Расчет заземления

Основные правила

Документ, регламентирующий способы выполнения и устройства систем заземления, — «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ). Там указано, что заземление технологических трубопроводов — обязательное условие их допуска к эксплуатации.

Основные правила при выполнении подобных систем:

Должна быть обеспечена непрерывная металлическая связь на всей протяженности трубопровода, вне зависимости от его конструкции и назначения.
Тип контура заземления должен соответствовать удельному сопротивлению грунта в месте монтажа и току растекания конструкции.
Трубопровод должен быть соединен с заземляющим контуром минимум в двух точках.

Требования защиты при косвенном прикосновении распространяются на:

1) корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т.п.;

2) приводы электрических аппаратов;

3) каркасы распределительных щитов, щитов управления, щитков и шкафов, а также съемных или открывающихся частей, если на последних установлено электрооборудование напряжением выше 50 В переменного или 120 В постоянного тока (в случаях, предусмотренных соответствующими главами ПУЭ — выше 25 В переменного или 60 В постоянного тока);

4) металлические конструкции распределительных устройств, кабельные конструкции, кабельные муфты, оболочки и броню контрольных и силовых кабелей, оболочки проводов, рукава и трубы электропроводки, оболочки и опорные конструкции шинопроводов (токопроводов), лотки, короба, струны, тросы и полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме струн, тросов и полос, по которым проложены кабели с зануленной или заземленной металлической оболочкой или броней), а также другие металлические конструкции, на которых устанавливается электрооборудование;

5) металлические оболочки и броню контрольных и силовых кабелей и проводов на напряжения, не превышающие указанные в 1.7.53, проложенные на общих металлических конструкциях, в том числе в общих трубах, коробах, лотках и т.п., с кабелями и проводами на более высокие напряжения;

6) металлические корпуса передвижных и переносных электроприемников;

7) электрооборудование, установленное на движущихся частях станков, машин и механизмов.

При применении в качестве защитной меры автоматического отключения питания указанные открытые проводящие части должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания в системе и заземлены в системах и .

Не требуется преднамеренно присоединять к нейтрали источника в системе и заземлять в системах и :

1) корпуса электрооборудования и аппаратов, установленных на металлических основаниях: конструкциях, распределительных устройствах, щитах, шкафах, станинах станков, машин и механизмов, присоединенных к нейтрали источника питания или заземленных, при обеспечении надежного электрического контакта этих корпусов с основаниями;

2) конструкции, перечисленные в 1.7.76, при обеспечении надежного электрического контакта между этими конструкциями и установленным на них электрооборудованием, присоединенным к защитному проводнику;

3) съемные или открывающиеся части металлических каркасов камер распределительных устройств, шкафов, ограждений и т.п., если на съемных (открывающихся) частях не установлено электрооборудование или если напряжение установленного электрооборудования не превышает значений, указанных в 1.7.53;

4) арматуру изоляторов воздушных линий электропередачи и присоединяемые к ней крепежные детали;

5) открытые проводящие части электрооборудования с двойной изоляцией;

6) металлические скобы, закрепы, отрезки труб механической защиты кабелей в местах их прохода через стены и перекрытия и другие подобные детали электропроводок площадью до 100 см, в том числе протяжные и ответвительные коробки скрытых электропроводок.

При выполнении автоматического отключения питания в электроустановках напряжением до 1 кВ все открытые проводящие части должны быть присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания, если применена система TN, и заземлены, если применены системы IT или TT. При этом характеристики защитных аппаратов и параметры защитных проводников должны быть согласованы, чтобы обеспечивалось нормированное время отключения поврежденной цепи защитно-коммутационным аппаратом в соответствии с номинальным фазным напряжением питающей сети.

В электроустановках, в которых в качестве защитной меры применено автоматическое отключение питания, должно быть выполнено уравнивание потенциалов.

Для автоматического отключения питания могут быть применены защитно-коммутационные аппараты, реагирующие на сверхтоки или на дифференциальный ток.

