Заземлитель вертикальный из угловой стали размером 50х50х5. Заземление. Искусственные заземлители. Г1.1. Особенности решения

В технической литературе часто рассказывается про заземление и зануление. Действительно, вопрос о заземлении в домах и квартирах встал в нашей стране относительно недавно. Еще когда бригады коммунистов электрифицировали страну, в деревенские домики подводили только фазу и ноль. Про провод заземления умалчивали. Во-первых, экономили алюминий как стратегический металл для самолетов, а во-вторых, мало кого заботили проблемы с защитой населения от поражения электрическим током, а в-третьих, не думали о заземлении как о эффективной мере защиты людей. Прошло достаточно времени, чтобы исчезли коммунисты, а вместе с ними и распалась страна, в которой они правили, но памятники, оставшиеся после них, все еще стоят. Памятники стоят, а дома разрушаются.

В нашим домах заземлены только трубы водопровода, канализации и газопровода, а также поэтажные щитки. При этом трубы газопровода для заземления не подходят из-за взрывчатого газа, который по ним летит. Трубы канализации для заземления также использовать нельзя. Хоть канализация сплошь из чугуна, но стыки чугунных труб заделаны цементом, который является плохим проводником. Трубы водопровода вроде как являются неплохим заземлением, но нужно учитывать, что трубы прокладывают не в земле, а в слое изоляции в специальных каналах. Самое надежное заземление – от распределительного этажного щита.

На предприятиях все изначально делали грамотно и заземляли все, что можно. Кроме заземления на предприятиях используется зануление. Многие ошибочно считают, что зануление - это проводок в розетке от нулевого провода к заземляющему контакту. Понятия "заземление" и "зануление" тесно связаны с понятием нейтрали.

Нейтраль – точка схождения трех фаз через обмотки в трансформаторе, соединенных звездой. Если эту точку соединить с заземлителями, то образуется глухозаземленная нейтраль трансформатора, и общую систему называют заземленной. Если к этой точке приварить шину и соединить ее со всеми приборам и аппаратам, то оборудование окажется заземленным.

Если нейтраль соединить с нулевой шиной (без заземлителей), то образуется изолированная нейтраль трансформатора, и общую систему называют зануленной. Если эту шину соединить со всеми приборами и аппаратами, то оборудование окажется зануленным.

Идея в том, что по заземленному или зануленному проводнику течет ток только при перекосе фаз, но это для трансформатора и при аварийных режимах работы. Нельзя выбирать - занулять или заземлять оборудование. Это сделано уже на подстанции. Обычно используется глухозаземленная нейтраль.

Если к примеру обмотка двигателя стиральной машины разрушилась и появилось сопротивление между корпусом и обмоткой, то на корпусе стиральной машины будет потенциал, который можно обнаружить индикаторной отверткой. Если машина не заземлена, то при касании корпуса потенциал машины станет потенциалом вашей руки, а т.к. ванная, где находится машина, является помещением особо опасным с точки зрения поражения током и следовательно пол является токопроводящим, нога приобретет нулевой потенциал и значит вы получите удар напряжением, пропорциональным потенциалу руки. Если машину заземлить, то в теории сработает автоматический выключатель защиты. Если машину занулить, то потенциал растечется вокруг всей машины и при касании потенциалы руки и ноги будут одинаковыми. Только надо учитывать, что ток растекается вокруг и при шагании ноги оказываются под разными потенциалами. И, конечно, можно получить удар напряжением.

Критерии применения заземления

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землёй или её эквивалентом металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые могут оказаться под напряжением.

Защитное заземление применяется в сетях напряжением до 1000 В переменного тока – трёхфазные трехпроводные с глухозаземленной нейтралью; однофазные двухпроводные, изолированные от земли; двухпроводные сети постоянного тока с изолированной средней точкой обмоток источника тока; в сетях выше 1000 В переменного и постоянного тока с любым режимом нейтрали.

Заземление обязательно во всех электроустановках при напряжении 380 В и выше переменного тока, 440 В и выше постоянного тока, а в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках при напряжении 42 В и выше переменного тока, 110 В и выше постоянного тока; при любых напряжениях во взрывоопасных помещениях.

В зависимости от места размещения заземлителей относительно заземляющего оборудования различают два типа заземляющего устройств - выносное и контурное.

При выносном заземляющем устройстве заземлитель вынесен за пределы площадки, на которой размещено заземляемое оборудование.

