
|
- Латунные зажимы, соединяют металлический штырь с металлической полосой.
| Латунные зажимы универсальные МС-58-11 |
- Наконечники, надеваемые на стержень, вертикально вставляющийся в грунт. Существует несколько видов наконечников, предусмотренных для обычной и очень твердой почвы, значительно облегчающих погружение за счет острого нижнего конца.
| Наконечник 58-11″UNC
|
- Посадочная площадка с ударным винтом, служащая для передачи усилия от вибрационного молота.
| Посадочная площадка служит для передачи усилий от отбойного молотка на стержень. Посадочная площадка 5/8”-11 UNC
|
- Для защиты от коррозии все соединительные элементы на резьбе покрываются входящей в комплект поставки антикоррозийной графитной пастой. Она не растекается даже при сильном нагревании и служит для поддержания электрического сопротивления.
- Пластичная, влагостойкая, устойчивая к воздействию агрессивных растворов антикоррозийная лента служит для защиты от разрушения всех металлических элементов заземления.
Для обслуживания системы требуется устройство ревизионного люка.
| 1. Посадочная площадка с ударным винтом. 2.Установочная муфта. 3. Зажим, удерживающий стержень в вертикальном положении. 4. Соединительная муфта. 5. Заземляющий стержень. 5. Металлический наконечник. |
Преимущества модульной системы заземления
Система модульно-штыревого заземления отличается следующими преимуществами:
- Легкость монтажа — для установки понадобится один или два человека, минимум инструментов. Читайте также статью: → « ».
- Исключается большой объем земляных и сварочных работ, все соединения производятся через муфты. Установку можно провести за 3-4 часа.
- Занимает менее 1 кв. метра площади. Ее можно установить даже в подвальном помещении или возле стен здания.
- Срок службы составляет более 30 лет.
- Не подвержена коррозии, так как все элементы покрываются антикоррозийными смазочными веществами.
- Все детали системы изготавливаются в заводских условиях, соответственно, имеют высокое качество.
- Для установки пригодны практически любые виды грунта.
Недостатки модульно-штыревой системы
Модульно-штыревым системам также свойственны и некоторые недостатки:
- Высокая стоимость модульной заземляющей системы.
- Невозможность проведения монтажа на каменистом грунте.
- Ввод в эксплуатацию предполагает оформление акта скрытых работ, составления протокола измерений сопротивления, а также разработку технического паспорта со схемой заземления. Документы необходимо хранить на протяжении всего срока использования. Читайте также статью: → « ».
Монтаж системы своими руками
Монтаж можно выполнить с привлечением специалистов или собственными силами. Для выполнения работ потребуются:
- отбойный молоток или перфоратор, значительно упрощающий установку устройства;
- измеритель сопротивления.
Этапы установки системы:
- Рассчитываем необходимую глубину залегания, определяемся с требуемым количеством стержней и величиной их погружения в грунт.
- Отступив на 1,5 м от стены здания, роем яму шириной, длиной и глубиной по 20 см, отступив на полтора метра от стены.
- Вблизи места проведения монтажных работ устанавливаем измеритель сопротивления, на расстоянии 10 и 25 метров от него забиваем в грунт измерительные электроды, подключаем прибор.
Совет №1. Если нет возможности измерить сопротивление после установки каждого штыря, можно заглубить систему на более низкий уровень от 15 до 30 метров, и вызвать представителей лаборатории, которые произведут все необходимые замеры и оформят документацию.
Схема расположения электродов при модульно-штыковой системе - Подготавливаем устройство. Обрабатываем резьбу с обеих сторон графитной пастой (или аналогичным составом). Надеваем наконечник на резьбу, на второй конец устанавливаем соединительную муфту. Накручиваем посадочную ударную насадку, которая будет контактировать с вибрационным молотом. Удерживать стержень в вертикальном положении будет специальный зажим.
- Вставляем в яму наконечником вниз подготовленный стержень. Используя отбойный молоток, заколачиваем стержень в землю, оставив 20 см над поверхностью для стыковки со вторым стержнем. Снимаем посадочную ударную насадку.
- Измеряем сопротивление, соединив измеритель со стержнем.
- Обрабатываем муфту токопроводящей антикоррозийной пастой и вкручиваем в нее следующий стержень, а на него снова муфту, обработанную пастой. Устанавливаем насадку и вколачиваем в землю по той же схеме с использованием молота. Измеряем сопротивление. Вновь наращиваем стержень, повторяя это действие до тех пор, пока сопротивление не достигнет 4 Ом.
- Последний штырь забиваем на такую глубину, чтобы из него можно было выкрутить муфту, и оставляем над землей около 10 см.