Назначение заземления

Заземляющие устройства (ЗУ) представляют собой объединение заземляющего проводника и заземлителей, которые соединяют электроустановки, электрические приборы и машины с землей. ЗУ способствует созданию надежных соединений для того, чтобы отводить напряжение с элементов, постоянно находящихся под высоким напряжением. Причинами тому могут служить:

мощные удары молнией;
возникновение вторичной индукции, вызванной токоведущими частями, которые расположены очень близко;
вынос потенциала за пределы внешнего ограждения здания или электроустановки.

В каменноугольных выработках, в реках и водоемах, а также других рукотворных или природных объектах, имеющих похожие свойства, роль земли выполняется водой или грунтом.

Как просто представить работу заземления в бытовой проводке

Опасность электрической энергии очень хорошо помогает понять принцип работы мышеловки: проголодавшаяся мышка выходит из норки, а перед ней на специальной подставочке лежит аппетитная корочка хлеба, да еще сдобренная капелькой ароматного масла.

Подходит зверек к предложенному угощению, чуть-чуть дотрагивается до него, а скрытая сила мощной пружины моментально бьет по мышке металлической рамкой… Точно так, совершенно неожиданно, человек получает травмы от электричества.

Электрический ток всегда протекает только внутри замкнутой цепи под действием приложенного напряжения. Он направлен от потенциала большей величины к меньшему. Когда же эта цепочка разорвана, то тока нет, а риск попасть под его действие огромный.

В наших жилищах существует довольно много факторов, когда опасный потенциал, например, фазы может проникнуть на токопроводящие конструкции (корпус бытового прибора), и остаться на них потому, что дальнейшая цепь изолирована диэлектрическим слоем.

Этим свойством пользуются «шутники», не до конца представляющие последствия своих действий.

Стоит только создать контакт высокого потенциала с землей, как через нее (почва обладают высокой проводимостью) сразу протекает ток, отводящий эту энергию. Если на его пути оказывается живое существо, то судьба его не завидна.

Поэтому все токопроводящие корпуса современных бытовых приборов специально (преднамеренно) соединяют через заземляющие устройства (ЗУ). Этим достигается моментальное стекание опасного заряда через выделенный контур земли в сети с глухозаземленной нейтралью.

По цепочке РЕ проводника создается надежный электрический контакт через землю с источником напряжения главного распределительного щита (ГРЩ) на питающей подстанции.

При соединении потенциалов фазы, оказавшейся на корпусе, и земли возникает ток короткого замыкания. Его должен отключить автоматический выключатель SQ, подобранный по местным условиям.

Этот процесс называется защитным отключением. Он подробно изложен в главе 1.7 ПУЭ.

Схема заземления с глухозаземленной нейтралью используется в нашей стране на подстанциях 0,4 кВ с трехфазными генераторами. Их обмотки собраны по схеме «звезда» с общей точкой, выведенной на заземляющее устройство.

Аналогичным образом подключены потребители. За счет такого соединения обеспечивается равенство потенциалов земли и нейтрального провода.

Заземление создается заранее. Его назначение — защита людей и электротехнических устройств от воздействия опасного электрического тока.

Кроме защитной функции оно может выполнять еще и технологические задачи, связанные с нормальной работой электротехнического оборудования.

Устройство контура заземления, его виды

Зачастую заземление представляет собой электроды в виде металлических труб, которые соединяются друг с другом прутом из металла и заглубляются в землю. Всю эту конструкцию соединяют с домовым щитом с помощью металлической полосы.

Расстояние от поверхности земли, на которое заглубляются электроды, зависит от того, на какой глубине залегают подземные воды. Чем ближе они к поверхности, тем выше система заземления. При этом ее удаленность от здания должна составлять от 1 до 10 м, не больше и не меньше.

Для обустройства контура заземления в частном доме, в качестве электродов подойдут не только трубы, но и гладкая арматура, стальной уголок, двутавр. При этом они должны иметь форму, позволяющую беспрепятственно забить их в землю, а также площадь сечения, превышающую 15 кв.мм.

