Расчет заземления частного дома, здания, подстанции, электрооборудования, молниезащиты, кабелей, цеха: ГОСТ, пример

Провод заземления жёлтый с салатовой полосой. Каждый, кто своими руками монтировал хоть раз проводку в своём доме, задавался вопросом: «А зачем, собственно, он нужен?». Так ли важно усложнять конструкцию, нести лишние затраты? С какой целью делается заземление и как смонтировать его правильно, чтобы оно выполняло возложенные задачи?

От чего спасает людей заземление?

Никакого другого электричества, кроме атмосферного, в жизни наших далёких предков не было. И первые системы заземлений служили только для защиты от молний. Находки, которые можно классифицировать как молниеотводы, обнаружены археологами при раскопках древнеегипетских поселений. Это некие длинные медные прутья, одним концом погружённые в грунт и возвышающиеся над зданиями.

Сохранились свидетельства, что ещё Рамзес третий приказывал устанавливать мачты, украшенные драгоценными металлами, для защиты храмов от молний. Однако после о громоотводах ничего не было слышно вплоть до восемнадцатого века, когда они получили широкое распространение и были научно обоснованы.

Однако с развитием технологий, основанных на использовании электричества, перед учёными встал вопрос о защите человека от поражающих факторов электрического тока, но на этот раз не атмосферного, а «домашнего», сгенерированного машинами, построенными самим же человеком. Решение оказалось лежащим на поверхности.

Действительно, заземление – практически точная копия конструкции молниеотвода. Из опасной зоны ток отводится в землю с помощью фидера – металлического стержня, проволоки, кабеля. При помощи заземления защищают электрические агрегаты, домашние сети, бытовую и промышленную технику. В случаях, когда на объектах электроснабжения случается пожар, насосы пожарных автомобилей и даже ручные стволы (брандспойты), которыми пожарные бойцы тушат пожар, заземляются при помощи специальных устройств.

Принцип защитного действия заземления

Принцип действия заземления чрезвычайно прост. В чём поражающая (разрушающая) сила электрического тока? Всё начинается с того, что в одном месте при создании особых условий скапливается очень большое количество отрицательно заряженных частиц – электронов. Но так как все в природе стремится к равновесию, то этот избыток частиц стремится туда, где их мало. Звучит не слишком пугающе, но когда поток электронов несётся к земле от наэлектризованных облаков, они, эти крохотные частички, умудряются нагревать слои атмосферы до миллионов градусов.

Изобретатели научились пускать этот поток в мирное русло – по электрическим проводам. Проходя через проволоку, электроны заставляют её нагреваться, иногда от нагрева ярко светиться, или создавать электромагнитные поля, приводящие в движение роторы мощных моторов.

Но машины иногда выходят из строя и поток электронов, ища себе путь, прокладывает его через тело человека. Заземление всего-навсего лишь предоставляет заряженным частицам, если так можно выразиться, альтернативный путь – более удобную дорогу с меньшим сопротивлением.

Таким образом, большая часть электронов проходит по заземляющему контуру, уменьшая силу тока, проходящего через человеческое тело. Установка и правильный расчёт заземления молниезащиты – необходимое условие безопасности проживающих в доме.

Требования к системам заземления

Если расчёт заземления частного дома, как и решение о необходимости его монтажа всецело лежит на совести владельца, то о производственных зданиях и помещениях этого не скажешь. Так, согласно существующим правилам устройства электроустановок, наличие и характеристики заземлительной системы зависят не только от напряжения, под которым работают машины, но также и от микроклимата.

Расчёт заземления электрооборудования производится на стадии проектирования. В помещениях, где пользуются переменным током с напряжением выше 50В или постоянным более 120В, устройство заземления обязательно во всех случаях. С напряжением пониже - от 25В до 50В переменного тока или 60…120В постоянного – расчёт заземления ГОСТ требует только в комнатах с повышенной опасностью. Заземляются также установки, расположенные под открытым небом.

Машины, работающие от электричества с напряжение менее указанных величин, заземляются только в цехах с большой влажностью или на производствах, где присутствует опасность образования газовоздушных или газопылевых взрывоопасных смесей.