Готовое модульно-штыревое заземление - Далее соединяем вертикальный заземлитель с горизонтальным заземляющим проводником. Зажим состоит из трех пластин, имеет четыре крепления на болтах. В нем предусмотрены разъемы под заземляющий стержень, кабель и стальную полосу. На наружный конец штыря привинчиваем зажим — той стороной, которая предназначена под стержень. На другую сторону зажима привинчиваем болтом кабель или металлическую полосу, укладывая между ними пластину, защищающую от коррозии контактирующие между собой элементы. Все болтовые соединения обрабатываем пластичной влагостойкой лентой.
- Устанавливаем ревизионный люк.
Совет №2. Вместо готового ревизионного люка, имеющего достаточно большие размеры, можно использовать канализационную муфту. Снизу на муфту крепится заглушка из фанеры с отверстием под стержень.
Если позволяет грунт, то штыри можно углубить до 40 метров. При невозможности погружения стержней в грунт на необходимую глубину, следует выполнить монтаж обычных заземлителей. Их количество будет зависеть от сопротивляемости почвы.
С помощью модульной системы можно выполнить различные виды заземления: на одну точку, очаговое, гребенчатое, многоточечное. Способ установки выбирается в зависимости от типа почвы и площади участка для монтажа.
Устройство так называемого заглубленного контура заземления внешне представляет собой электроды - металлические стержни, которые забиты в землю и соединены меж собой. Наиболее эффективной считается конструкция, в которой электроды располагаются в одну линию. Однако при благоприятных условиях вполне сгодится и конструкция, в которой стержни располагаются треугольником.
Устройство заземления в случае расположения штырей в одну линию
Устройство заземления в случае расположения штырей в виде треугольника
Расположение треугольником несколько хуже, поскольку электроды гораздо больше друг друга экранируют, а это значит, расход материала при организации такой конструкции при остальных равных условиях станет больше. С иной стороны на небольшом расстоянии треугольное расположение значительно уменьшает число земляных работ, и между собой соединять штыри с шиной значительно удобнее в яме треугольной формы, нежели в узкой траншее. 
Конструкция контура глубинного заземления с помощью уголка: 1. Уголок из стали 50 на 50 на 5 миллиметров, 2. соединительная полоска из стали 50 на 5 миллиметров, 3. Стальная шина заземления 50 на 5 миллиметров.
Расстояние заземлительного контура от домовых стен должно быть не менее 1-ного метра.
Электроды заземления следует закопать на приличную глубину возможного промерзания грунта. Всё дело в том, что будучи замерзшим грунт весьма плохо проводит электрический ток. В частности, при замерзании самого верхнего грунтового слоя высотой полметра, сопротивление его увеличивается приблизительно в десять раз, а на глубине около метра - раза в три. Летом же поверхностные слои грунта (примерно до метра глубиной) заметно высыхают, что довольно резко повышает показатели его сопротивления. Потому и необходимо поглубже закапывать электроды в так называемые стабильные почвенные слои, которые залегают на глубине 1-2 метров. На подобной глубине грунтовые параметры грунта почти не меняются в течение всего года.
Конечно, вполне можно взять и более длинные электроды из металла, однако это увеличит материальный расход. Расчет заземлительного контура приведен в статье под названием «Расчёт заземления» на нашем ресурсе. Кроме того, стоит отметить, что забить вручную в землю стержни заземлителя свыше 2,5 метров длиной бывает довольно-таки проблематично.
Таблица 1-вая Коэффициенты применения 3-ёх электродов, которые размещены в ряд 
Арматура Строительная не подходит для заземлительных стержней
В таблице 1-вой видно, каким образом расстояние меж 3-емя стержнями оказывает влияние на коэффициент их применения. Отношение расстояния меж стержнями является отношением используемой стержневой длинны к расстоянию меж ними. К примеру, если взять пару электродов длинной 2,5 метра, полностью углублённых в землю на необходимую глубину промерзания (используется вся их длина) и расположить их на расстоянии два с половиной метра от друг друга, то отношение их будет равно 1=2,5/2,5.
Глядя на таблицу, можно сделать такой вывод, что самое оптимальное расстояние меж стержнями заземлительного контура бывает равно обычно их длине. При увеличенном расстоянии эффективностный прирост будет небольшим при довольно большом объёме работ на земле и расходе материала на проведение соединения стержней шиной.
Для производства глубинных электродов использовать можно любые материалы, имеющие минимальные размеры, указанные в таблице 2.