Электроды в основном располагают в виде геометрической фигуры. Это может быть квадрат, треугольник, прямоугольник либо просто цепочка. Форма зависит от количества труб, удобства монтажа контура заземления и площади, которую необходимо охватить. В некоторых случаях оборудование располагают по всему периметру дома.

Важно помнить, что систему заземления следует в обязательном порядке располагать глубже уровня промерзания земли

Вполне возможно соорудить контур заземления своими руками из того, что имеется в доме, но легче, конечно, купить в специализированном магазине готовое оборудование. Его минус заключается в достаточно высокой стоимости, а преимущество – в удобстве и долговечности.

Существует два основных типа контуров заземления:

традиционный;
глубинный.

В первом случае система изготавливается из электродов, один из которых расположен по горизонтали, а несколько – по вертикали. Первый обычно сделан из стальной полосы, а вторые из арматуры или труб. Все электроды имеют предельно допустимые значения по размеру.

Если заземление обустраивается в жилом доме, то оборудование следует устанавливать там, где меньше всего бывают люди, например, с северной стороны строения, где дольше и чаще бывает тень, а влажность в земле присутствует постоянно.

Минусы традиционного контура заземления:

большая трудоемкость и сложность;
черная сталь, из которой изготавливают элементы конструкции, подвержена коррозии, которая стремительно развивается во влажной земле;
т.к. оборудование находится в верхнем слое почвы, который подвержен влиянию сезонных перепадов температуры, а также влаги и засухи, его параметры иногда становятся недопустимыми.

Глубинный вид заземления избавлен от многих минусов традиционного. Он изготавливается на производстве в виде модульно-штыревой системы. Достоинства:

благодаря заводскому изготовлению соответствует всем нормам и требованиям;
служит очень долго – несколько десятилетий;
благодаря большой глубине забивания электродов, в любую погоду имеет стабильное значение сопротивления растеканию тока;
не нуждается в частом наблюдении за состоянием;
расчет контура заземления чрезвычайно прост, впрочем, как и монтаж.

По окончании работ нужно проверить, соответствует ли установленное оборудование существующим требованиям. Также необходим замер контура заземления с целью проверки качества всех соединений. Исследование проводят эксперты какой-либо лаборатории, имеющей лицензию, и после дают заключение. На контур заземления, фото которого представлены в статье, заводят паспорт, а также протокол испытания и акт допуска к использованию.

Перед тем как сделать контур заземления необходимо приобрести высококачественные материалы, потому что электроустановка будет надежной только в том случае, если надежен каждый ее элемент.

Заземляющая система: область применения и принцип работы

При правильной организации заземляющей системы защиты должны быть реализованы такие эксплуатационные принципы:

Образование электрической цепи, обладающей низким сопротивлением, при коротком замыкании. Электрический ток беспроблемно пойдет по этой магистрали. Реализуется обеспечение электрической безопасности пользователя. При случайном прикосновении человека к бытовому прибору во время пробития фазы на корпусе устройства не будет потенциально опасного напряжения.
Обеспечение защиты от индукционных токов. Проявляться такие типы токов могут вследствие прямого удара молнии, при этом образуется электромагнитная и электростатическая индукция.

Учитывая значимость названных выше принципов действия системы, защитное заземление широко применяется в:

Электрической сети напряжением менее 1 кВт:

с переменным током трех трехфазных проводников с изоляцией нейтрали,
с переменным током двух однофазных проводников, которые изолированы от земли,
с постоянным током двух проводников при наличии изоляции обмотки источника тока.

Электросети напряжением свыше 1 кВт. Возможен любой режим точек обмоток источника питания постоянного и переменного тока.

Заземление — это комплексная система. Все этапы в ней взаимосвязаны и влияют на надежность ее последующей эксплуатации. Важнейшая задача начального этапа производства — выбор конфигурации заземлителей.