Числовые характеристики заземлений

Расчёт заземления здания любого назначения начинается с определения требуемых характеристик системы. Понятие сопротивления заземляющего устройства не имеет смысла рассматривать подробно. Это не что иное как сопротивление самого заземлителя (трубопровода, стального каркаса арматуры, металлического заземляющего стержня) вкупе с заземляющим проводом. Включать в расчет заземления эти данные не стоит ввиду их незначительной величины.

Основной интерес представляет сопротивление заземлителя растеканию тока. Данное сопротивление замеряется между самим заземлителем и почвой. Причём точка почвы берётся на поверхности.

Нормативные величины сопротивления заземления растеканию:

- трёхфазный ток 660В или однофазный 380В – 2 Ома;

- трёхфазный ток 380В или однофазный 220В – 4 Ома;

- трёхфазный ток 220В или однофазный 127В – 8 Ом.

Естественные заземлители

Расчёт заземления зависит от типа и характеристик защищаемого объекта. Однако для некоторых типов зданий, в частности частных домов и коттеджей, представляется вполне возможным воспользоваться естественными заземлителями.

Самым лучшим из них по праву считается какая-либо коммуникация, проведённая в дом посредством металлических труб, проложенных под землёй. Домовладельцам, в распоряжении которых такая подводка имеется, в принципе, можно и не проводить расчёт заземления. Пример – водопровод из стальных труб или линия канализации от дома до септика, выполненная из чугуна.

За счёт своей протяженности такие коммуникации имеют обычно отличные показатели по величине сопротивления растеканию. Особенно хорошо работает именно водопроводная линия. Дело в том, что во избежание перемораживания труб в зимнее время такие линии закапывают ниже глубины максимального промерзания грунта в данной местности. А это, в свою очередь, предохраняет систему от возрастания сопротивления, вызванного как превращением грунтовой влаги в лёд, так и наоборот – пересыханием грунта.

Вторым вариантом естественного заземлителя может служить арматура бетонного фундамента. Однако есть одно условие – годится только арматура со сварным каркасом, так как между прутьями, связанными при помощи вязальной проволоки, нет достаточно надёжного контакта.

Искусственные заземлители

Однако в последнее время коммуникации чрезвычайно редко прокладываются металлическими трубами непосредственно в грунте ввиду недолговечности такого способа. Чаще всего элементы заземления изготавливаются и устанавливаются специально, чему предшествует расчёт заземления. Пример самой распространённой конструкции – забитые в грунт металлические стержни. Концы стержней, выступающие из грунта, соединяются в единую электрическую цепь. Надёжного соединения добиваются различными способами – электродуговой сваркой, резьбовым соединением и т.д.

Такая конструкция является универсальной и наиболее распространённой. На ней следует остановиться поподробнее. В чём же её универсальность? Всё дело в стержнях – если сопротивление растеканию электрического тока оказывается выше требуемого, систему просто наращивают дополнительными элементами. К тому же играет роль чрезвычайная простота такого заземления и возможность смонтировать его из любых имеющихся подручных материалов.

Основа заземления – металлические стержни. Как показывает практика изготовления и эксплуатации заземлителей, основное требование, предъявляемое к ним – они должны легко забиваться в грунт при помощи обычной кувалды при длине около 1,5 метра.

Для этих целей чаще всего берётся стальная дюймовая труба либо сантиметровый пруток (арматура). Иными словами – всё, что осталось на стройплощадке после возведения дома.

Вся конструкция монтируется на расстоянии около 2 метров от здания. Прутья забиваются в грунт на расстоянии 1,5 метров друг от друга в виде прямой линии или замкнутого контура. Между концами прутьев прокапывается канавка небольшой глубины и ширины, в которую укладывается стальная проволока или арматура примерно 4…6 мм и приваривается поочерёдно к концу каждого стержня. Затем все стержни забиваются глубже, так чтобы соединяющий их контур погрузился в грунт, и вся конструкция засыпается. На поверхности остается конец стержня, ближайшего к дому – для подключения заземляющего контура электропроводки.