Следует обратить внимание, что в таблице 2 не присутствует арматуры с так называемым периодическим профилем, которую обычно применяют для выполнения армирования бетона. Стержни такого рода арматуры совершенно не подходят для глубинного заземления, поскольку при вбивании в землю они разрыхляют её возле себя, что ведет к повышению сопротивления.
Таблица 2-рая Минимальные размеры электродов заземляющих с точки зрения механической и коррозионной стойкости
Материал | Поверхность | Минимальный размер |
||||
Диаметр, мм | Площадь сечения, мм 2 | Толщина, мм | Толщина покрытия, мк |
|||
Черный 1 металл без антикоррозионного покрытия | Прямоугольный 2 | |||||
Горячего цинкования 5 или нержавеющая сталь 5,6 | Прямоугольный | |||||
Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | ||||||
Круглая проволока для поверхностных электродов 4 | ||||||
В медной оболочке | Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | |||||
С гальваническим медным покрытием | Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | |||||
Без покрытия 5 | Прямоугольный | |||||
Круглый провод Для поверхностных электродов 4 | ||||||
каждой проволоки | ||||||
Луженная | каждой проволоки | |||||
Оцинкованная | Прямоугольный 9 | |||||
1 Срок службы 25-30 лет при скорости коррозии в нормальных грунтах 0,06 мм/год. 2 Прокат или нарезанная полоса со скругленными краями. 3 Заземляющие электроды рассматриваются как заглублённые, когда они установлены на глубине более 0,5 м. 4 Заземляющие электроды рассматриваются как поверхностные, когда они установлены на глубине не более 0,5 м. 5 Может так же использоваться для электродов, уложенных (заделанных) в бетоне. 6 Применяется без покрытия. 7 В случае использования проволоки, изготовленной методом непрерывного горячего цинкования, толщина покрытия в 50 мк принята в соответствии с настоящими техническими возможностями. 8 Если экспериментально доказано, что вероятность повреждения от коррозии и механических воздействий мала, то может использоваться сечение 16 мм 2 . 9 Нарезанная полоса со скруглёнными краями. |
||||||
Хомуты оцинкованные для проведения скрепления заземлителей
Осуществление соединения оцинкованного стержня с также оцинкованной полосой с помощью хомута на болтах
С целью соединения контурных стержней с шиной заземления и соединителями используются два способа:
В случае использования оцинкованного проката можно применять соединение без применения сварки, при помощи обжимных резьбовых хомутов. Причём место соединения обязательно должно быть защищенным от коррозии при помощи антикоррозийного бинта, либо обмазки горячим битумом;
При применении проката из черной стали без каких-либо покрытий он соединяется с помощью использования дуговой электросварки.
Проведение антикоррозийной обработки соединения на хомутах
Касаемо провода (так называемый защитный проводник), что подключают непосредственно к заземляющей конструкции (то есть к шине заземления), лучше всего применять провод из меди. Размер минимального сечения заземляющего провода следует выбирать по таблице 3. К примеру, если попросту подключить провод из меди к стальной шине при помощи резьбового оцинкованного соединения, причём соединение находится в распределительной пластиковой коробке, сам же провод скрыт в пластиковой гофре, то такого рода подключение надо считать плохо защищённым от коррозийного воздействия, поскольку оно напрямую контактирует с воздухом. Однако соединение заземлительного контура такого рода и проводника защищено механически, а значит минимально возможное сечение провода из меди будет равным 10 миллиметрам2. Детали по обустройству защитного домового заземления собственноручно приведены в статье под названием «Монтаж контура заземления самостоятельно».
Модульное заземление - это проект, созданный специально для монтажа заземлителей на жилых объектах, к примеру, таких как загородные частные дома, дачные домики, а также для промышленных и административных объектов.
Практика монтажа модульного заземляющего контура.
Модульный заземлитель - это сборная конструкция, состоящая из стальных, специально обработанных медью штырей, каждый длиной в 1,5 метра. Эти штыри объединены в единый заземляющий контур заземления объекта.
Длина сборного заземляющего штыря может достигать глубины порядка 30 - 40 метров. Заземляющие 1,5 метровые штыри имеют на концах резьбу, посредством которой и соединительных муфт между ними, появляется возможность по мере продвижения сборного заземляющего штыря в глубину - наращивать его следующим штырем и т.д.
Монтаж вертикального штыря-заземлителя в глубину, делается следующим образом. Первый штырь оборудуется снизу стальным наконечником, а на его верхнюю часть навинчивается монтажная муфта с насадкой под вибромолот. Для ударов по насадке используют молот или перфоратор, а для удержания штыря в вертикальном положении - используется специальный зажим.