При контурном заземляющем устройстве электроды заземлителя размещают по контуру (периметру) площадки, на которой находится заземляемое оборудование, а также внутри этой площадки.

В открытых электроустановках корпуса присоединяют непосредственно к заземлителю проводами. В зданиях прокладывается магистраль заземления, к которой присоединяют заземляющие провода. Магистраль заземления соединяют с заземлителем не менее чем в двух местах.

В качестве заземлителей в первую очередь следует использовать естественные заземлители в виде проложенных под землёй металлических коммуникаций (за исключением трубопроводов для горючих и взрывчатых веществ, труб теплотрасс), металлических конструкций зданий, соединённых с землёй, свинцовых оболочек кабелей, обсадных труб артезианских колодцев, скважин, шурфов и т.д.

В качестве естественных заземлителей подстанций и распределительных устройств рекомендуется использовать заземлители опор отходящих воздушных линий электропередачи, соединённых с заземляющим устройством подстанций или распределительным устройством с помощью грозозащитных тросов линий.

Если сопротивление естественных заземлителей Rз удовлетворяет требуемым нормам, то устройство искусственных заземлителей не требуется. Но это можно только измерить. Посчитать сопротивление естественных заземлителей нельзя.

Когда естественные заземлители отсутствуют или использование их не даёт нужных результатов, применяют искусственные заземлители - стержни из угловой стали размером 50Х50, 60Х60, 75Х75 мм с толщиной стенки не менее 4 мм, длиной 2,5 - 3 м; стальные трубы диаметром 50-60 мм, длиной 2,5 - 3 м с толщиной стенки не менее 3,5 мм; прутковая сталь диаметром не менее 10 мм, длиной до 10 м и более.

Заземлители забивают в ряд или по контуру на такую глубину, при которой от верхнего конца заземлителя до поверхности земли остаётся 0,5 - 0,8 м. Расстояние между вертикальными заземлителями должно быть не менее 2,5-3 м.

Для соединения вертикальных заземлителей между собой применяют стальные полосы толщиной не менее 4 мм и сечением не менее 48 кв.мм или стальной провод диаметром не менее 6 мм. Полосы (горизонтальные заземлители) соединяют с вертикальными заземлителями сваркой. Место сварки обмазывается битумом для влагоизоляции.

Магистрали заземления внутри зданий с электроустановками напряжением до 1000 В выполняют стальной полосой сечением не менее 100 кв.мм или сталью круглого сечения той же проводимости. Ответвления от магистрали к электроустановкам выполняют стальной полосой сечением не менее 24 кв.мм или круглой сталью диаметром не менее 5 мм.

Нормируемые сопротивления заземляющих устройств приведены в табл.1.

Таблица 1. Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В

Наибольшие допустимые значения R з, Ом	Характеристика электроустановок
	< 500А
R з = 250 / I з < 10	Для электроустановок напряжением выше 1000В и расчётным током замыкания на землю I з < 500А
R з = 125 / I з < 10	При условии, что заземляющее устройство является общим для злектроустановок напряжением до и выше 1000 В и расчётном токе замыкания на землю I з < 500
	В электроустановках напряжением 660/380 В
	В электроустановках напряжением 380/220 В
	В электроустановках напряжением 220/127 В

Расчётные токи замыкания на землю принимают по данным энергосистемы либо путём расчётов. В принципе, при строительстве коттеджа ток замыкания на землю не нужен. Это вопрос заземления подстанции.

Расчёт заземления методом коэффициентов использования производится следующим образом.

1. В соответствии с ПУЭ устанавливается необходимое сопротивление заземления Rз по таблице 1.

2. Определяют путём замера, расчётом или на основе данных по работающим аналогичным заземлительным устройствам возможное сопротивление растеканию естественных заземлителей Rе.

3. Если RеRз, то необходимо устройство искусственного заземления.

4. Определяют удельное сопротивление грунта ρ из таблицы 2. При производстве расчётов эти значения должны умножаться на коэффициент сезонности, зависящий от климатических зон и вида заземлителя (таблица 3).

Таблица 2. Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды p, Ом м

Наименование грунта	Удельное сопротивление, Ом м
Суглинок
Садовая земля
Глина (слой 7-10 м) или гравий
Мергель, известняк, крупный песок с валунами
Скалы, валуны
Чернозём
Речная вода (на равнинах)
Морская вода

Примерное распределение государств СНГ по климатическим зонам:

1 зона: Архангельская, Кировская, Омская, Иркутская области, Коми, Урал;

2 зона: Ленинградская и Вологодская области, центральная часть России, центральные области Казахстана, южная часть Карелии.