Разновидности систем заземления

Классификация
типов систем заземления приводится в качестве основной из характеристик
питающей электрической сети. ГОСТ Р 50571.2-94 «Электроустановки зданий. Часть
3. Основные характеристики» регламентирует следующие системы заземления: TN-C,
TN-S, TN-C-S, TT, IT. Система TN-C

Система TN-C
(фр. Terre-Neutre-Combine) предложена немецким концерном AEG в
1913 году. Рабочий ноль и PE-проводник (англ. Protection Earth) в этой системе совмещены в один провод. Самым
большим недостатком была возможность появления фазного напряжения на корпусах
электроустановок при аварийном обрыве нуля. Несмотря на это, данная система все
еще встречается в постройках стран бывшего СССР.

Система TN-S

Разделение нулей в TN-S и
TN-C-S

На замену
условно опасной системы TN-C в 1930-х годах была разработана система TN-S (фр.Terre-Neutre-Separe), рабочий и защитный ноль в которой
разделялись прямо на подстанции, а заземлитель представлял собой довольно
сложную конструкцию металлической арматуры. Таким образом, при обрыве рабочего
нуля в середине линии, корпуса электроустановок не получали линейного
напряжения. Позже такая система заземления позволила разработать
дифференциальные автоматы и срабатывающие на утечку тока автоматы, способные
почувствовать незначительный ток. Их работа и по сей день основывается на
законах Кирхгофа, согласно которым текущий по фазному проводу ток должен быть
численно равным текущему по рабочему нулю току.

Также можно
наблюдать систему TN-C-S, где разделение нулей происходит в середине линии,
однако, в случае обрыва нулевого провода до точки разделения, корпуса окажутся
под линейным напряжением, что будет представлять угрозу для жизни при касании.

Системы с глухозаземленной нейтралью системы заземления TN

К таким системам относятся:

TN-C;
TN-S;
TNC-S;
TT.

Согласно п. 1.7.3 ПУЭ TN-система — система, в которой нейтраль источника питания глухо заземлена, а открытые проводящие части электроустановки присоединены к глухозаземленной нейтрали источника посредством нулевых защитных проводников.

TN включает в себя такие элементы, как:

заземлитель средней точки, которая относится к источнику питания;
внешние проводящие части устройства;
проводник нейтрального типа;
совмещенные проводники.

Нейтраль источника глухо заземлена, а внешние проводники установки подключены к глухозаземленной средней точке источника при помощи проводников защитного типа.

Сделать заземляющий контур можно только в электроустановках, мощность которых не превышает 1 кВ.

Система TN-C

В данной системе нулевой защитный и нулевой рабочий проводники, объединены в один PEN проводник. Они совмещены на всем протяжении системы. Полное название — Terre-Neutre-Combine.

Среди преимуществ TN-C можно выделить только легкий монтаж системы, который не требует больших усилий и денежных затрат. Для монтажа не требуется улучшение уже установленных кабельных и воздушных линий электропередачи, у которых есть всего 4 проводящих устройства.

Недостатки:

возрастает вероятность получения удара током;
возможно появление линейного напряжения на корпусе электрической установки во время обрыва электрической цепи;
высокая вероятность потери заземляющей цепи в случае повреждения проводящего устройства;
такая система защищает только от короткого замыкания.

Система TN-S

Особенность системы заключается в том, что электричество поставляется к потребителям через 5 проводников в трехфазной сети и через 3 проводника в однофазной сети.

Всего от сети отходит 5 проводящих источников, 3 из которых выполняют функцию силовой фазы, а оставшиеся 2 — это нейтральные проводники, подсоединенные к нулевой точке.

Конструкция:

PN — нейтральный механизм, который задействован в схеме электрического оборудования.
PE — глухозаземленный проводник, выполняющий защитную функцию.

Преимущества:

легкость монтажа;
низкая стоимость покупки и содержания системы;
высокая степень электробезопасности;
не требуется создание контура;
возможность использовать систему в качестве устройства от защиты утечки тока.