При вхождении первого штыря в землю на длину примерно 1,3 - 1,4 метра, монтажная муфта с насадкой под вибромолот снимается, а вместо них через соединительную муфту навинчивается второй штырь. Спецзажим для удержания штыря в вертикальном положении подвигается вверх по вновь смонтированной конструкции, а ее верх снова оборудуется монтажной муфтой и насадкой под молот и процесс забивания заземляющего штыря продолжается.
Схема модульного штыря-заземлителя, показана на нижеприведенной схеме, где:
1. Насадка под молот или вибромолот.
2. Муфта монтажная.
3. Зажим для удержания заземляющего штыря в вертикальном положении.
4. Соединительная муфта.
5. Заземляющий стержень.
6. Стальной наконечник.
Таких модульных заземлителей для заземляющего контура монтируется несколько (согласно проекта), а далее они между собой соединяются, посредством медной полосы или проволоки с использованием зажимов, в единый контур заземления. При установке зажимов, данные места предварительно обрабатываются токопроводящей пастой, а после полного монтажа всего контура заземления - он подвергается антикоррозионной покраске.
Замер сопротивления монтируемого вертикального штыря возможен на этапе монтажа каждого, вновь навернутого 1,5 метрового штыря, а срок эксплуатации такого модульного заземляющего контура составляет примерно 30 лет.
Достоинства модульного заземления.
Под "заземлением " понимается электрическое соединение оборудования, приборов к заземляющему устройству, которое в свою очередь связано с грунтом (землей). Целью заземления является выравнивание потенциала оборудования, цепей и потенциала земли. Заземление обязательно к применению на всех энергообъектах для обеспечения безопасности работников и оборудования от действия токов короткого замыкания. При возникновении пробоя ток КЗ по цепи заземляющего устройства стекает на землю. Время прохождения тока ограничивается действием релейной защиты и автоматики. При этом обеспечивается сохранность оборудования, а также безопасность работников в части поражения электрическим током.
Для защиты электронной аппаратуры от электростатических потенциалов и ограничения величины напряжения корпуса оборудования в целях безопасности обслуживающего персонала, сопротивление идеальной цепи заземления должно стремиться к нулевому значению. Однако на практике добиться этого нереально. Учитывая данное обстоятельство в современных стандартах безопасности заданы достаточно низкие допустимые значения сопротивления цепей заземления.
Сопротивление заземляющего устройства
Полное сопротивление заземляющего устройства слагается из:
- Сопротивления металла электрода и сопротивление в месте контакта заземляющего проводника и заземляющего электрода.
- Сопротивления в области контакта электрода и грунта.
- Сопротивления земли по отношению к протекающим токам.
На Рис. 1 приведена схема размещения заземляющего электрода (штыря) в грунте.
Как правило, штырь для обустройства заземления изготавливают из металла, проводящего электрический ток (сталь или медь) и маркируют соответствующей клеммой. Поэтому для практических расчётов можно пренебречь величиной сопротивления заземляющего штыря и места контакта с проводником. По результатам проведённых исследований было установлено, что при соблюдении технологии монтажа заземляющего устройства (плотный контакт электрода с землей и отсутствие на поверхности электрода посторонних примесей в виде краски, масла и пр.) в виду небольшого значения можно не учитывать сопротивление в месте контакта заземляющего электрода с землёй.
Сопротивление поверхности грунта – это единственная составляющая полного сопротивления заземляющего устройства, рассчитывающаяся при конструировании и установке заземляющих устройств. На практике считают, что электрод для заземления находится среди одинаковых слоев грунта, располагающих в виде концентрических поверхностей. У самого ближнего слоя - наименьший радиус и поэтому минимальная площадь поверхности и наибольшее сопротивление.
При удалении от заземляющего электрода у каждого последующего слоя увеличивается поверхность и уменьшается сопротивление. На некотором расстоянии от электрода сопротивление слоев грунта становится настолько малым, что его значение не берется для расчётов. Область грунта, за пределами которой сопротивление представляет собой незначительную величину, называется областью эффективного сопротивления. Размер данной области находится в непосредственной зависимости от глубины погружения в грунт заземляющего электрода.
Теоретическое значения сопротивления грунта вычисляется по общей формуле:
где ρ – величина удельного сопротивления грунта, Ом*см.
L – толщина слоя грунта, см.
A – площадь концентрической поверхности грунта, см2.
Данная формула наглядно объясняет, почему происходит уменьшение сопротивления каждого слоя грунта при удалении от заземляющего электрода. При расчете сопротивления грунта его удельное сопротивление принимают за постоянную величину, однако на практике величина удельного сопротивления меняется в определенных пределах и зависит от конкретных условий. Формулы для нахождения сопротивления заземления при большом числе заземляющих электродов имеют сложной вид и позволяют найти только приблизительное значение.