3 зона: Латвия, Эстония, Литва, Беларусь, южные области Казахстана; Псковская, Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская и Ростовская области.

4 зона: Азербайджан, Грузия, Армения, Узбекистан, Таджикистан, Киргизия, Туркмения (кроме горных районов), Ставропольский край, Молдова.

Таблица 3. Признаки климатических зон и значения коэффициента К с

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых заземляющих электродов	Климатические зоны СНГ
Климатические признаки зон:
средняя многолетняя низшая температура (январь), °С	от -20 до -15	от -14 до -10
средняя многолетняя высшая температура (июль), °С	от +16 до +18	от +18 до +22	от +22 до +24	от +24 до +26
среднегодовое количество осадков, мм
продолжительность замерзания вод, дн
Значение коэффициента Кс при применении стержневых электродов длиной 2 - 3 м и глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м
Значение коэффициента К"с при применении протяжённых электродов и глубине заложения их вершины 0,8 м
Значение коэффициента Кс при длине 5 м и глубине заложения вершины 0,7-0,8 м

5. Определяют сопротивление, Ом, растеканию одного вертикального заземлителя - стержневого круглого сечения (трубчатый или уголковый) в земле:

Таблица 4. Коэффициенты использования М в вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых в ряд без учёта влияния полосы связи

Отношение расстояния между электродами к их длине: а/l	Число электродов М в

Таблица 5. Коэффициенты использования Мв вертикальных электродов из труб, уголков или стержней, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи

Отношение расстояния между электродами к их длине а/l	Число электродов М в

6. При устройстве простых заземлителей в виде короткого ряда вертикальных стержней расчёт на этом можно закончить и не определить проводимость соединяющей полосы, поскольку длина её относительно невелика (в этом случае фактически сопротивление заземляющего устройства будет несколько завышено). В итоге общая формула для расчета сопротивления вертикальных заземлителей выглядит так

р - Приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом м, таблица 2

КС - Признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.

L – длина вертикального заземлителя, м

d – диаметр вертикального заземлителя, м

t’ – длина от поверхности земли до середины вертикального заземлителя, м

Мв – коэффициент использования вертикальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл.4, 5). Предварительное количество вертикальных заземлителей для определения Мв можно принять равным Мв=rв/Rз

а – расстояние между вертикальными заземлителями (обычно отношение расстояния между вертикальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)

при этом l>d, t0>0,5 м;

для уголка с шириной полки b получают d=0,95b.

Для горизонтальных заземлителей расчет ведется тем же методом коэффициента использования

1. Определяют сопротивление, Ом, растеканию горизонтального заземлителя. Для круглого стержневого сечения:

Таблица 6. Коэффициенты использования М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов в ряд.

	М г при числе электродов в ряд

Таблица 7. Коэффициент использования М г горизонтального полосового электрода (трубы, уголки, полосы и т.д.) при размещении вертикальных электродов по контуру.

Отношение расстояния между электродами к длине a/l	М г при числе электродов в контуре заземления

р - приближенные значения удельных сопротивлений грунтов и воды, Ом м, таблица 2

КС - признаки климатических зон и значения коэффициента, таблица 3.

L – длина горизонтального заземлителя, м

d – диаметр горизонтального заземлителя, м

t’ – длина от поверхности земли до середины горизонтального заземлителя, м

Мв-коэффициент использования горизонтальных заземлителей, зависящий от количества заземлителей и расстояния между ними (табл. 6, 7).

а – расстояние между горизонтальными заземлителями (обычно отношение расстояния между горизонтальными заземлителями к их длине принимают равным а/l=1;2;3)

Rз – Допустимые сопротивления заземляющего устройства в электроустановках до и выше 1000 В, таблица 1

Здесь l>d, l>>4t’. Для полосы шириной b получают d=0,5b.

Пример 1

Рассчитать заземляющее устройство заводской подстанции 35/10 кВ, находящейся во второй климатической зоне. Сети 35 и 10 кВ работают с незаземленной нейтралью. На стороне 35 кВ Iз=8А, на стороне 10 кВ Iз=19А. Собственные нужды подстанции получают питание от трансформатора 10/0,4 кВ с заземленной нейтралью на стороне 0,4 кВ, естественных заземлителей нет. Удельное сопротивление грунта при нормальной влажности p=62 Ом*м. Электрооборудования подстанции занимает площадь 18*8 кв.м.