Система TN-C-S

TN-C-S система предполагает разделение проводника PEN на PE и N в каком-то участке цепи. Обычно разделение происходит в щитке в доме, а до этого они совмещены.

Достоинства:

простое устройство защитного механизма от попадания молний;
наличие защиты от короткого замыкания.

Минусы использования:

слабый уровень защиты от сгорания нулевого проводника;
возможность появления фазного напряжения;
высокая стоимость монтажа и содержания;
напряжение не может быть отключено автоматикой;
отсутствует защита от тока на открытом воздухе.

Система TT

TT разработана для обеспечения высокого уровня безопасности. Устанавливается на электростанциях с низким уровнем технического состояния, например, где используются оголенные провода, электроустановки, которые расположены на открытом воздухе или закреплены на опорах.

TT монтируется по схеме четырех проводников:

3 фазы, подающие напряжение, смещаются под углом 120° между собой;
1 общий ноль выполняет совмещенные функции рабочего и защитного проводника.

Преимущества TT:

высокий уровень устойчивости к деформации провода, ведущего к потребителю;
защита от КЗ;
возможность использования на электроустановках высокого напряжения.

Недостатки:

сложное устройство защиты от молний;
невозможность отследить фазы короткого замыкания электрической цепи.

Свойства грунта

Ещё одним показателем эффективности работы заземления является величина тока стекания в грунт, которая также закладывается в нормативные ограничения, оговариваемые соответствующими пунктами ПУЭ. Значения этого параметра определяются составом почвы в месте расположения заземлителя, а также зависят от её влажности и температуры.

Практически установлено, что оптимальные условия, обеспечивающие эффективное распределение токов стекания и позволяющие упростить размещаемую в земле конструкцию заземления, создаются в особых грунтах. Это почвы, содержащие глину, суглинок или торфяные составляющие. При наличии указанных компонентов и высокой влажности почвы условия для растекания тока в месте обустройства заземлителя считаются идеальными.

Назначение и принцип работы ЗУ

Заземляющее устройство (ЗУ) — это совокупность заземлителя и заземляющих проводников которые соединяют землю с электрическими приборами, машинами и электроустановками.

Главная задача ЗУ – создание надежного соединения для отвода напряжения с элементов, которые могут попасть под высокое напряжение.

Причиной тому чаще всего служат:

молния;
вынос потенциалов;
вторичная индукция из-за влияния близко находящихся токоведущих частей.

Роль земли может выполнять грунт или вода в крупных водоемах и реках, каменноугольные выработки, и иные природные или рукотворные объекты с похожими свойствами.

Разделяют три вида заземления:

рабочее зазмеление необходимо для нормального функционирования прибора или установки, которое пропускает через себя рабочий ток, составляющий часть тока в фазе трехфазной системы или в одном из полюсов постоянного тока;
зануление заземление — нейтраль трехфазного генератора или трансформатора заземлена и от нее проложен нулевой провод, выполняющий одновременно функции рабочего и защитного зануления;
заземление безопасности — главной задачей является уменьшение шагового напряжения и обеспечение электробезопасности. Это осуществляется путем снижения сопротивления каждого отдельного заземлителя и равномерным распределением потенциала по всей площади;

В трехфазных сетях с напряжением менее 1000 Вольт при наличии изоляции нейтрали в обязательном порядке требуется защитное заземление, и независимо от режима изоляции в сетях от 1000 Вольт.

В качестве заземляющего устройства может использоваться объекты естественного происхождения либо искусственные заземлители.

К первым относятся:

конструкции домов и помещений, осуществляющие соединение с землей;
фундаменты из железобетона — при наличии вокруг влажных грунтов (глинистые, суглинки и др.);
подземные трубы различных систем, кроме теплотрасс и слущащих для транспортировки горючих материалов;
оболочки кабеля из свинца.