Чаще всего сопротивление заземления штыря определяют по классической формуле:
где ρ – среднее значение удельного сопротивления грунта, Ом*см.
R – сопротивление заземления электрода, Ом.
L – глубина расположения заземляющего электрода, см.
r – радиус заземляющего электрода, см.
Влияние размеров заземляющего электрода и глубины его заземления на значение сопротивления заземления
Поперечные размеры заземляющего электрода в незначительной степени влияют на сопротивление заземления. При увеличении диаметра штыря заземления отмечается небольшое снижение сопротивления заземления. Например, если диаметр электрода увеличить в 2 раза (Рис. 2), то сопротивление заземления уменьшится меньше, чем на десять процентов.
Рис. 2. Зависимость сопротивления заземляющего штыря от диаметра его сечения, измеренного в дюймах
При увеличении глубины размещения заземляющего электрода сопротивление заземления снижается. Теоретически доказано, что увеличение глубины в два раза позволяет уменьшить сопротивление на целых 40%. В соответствии со стандартом NEC (1987, 250-83-3) для обеспечения надёжного контакта с землёй следует погружать штырь на глубину не менее 2,4 метра (Рис. 3). Во многих случаях штырь, заземленный на три метра, полностью удовлетворяет актуальным требованиям стандартов NEC.
Согласно стандартов NEC (1987, 250-83-2) минимально допустимый диаметр стального заземляющего электрода составляет 5/8 "" (1,58 см), стального электрода с медным покрытием или электрода из меди – 1/2 "" (1,27 см).
На практике используют следующие поперечные размеры заземляющего штыря при его общей длине равной 3 метрам:
- Обычный грунт – 1/2 "" (1,27 см).
- Сырой грунт – 5/8 "" (1,58 см).
- Твёрдый грунт – 3/4 "" (1,90 см).
- При длине штыря более 3 метров – 3/4 "" (1,91 см).
Рис. 3. Зависимость сопротивления заземляющего устройства от глубины заземления (по вертикали – величина сопротивления электрода (Ом), по горизонтали – глубина заземления в футах)
Влияние удельного сопротивления грунта на величину сопротивления заземления электрода
Приведенная выше формула показывает, что величина сопротивления заземления зависит от глубины нахождения и площади поверхности заземляющего электрода, а также от значения удельного сопротивления грунта. Последняя величина является основным фактором, определяющим сопротивление заземления и глубину заземления электрода, необходимых для обеспечения минимального сопротивления. Удельное сопротивление грунта зависит от времени года и точки земного шара. Наличие в почве электролитов в виде водных растворов солей и электропроводящих минеральных веществ в большой степени влияет на сопротивление грунта. У сухой почвы, не содержащей растворимых солей, сопротивление будет достаточно высоким (Рис. 4).
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления грунта (минимальное, максимальное и среднее) от вида почвы
Факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление грунта
При крайне низком содержании влаги (близком к нулю) песчаный суглинок и обычная земля имеют удельное сопротивление свыше 109 Ом*см, что позволяет относить такие почвы к классу изоляторов. Увеличение влажности почвы до 20 ... 30% способствует резкому снижению удельного сопротивление (Рис. 5).
Рис. 5. Зависимость удельного сопротивления грунта от содержания влаги
Удельное сопротивление грунта зависит не только от содержания влаги, но и от его температуры. На Рис. 6 показано изменение удельного сопротивления песчаного суглинка с влажностью 12,5% в температурном диапазоне +20 °С до –15°С. Удельное сопротивление почвы при понижении температуры до – 15 °С возрастает до 330 000 Ом*см.
Рис. 6. Зависимость удельного сопротивления грунта от его температуры
На Рис. 7 показаны изменения удельного сопротивления грунта, зависящие от времени года. На значительных глубинах от поверхности земли температура и влажность грунта достаточно стабильны и меньше зависят от времени года. Поэтому система заземления, в которой штырь находится на большей глубине, будет более эффективна в любое время года. Превосходные результаты достигаются при достижении заземляющего электрода до уровня грунтовых вод.
Рис. 7. Изменение сопротивления заземления в течение года.
В качестве заземляющего устройства взята водопроводная труба (¾""), расположенная в каменистом грунте. Кривая 1 (Curve 1) показывает изменение сопротивления грунта на глубине 0,9 метра, кривая 2 (Curve 2) – на глубине 3 метра.