Расчёт системы заземления

Расчёт сводится к расчёту количества стержней, необходимых для достижения заданных параметров заземления. Для того чтобы произвести расчёт необходимо знать сопротивление одного стержня. Это сопротивление можно измерить или рассчитать.

Замер производится методом, показанным на рисунке.

Сопротивление стержня определяют по формуле

R = U / I, где

U – напряжение, измеренное вольтметром, В;

I – сила тока, измеренная амперметром, А.

Расчёт заземления можно произвести и без замеров, для этого необходимо воспользоваться достаточно сложной формулой, универсальной для любых вертикальных заземлителей.

Для расчёта при помощи данной формулы необходимы следующие исходные данные:

ρ_экв – эквивалентное удельное сопротивлении грунта, Ом∙м;

L – длина стержня, м;

d – диаметр стержня, м;

Т – расстояние от поверхности грунта до середины заземлителя, (геометрическая середина стержня), м.

Эквивалентное удельное сопротивлении грунта – значение нормированное для известных видов грунтов:

- торфяники, лёсовые отложения – 15…25 Ом∙м;

- гумус, чернозём – 45…55 Ом∙м;

- глины и суглинки – 55…65 Ом∙м;

- песчано-глинистые грунты – 140…160 Ом∙м;

- песчаники при глубине грунтовых вод до 5м – 500 Ом∙м;

- песчаники с грунтовыми водами глубже 5м – 1000 Ом∙м;

После того, как известно сопротивление одного вертикального стержня, можно рассчитать их необходимое количество.

R_н – нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, Ом;

ψ – сезонный климатический коэффициент сопротивления грунта, для средней полосы Российской федерации может приниматься равным 1,7.

Как это выглядит практически?

Расчёт заземления электрооборудования. Пример – частный дом, используется однофазная электрическая сеть, требуемое сопротивление растеканию – не выше 4 Ом. Место расположения – черноземье: эквивалентное удельное сопротивление грунта равно 50 Ом∙м. Для оборудования системы заземления используются стальные трубы длиной 160 см, диаметром 32 мм.

Расчёт одного заземлителя:

Зная сопротивление растеканию n-ного заземлителя, нетрудно рассчитать необходимое их количество:

Ответ: 11 заземлителей.

Советы

Сухой грунт – никудышный проводник электрического тока, поэтому на песчаных почвах чем длиннее заземляющие стержни, тем лучше.

Находясь постоянно во влажном грунте, конструкция из тонкого металла очень быстро разрушится в результате коррозии и перестанет выполнять возложенные на неё функции. Поэтому заземляющие стержни должны быть выполнены из достаточно толстых прокатных материалов.

Отличным заземлением может послужить водоносная скважина, если обсадная труба – металл.

Если крыша дома выполнена из металлочерепицы (профнастила), её в обязательном порядке заземляют. Такая конструкция – прекрасная молниезащита здания.

Готовый молниеотвод можно получить, заземлив металлическую мачту телевизионной антенны, если таковая имеется.

Особенности расчёта заземления промышленных объектов

Расчёт заземления подстанции просто необходим. На территории электрической подстанции находится большое количество оборудования, работающего с большим напряжением. Почти всё оборудование (трансформаторы, электрические щиты, железобетонные и железные опоры машин, муфты кабелей, кожухи кабельных каналов и размыкателей) в обязательном порядке заземляется.

Сопротивление растекания тока на рассматриваемых объектах не должно превышать 0,5 Ома. Для достижения заданной цифры при устройстве оборудования подстанций по максимуму пользуются естественными заземлителями, такими как трубопроводы подземных кабельных каналов, металлическими опорами электропередач и поддерживающими их тросами.

Сопротивление таких систем рассчитывается по формуле:

где

R_тр – сопротивление троса одной опоры ЛЭП, Ом;

R_оп – сопротивление растекания тока самой опоры, Ом.

Расчёт заземления цеха промышленного предприятия производится в зависимости от наличия и количества установленного в нём оборудования. Сам алгоритм расчёта ничем не отличается от рассмотренного примера. По рассматриваемой схеме производится и расчет заземления кабелей.