Следует учитывать, что значение R (сопротивление) у естественных заземлителей можно узнать только путем проведения контрольных замеров, и если естественные элементы заземления будут иметь приемлемые показатели сопротивления, то конструировать что-то еще не нужно будет.

В качестве искусственных заземляющих устройств применяются элементы представляющие собой:

стальные трубы от 3 см в диаметре и от 2 метров длинной;
стальные полосы или угловая сталь не тоньше 0,4 см и длинной от 2 метров;
длинные (до 10 м) стальные прутья диаметром от 1 см;
обрезки труб из стали, рельс;
металлические цепи, тросы.

Выбирая размеры электрода, обязательно учитывайте:

значение сопротивления заземлителя при наименьшей массе — уровень сопротивления зависит в основном от длины электрода, и в наименьшей степени от его поперечного сечения;
механическую устойчивость к подземной коррозии — показатель устойчивости к коррозии зависит от толщины и площади соприкосновения с грунтом.

Имея одинаковые сечения, в качестве более долговечных электродов служат круглые стержни. Для предотвращения коррозии в агрессивных щелочных и кислых почвах, используют медные, омедненные или оцинкованные материалы. На любых типах почв нельзя использовать алюминий, из-за окисления и последующей изоляции его поверхности.

Монтируют вертикальные электроды таким образом, чтобы верхний конец находился около поверхности грунта или глубже на 50-80 см — данный вариант обеспечивает более стабильную и эффективную защиту из-за небольших изменений удельного сопротивления грунта в разные периоды. Если одного электрода недостаточно для достижения необходимых технических параметров сопротивления растеканию, тогда устанавливают несколько электродов подряд или по периметру. Лучшую прочность во время углубления показывают трубы и уголки.

Вертикальные элементы чаще всего соединяются стальными стержнями, приваренными к верхним концам, реже с помощью пластин или колец.

Техническое освидетельствование систем заземления

В целях контроля текущего состояния УЗ его конструкция периодически проверяется на предмет соответствия характеристик нормативным требованиям.

Указанная проверка предполагает проведение следующих операций:

визуальный осмотр открытых частей устройства;
обследование контактов между отдельными составляющими контура заземления;
измерение его активного сопротивления;
выборочное обследование размещённых в земле частей заземлителя со вскрытием грунта в этих местах.

В случае необходимости при испытаниях УЗ специалистами измеряется напряжение прикосновения и другие параметры распределительных заземляющих цепей.

Помимо этого, в комплект эксплуатируемого УЗ должен входить паспорт, в котором обязательно указывается дата ввода изделия в эксплуатацию, его рабочая схема, а также информация о текущем техническом состоянии системы.

Визуальное обследование открытых частей УЗ, как правило, проводится в соответствии с заранее утверждённым графиком ТО.

Для устройств, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности, а также подвергающихся постоянным механическим воздействиям периодичность проведения таких проверок должна оговариваться особо.

Подводя итоги всему сказанному, можно отметить следующую особенность работы конструкции заземления. С целью повышения эффективности защиты от поражения электричеством в питающих цепях обязательно наличие заземляющего устройства. Оно реагирует на малейшие утечки тока на землю через тело человека.

При этом связка «заземление плюс зануление» металлических корпусов приборов и оборудования позволяет достичь высокой эффективности защиты. Устройство заземления обеспечивает мгновенность отключения питания при случайном повреждении или пробое изоляции.

Принцип действия УЗО и дифавтомата

Прибор работает по следующему принципу: он анализирует ток в фазном и нулевом проводах. В случае если ток начинает уходить в землю, то есть возникла какая-то неисправность изоляции, прибор моментально срабатывает и размыкает цепь.

Есть несколько модификаций аппаратов УЗО. Они различаются между собой по степени чувствительности к силе тока (10-500 мА). Чувствительное УЗО реагирует даже на очень небольшие утечки и размыкает цепь.

Но лучше пойти на некоторые неудобства и возвращать автомат в исходное положение при каждом выключении, чем подвергать себя опасности поражения током, установив в доме УЗО низкой чувствительности.