В отдельных случаях отмечается экстремально высокое значение удельного сопротивления грунта, что требует создания сложных и дорогостоящих систем защитного заземления. В данном случае нужно устанавливать штырь заземления небольших размеров, а для снижения сопротивления заземления периодически добавлять в окружающий грунт растворимые соли. На Рис. 8 показано значительное снижение сопротивления почвы (песчаный суглинок) при увеличении концентрации содержащихся солей.
Рис. 8. Связь между сопротивлением грунта и содержанием соли (песчаный суглинок с влажностью 15% и температурой +17 оС)
На рис. 9 показана зависимость между удельным сопротивлением грунта, который насыщен раствором соли, и его температурой. При использовании заземляющего устройства в подобных грунтах, штырь заземления должен иметь защиту от влияния химической коррозии.
Рис. 9. Влияние температуры грунта, пропитанного солью, на его удельное сопротивление (песчаный суглинок – содержание соли 5%, воды 20%)
Зависимость величины сопротивления заземляющего устройства от глубины зазеления электрода
Для определения необходимой глубины расположения заземляющего электрода будет полезна номограмма заземления (Рис. 10).
Например, для получения значения заземления в 20 Ом в грунте, имеющим удельное сопротивление 10 000 Ом*см, необходимо использовать металлический штырь диаметром 5/8 "" заглубленный на 6 метров.
Практическое использование номограммы:
- Задать нужное сопротивление заземленного штыря по шкале R.
- Отметить на шкале Р точку фактического удельного сопротивления грунта.
- Провести до шкалы К прямую линию через заданные точки на шкале R и Р.
- В месте пересечения со шкалой K отметить точку.
- Выбрать требуемый размер заземляющего штыря по шкале DIA.
- Через точки на шкале K и на шкале DIA провести прямую линию до пересечения шкалы D.
- Пересечение данной прямой со шкалой D даст искомую величину заглубления штыря.
Рис. 10. Номограмма для выполнения расчёта заземляющего устройства
Измерение удельного сопротивления грунта при помощи прибора TERCA2
Имеется земельный участок большой площади.
Задача – найти место с минимальным сопротивлением и оценить глубину нахождения слоя грунта с наименьшим удельным сопротивлением. Среди различных видов грунта, встречающихся на данном участке, минимальное сопротивление будет у влажного суглинка.
После детального обследования участка зона поиска сужается до 20 м2. Исходя из требований к системе заземления, необходимо определить сопротивление грунта на глубине 3 м (300 см). Расстояние между крайними заземляющими штырями будет равняться глубине, для которой производится измерение среднего удельного сопротивления (в данном случае 300 см).
Для использования упрощённой формулы Веннера
заземляющий электрод должен находиться на глубине порядка 1/20 расстояния между электродами (15 см).
Установка электродов выполняется по специальной схеме, приведённой на Рис. 11.
Пример подключения тестера заземления (Мод. 4500) показан на Рис. 12.
Рис. 11. Установка заземляющих электродов по сетке
- Снять перемычку, с помощью которой замыкаются выводы Х и Х V (C1 и P1) измерительного прибора.
- Подключить тестер к каждому из 4-х штырей (Рис. 11).
Пример
.
Тестер показал сопротивление R = 10 Ом.
Расстояние между электродами А = 300 см.
Удельное сопротивление определяется по формуле ρ = 2 π *R*A
Подставив исходные данные получим :
ρ = 2 π * 10 * 300 = 18 850 Ом см.
Рис. 12. Схема подключения тестера
Измерение напряжения прикосновения
Важнейшей причиной для проведения измерения напряжения прикосновения является получение достоверной оценки о безопасности персонала подстанции и по защите оборудования от воздействия токов высокого напряжения. В отдельных случаях степень электробезопасности оценивается по другим критериям.
Заземляющие устройства в виде отдельного штыря или решетки электродов, требуют периодического осмотра и проверки измерения сопротивления, которое выполняется в следующих случаях:
- Устройство заземления имеет компактные размеры и его можно временно отключить.
- При угрозе возникновения электрохимической коррозии заземляющего электрода, вызванной низким удельным сопротивлением грунта и постоянными гальваническими процессами.
- При низкой вероятности пробоя на землю недалеко от проверяемого устройства заземления.
В качестве альтернативного способа определения безопасности технологического оборудования подстанции используется измерение напряжения прикосновения. Данный способ рекомендован в следующих случаях:
- При невозможности отключения заземляющего устройства для проведения измерений сопротивления заземления.
- В случае угрозы возникновения пробоев на землю вблизи от проверяемой системы заземления или поблизости от оборудования, подключенного к проверяемой системе заземления.
- Когда контур оборудования, находящийся в контакте с грунтом, сравним по своей площади с размером заземляющего устройства, подлежащего проверке.