Решение

Прикинем количество вертикальных электродов 10 шт. по таблице 5, Мв=0,58.

Если Nв<10, все хорошо и можно принимать Nв=9 электродов.

Если Nв>10, нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.

Прикинем количество горизонтальных электродов 50 шт. по таблице 6, Мг=0,2.

Если Nг<50, все хорошо и можно принимать Nг=49 электродов.

Если Nг>50, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.

Пример 2

Рассчитать заземляющее устройство коттеджа в Беларуси. Коттедж стоит на глинистой почве, следовательно удельное сопротивление грунта p=40 Ом*м. Для заземления используется арматура диаметром 12 мм и длиной 2 метра.

Решение

По таблице 1 – Rз=4

По таблице 2 – р=40 Ом*м

По таблице 3 – Кс=1,6

Электроды будут размещаться в ряд, поэтому по таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, например 10 шт. Мв=0,62
Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра.

Найдем количество вертикальных электродов

Если Nв>10, то нужно увеличить Мв, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.

По таблице 4 прикинем количество вертикальных электродов, итого 15 шт. Мв=0,56

Если Nв<15, все хорошо и можно принимать Nв=14 электродов.

Пойдем другим путем и из штырей сварим каркас, закопав его на 0,8 метра под землю. Так получаются горизонтальные заземлители.

По таблице 1 – Rз=4

По таблице 2 – р=40 Ом*м

По таблице 3 – Кс=1,6

Глубина забивания всех электродов от поверхности земли – 0,7 метра, плюс к этому половина длины двухметрового электрода и следовательно t’=1,7 метра

Прикинем количество горизонтальных электродов, например 30 шт. по таблице 6, Мг=0,24

Если Nг>30, то нужно увеличить Мг, что соответственно увеличит и примерное количество электродов.

По таблице 6 прикинем количество горизонтальных электродов, например 50 шт. Мг=0,21

Если Nг<10, все хорошо и можно принимать Nг=37 электродов.

Заземление учитывает свойство Земли проводить электричество. Электроды для заземления делают обычно из стали. Сталь со временем ржавеет и разрушается, и заземление пропадает. Процесс этот необратим, но можно использовать стальные стержни, покрытые цинком. Цинк тоже металл, но он плохо подвержен ржавлению до тех пор, пока слой цинка есть. Когда со временем цинк вымывается или стирается механическими способами, например, при забивании электродов в твердую почву камни могут ободрать покрытие, тогда скорость коррозии увеличится вдвое. Иногда используют специальные электроды с покрытием из меди.

Стержни для заземления можно брать те, которые использовались как арматура для бетона фундамента. Красить или покрывать смолистыми составами их нельзя – смола выступит как изолятор и заземления не будет вообще. Чем длиннее стержни, тем меньше их понадобится для заземления, но тем труднее их забить в почву. Поэтому вначале нужно выкопать траншею глубиной 1 метр. Забить в траншею кусок арматуры, предварительно заточенный, чтобы он выглядывал из дна траншеи не более 20 сантиметров. Следом через 2 метра забивают следующую арматуру и так далее по расчету. Следом на дно траншеи кладут арматуру и приваривают ее ко всем забитым штырям. Место сварки необходимо обмазать битумом для влагоизоляции. Это делается потому, что арматуру толщиной 12 миллиметров будет гнить в земле очень долго, а вот место сварки по площади относительно небольшое, но самое ответственное.

После забивания всех электродов можно провести эксперимент. Из дома вытягиваем удлинитель. Источник напряжения должен приходить со столба от подстанции. Использовать для проверки автономный источник типа генератора нельзя – не будет замкнутой цепи. На удлинителе находим фазу и подключаем один провод от лампочки, а вторым проводом прикасаемся к обваренным электродам. Если лампочка светится, то измеряем напряжение между фазным проводом и заземленными электродами, напряжение должно быть 220 В, а вот светиться лампочка должна достаточно ярко. Также можно измерить ток через лампочку в 100 Вт. Если ток примерно 0,45 А, все в порядке, но если ток значительно меньше – следует добавить заземляющих стержней.