Необходимо отметить, что измерение сопротивления заземления при помощи метода падения потенциала или замеры напряжения прикосновения не позволяют сделать достоверный вывод о способности проводника заземления выдерживать значительные токи при утечке тока с фазного на заземляющий проводник. Для этой цели необходим иной метод, при котором используется проверочный ток значительной величины. Измерение напряжения прикосновения выполняется при помощи четырёхточечного тестера заземления.
В процессе измерения напряжения прикосновения прибор создаёт в грунте небольшое напряжение, которое имитирует напряжение при неисправности электрической сети вблизи от проверяемой точки. Тестер показывает значение напряжения в вольтах на 1 А тока, протекающего в цепи заземления. Чтобы определить наибольшее напряжение прикосновения, которое может возникнуть в экстремальном случае, следует умножить полученное значение на максимально возможную силу тока.
Например, при проверке системы заземления с наибольшим возможным током неисправности в 3000 А, тестер выдал значение 0,200.
Следовательно, напряжение прикосновения составит
U = 3000 A * 0,200 = 600 В.
Измерение напряжения прикосновения во многом напоминает метод падения потенциала: в каждом случае необходимо устанавливать в землю вспомогательные электроды заземления. Однако расстояние между электродами будет отличаться (Рис. 22).
Рис. 13. Схема проводника заземления (общий случай для электросети промышленного назначения)
Рассмотрим характерный случай. Вблизи подстанции подземный кабель получил повреждение изоляции. Через это место в грунт потекут токи, которые направятся к системе заземления подстанции, где создадут высокую разность потенциалов. Высокое напряжение тока утечки может представлять существенную угрозу для здоровья и жизни персонала подстанции, находящегося на опасном участке.
Для измерения приблизительного значения напряжения прикосновения, возникающего в данном случае, следует выполнить ряд действий:
- Подключить кабеля между металлическим ограждением электрической подстанции и точками Р1 и С1 четырёхточечного тестера заземления.
- Установить заземляющий электрод в грунте в том месте, где наиболее вероятен пробой кабеля.
- Подключить электрод ко входу С2 тестера.
- На прямой между первым электродом и местом подключения к ограждению установить в землю дополнительный электрод. Рекомендуемое расстояние от точки установки этого электрода до места подключения к ограждению равно одному метру.
- Подключить данный электрод к точке Р2 тестера.
- Включить тестер, выбрать диапазон 10 мА, зафиксировать показания прибора.
- Для получения значения напряжения прикосновения умножить показания тестера на максимальную величину тока.
Чтобы получить карту распространения потенциала напряжения необходимо устанавливать электрод (разумеется, подключенный к выводу Р2 тестера) в различные места вблизи ограждения, находящиеся рядом с неисправной линией.
Измерение сопротивления заземления прибором "С.А. 6415" с использованием токовых клещей
Измерение сопротивления заземления с помощью токовых клещей относится к новому, весьма эффективному методу, позволяющему проводить измерения при включённой системе заземления. Также данный метод обеспечивает уникальную возможность измерения общего сопротивления устройства заземления, включая определение сопротивления соединений в действующей системе заземления.
Принцип работы прибора С.А. 6415
Рис. 14. Схема проводника заземления (общий случай для электросети промышленного назначения)
Рис. 15. Принцип работы заземляющего проводника
Классическое заземляющее устройство для электрической сети промышленного назначения можно представить в виде принципиальной схемы (Рис. 23) или в виде упрощенной схемы работы заземляющего проводника (Рис. 24).
Если на одном из участков цепи с сопротивлением RX при помощи трансформатора подать напряжение E, то через данную цепь пойдет электрический ток I.
Данные величины связаны между собой соотношением:
Измерив силу тока I при известном постоянном значении напряжения Е, можно определить сопротивление RX.
На приведенных схемах (Рис. 23 и 24) для генерации тока используется специальный трансформатор, подключенный к источнику напряжения через усилитель мощности (частота 1,6 кГц, постоянная амплитуда). Возникший ток регистрируется синхронным детектором в образующемся контуре, далее усиливается при помощи избирательного усилителя и после преобразования через аналогово-цифровое устройство отображается на дисплее прибора.
Типовые примеры измерения сопротивления заземления в реальных условиях
1. Измерение сопротивления заземления трансформатора, установленного на столбе ЛЭП
Порядок проведения измерений:
- С заземляющего проводника снять защитную крышку.
- Обеспечить необходимое пространство для свободного охвата токовыми клещами проводника или штыря заземления.
- Клещи должны подключаться на пути прохождения тока от нейтрального или заземляющего провода к штырю заземления (системе штырей).