Нужно добиться нормального свечения лампочки и тока в пределах нормы. После этого места сварки заливают битумом и выводят кусок арматуры из траншеи, прикрепив его к дому. После этого траншею можно засыпать. Выведенный кусок арматуры нужно приварить к электрическому распределительному щиту в коттедже. От щита уже развести медными кабелями все точки.

В этой части я расскажу о традиционных/ классических способах строительства заземлителей, применяемых примерно с начала двадцатого века.

Г. Основные способы строительства

Напомню, в прошлой части я остановился на общем подходе…

При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов - у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.

В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.

Существует два основных традиционных способа/ решения для строительства заземляющих электродов . Оба базируются на применении вертикальных заземляющих электродов.

Г1. Несколько коротких электродов (“уголок и кувалда”)

При таком подходе в качестве заземляющих электродов применяются небольшие (2-3 метра) стальные уголки/ штыри. Для создания заземлителя они соединяются вместе около поверхности грунта стальной полосой путем приваривания её к этим элементам электро или газосваркой.

Заглубление электродов в грунт производится банальным заколачиванием их кувалдой, которая находится в руках физически сильного и выносливого монтажника. Поэтому такое решение повсеместно применяется под условным названием «уголок и кувалда».

В частности:

• для уголка или прямоугольного профиля (полосы) из чёрной стали поперечное сечение должно составлять не менее 150 мм 2 при минимальной толщине стенки 5 мм
• для круглого стержня из чёрной стали минимальный диаметр должен быть 18 мм
• для трубного профиля из чёрной стали минимальный диаметр должен быть 32 мм при минимальной толщине стенки не менее 3,5 мм

Г1.1. Особенности решения

При увеличении количества электродов необходимо учитывать некоторые особенности.

Г1.1.1. Промерзание грунта зимой

Зимой из-за промерзания грунта на глубины, в которых находится половина длины электродов (а это до 2-х метров) сопротивление такого заземлителя увеличивается. Для компенсации этого увеличения (для сохранения удовлетворительного качества заземления) заземлитель выполняется с достаточным “запасом” электродов. Например, для трёхметровых электродов необходимо двухкратное увеличение количества.

Г1.1.2. Взаимное “экранирование”/ “затенение” электродов

Кроме того, увеличением количества электродов необходимо компенсировать само увеличение количества электродов:-) Этот негативный момент т.н. “экранирования”/ “затенения” возникает при использовании множества заземляющих электродов и не позволяет близкорасположенным электродам полноценно “рассеивать” ток в окружающий грунт. Выражается в виде коэффициента использования проводимости заземлителя (ссылка на сторонний сайт).

Например: десять электродов глубиной по 3 метра, расположенных в линию на расстоянии 3 метра (т.е. на расстояние = своей глубине) друг от друг “работают” на 60% от своей максимальной эффективности.
Десять этих же электродов, расположенных на расстоянии 6 метров (т.е. на расстояние = своей двойной глубине) друг от друга “работают” на 75% от своей максимальной эффективности.
Стопроцентная эффективность достигается отдалением электродов на расстояния около 30 метров (10 их глубин), что на практике никогда не используется в угоду стремления к адекватной компактности и стоимости монтажа заземляющего устройства.

Г1.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления и необходимого количества заземляющих электродов

Опишу расчёты на примере десяти наиболее часто используемых для такого способа трёхметровых электродов в виде стального равнополочного уголка с шириной полки 50 мм , монтируемых на расстоянии 3-х метров друг от друга в канаве глубиной 0,5 метров (в п. объяснение “почему так”). Грунт, в котором будут монтироваться эти электроды, будет суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м .

Расчёты не сложны и проводятся в 3 этапа.

Получаемое сопротивление заземления
1 этап. Для начала необходимо вычислить сопротивление заземления одного заземляющего электрода.
Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

R1 составит 27,8 Ом
(при p = 100 Ом*м, L = 3 м, d = 0.05 м (50 мм; для плоских электродов под диаметром понимается их ширина), T = 2 м (T - расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

2 этап. Общее сопротивление нескольких электродов в идеальных условиях будет меньше сопротивления заземления одного электрода во столько раз, сколько будет электродов.

Для десяти электродов общее сопротивление будет меньше в 10 раз и составит 2,78 Ом .

3 этап. “Компенсации”.
2 ( это).
Коэффициент использования проводимости электродов будет равен 0.6 , т.к. расстояние между электродами будет 3 метра (т.е. равное глубине электрода), а их количество - 10 штук ( это).
Оба коэффициента увеличивают сопротивление заземления.