- На приборе выбрать измерение тока «А».
- Захватить токовыми клещами проводник заземления.
- Определить значения тока в проводнике (максимальный допустимый ток составляет 30 А).
- При превышении данного значения прекратить измерение сопротивления.
- Отключить прибор от этой точки и выполнить замеры в других точках.
- Если значение тока не превышает 30 А, следует выбрать режим «?».
- На дисплее прибора будет показан результат замеров в Омах.
Полученное значение включает общее сопротивление системы заземления, куда входят: сопротивление контакта нейтрального провода со штырем заземления, а также локальные сопротивления всех соединений между штырем и нейтралью.
Рис. 16. Измерение сопротивления заземления на столбе ЛЭП
Рис. 17. Измерение заземления трансформатора, установленного на опоре линии электропередач (заземление в виде группы штырей)
Рис. 18. Измерение заземления трансформатора, установленного на опоре линии электропередач (для заземления используется металлическая труба)
Согласно схеме, приведенной на Рис. 25, для заземления используется торец столба и штырь, находящийся в грунте. Для корректного измерения общего сопротивления заземления следует подключать токовые клещи в точке, находящейся выше места соединения заземляющих проводников, проложенных от заземляющего штыря и торца столба.
Причиной повышенного значения сопротивления заземления может быть :
- Некачественное заземления штыря.
- Отключённый проводник заземления
- Высокие значения сопротивления в области контактов проводников или в точке сращивания заземляющего провода.
- Следует внимательно осмотреть токовые клещи и места соединений на конце штыря на предмет отсутствия значительных трещин на стыках.
2. Измерение сопротивления заземления на распределительной коробке или на счетчике электроэнергии
Методика проведения измерений заземления на распределительной коробке и на электросчётчике схожа с той, что рассмотрена при измерении заземления трансформатора. Схема заземления может состоять из группы штырей (Рис. 26) или в качестве заземляющего проводника может применяться металлическая водопроводная труба, имеющая контакт с грунтом (Рис. 27). При измерении заземления сопротивления можно использовать оба вида заземления одновременно. Для этого необходимо подобрать оптимальную точку на нейтрали, чтобы получить корректное значение общего сопротивления системы заземления.
3. Измерение сопротивления заземления на трансформаторе, установленном на площадке
При проведении замеров заземления на трансформаторной подстанции необходимо помнить:
- На этом энергообъекте всегда присутствует высокое напряжение, опасное для жизни человека
- Нельзя открывать ограждение трансформатора.
- Все работы могут выполняться только квалифицированными специалистами.
- При проведении замеров следует соблюдать требования мер безопасности и охраны труда.
Рис. 19. Измерения величины заземления на трансформаторе, размещенного на специальной площадке
Порядок проведения измерений :
- Определиться с количеством заземляющих штырей.
- При расположении штырей заземления внутри ограждения, измерения производить по схеме, показанной на Рис. 28.
- При расположении заземляющих штырей вне зоны ограждения – использовать схему, приведённую на Рис. 29.
- При наличии одного штыря заземления, находящегося внутри ограждения, необходимо подключиться к заземляющему проводнику в точке, расположенной после контакта этого проводника со штырем заземления.
- Использование токовых клещей мод. 3730 и 3710, подключенных непосредственно к штырю заземления, в большинстве случаев обеспечивает лучшие результаты измерений.
- Во многих случаях, к зажиму на штыре подключены несколько проводников, идущих к нейтрали или внутрь заграждения.
- Токовые клещи следует подключать в той точке, через которую проходит единственный путь для тока, протекающего в нейтральный проводник.
При получении низких значений сопротивления, следует переместить точку проведения замеров как можно ближе к штырю заземления. На рис. 29 показан заземляющий штырь вне зоны заграждения. Для обеспечения корректных замеров необходимо выбрать точку подключения токовых клещей в соответствии со схемой, показанной на Рис. 29. При наличии внутри ограждения нескольких заземляющих штырей, следует определиться с их подключением, чтобы выбрать оптимальную точку для измерений.
Рис. 20. Выбор правильной точки для измерения заземления
4. Передающие стойки
При проведении замеров заземления на передающих стойках следует помнить, что существует множество различных конфигураций заземляющих устройств, что вносит определённые сложности при оценке проводников заземления. На Рис. 30 приведена схема заземления одиночной стойки на фундаменте из бетона с внешним заземляющим проводником.
Место подключения токовых клещей выбирается выше точки соединения элементов заземления, которые могут иметь конструкцию в виде группы пластин, штырей или представлять собой конструктивные элементы фундамента стойки.
Рис 21. Измерение сопротивления заземления передающей стойки