Итоговое общее сопротивление заземления вышеприведенных 10-ти электродов будет равно 5,56 Ом летом и 9,27 Ом зимой.

Необходимое количество заземляющих электродов
Представим, что наша задача - заземлить телекоммуникационное оборудование и для этого необходимо получить заземление с сопротивлением не более 4 Ом .

1 этап. Всё повторяется. Вычисляем сопротивление заземления одного/ одиночного заземляющего электрода.

R1 составит 27,8 Ом .

2 этап. Количество электродов в идеальных условиях напрямую зависит от необходимого сопротивления заземления с округление в большую сторону (“потолок”).

Для достижения 4-х Ом количество электродов получится 7 штук (округление 6,95).

3 этап. “Компенсации”.
Сезонный коэффициент (увеличения сопротивления заземления в замерзшем зимой грунте) для таких электродов будет равен 2 .
Коэффициент использования проводимости электродов будет зависеть от рассчитываемого количества электродов - заранее его не выбрать. Однако можно прикинуть наихудший вариант и, допустив, что электродов будет больше 20, взять для расчёта величину 0,5 .
Оба коэффициента увеличивают необходимое количество заземляющих электродов.

Итоговое необходимое количество вышеприведенных заземляющих электродов будет равно 28 штук (округление 27,8). Совпадение с сопротивлением заземления одного электрода случайно.

Г1.3. Монтаж

Монтаж описанного выше многоэлектродного заземлителя выглядит примерно так.

Углубление на 0,5-0,7 метра (канава) необходимо для механической и погодной изоляции проводника (полосы) и верхушек электродов. Например, чтобы не повредить их во время копки грунта для цветника и чтобы сталь меньше намокала во время дождя (это позволяет уменьшить её коррозию, а значит увеличить срок службы).

Взаимное расстояние между электродами не менее 3-х метров является некоторый мерой противодействия эффекту “экранирования”/ “затенения” электродов друг от друга.

Использование сварки для соединения элементов из чёрной стали - настоятельно рекомендовано ПУЭ (п. 1.7.139).

Используемые материалы:

• стальной уголок шириной 50 мм и толщиной стенки 5 мм = 84 метра
• или отрезки стальной гладкой арматуры диаметром 18 мм = 84 метра
• стальная полоса 4*50 мм = около 85 метров

Используемый инструмент:

• лопата
• кувалда потяжелее (4-5 кг)
• сварочный аппарат

Используемые ресурсы:

• сильный и выносливый монтажник

Г1.4. Достоинства и недостатки

Достоинства:

• простота
• дешевизна материалов и монтажа
• доступность материалов и монтажа

Недостатки:

• высокая стоимость доставки материала на объект (в легковой автомобиль не положить из-за размеров и веса материалов)
• необходимость применения большого объема грубой силы (копать канаву, махать кувалдой)
• необходима сварка, а значит, сварочный аппарат и человек с навыками сварщика. Ситуация усугубляется при отсутствии на объекте электричества.
• большая площадь, занимаемая заземлителем: часто несколько десятков метров около здания (десять 3-метровых электродов должны будут расположены в канаве длиной 27 метров)
• небольшой срок службы электродов в 5-15 лет (особенно в грунтах с высокими грунтовыми водами). Увеличение поперечных размеров (толщины стали) чревато увеличением сложности монтажа.
• неудобный монтаж, т.к. при использовании даже 2-метровых электродов в начале забивания необходимо вставать на какую-то скамейку/ лестницу и уже с нее “махать кувалдой”
• невозможность монтажа в каменистом грунте

Г1.5. Уменьшение количества электродов

Иногда совместно с этим решением применяется метод кардинального снижения удельного электрического сопротивления грунта, который позволяет сократить количество заземляющих электродов в 2-3 раза при сохранении получаемого сопротивления заземления. Иными словами - этот метод позволяет существенно снизить сопротивление заземления.
Речь идёт о засолении грунта в месте размещения электродов путем добавления в него большого объема поваренной соли NaCl (в среднем - 5 килограмм на метр длины канавы, в которую ведется монтаж). При её растворении в грунте (выщелачивании (wiki)) резко повышается концентрация ионов, участвующих в переносе заряда, а следовательно снижается его (грунта) электрическое сопротивление.

При неоспоримом положительном достоинстве такого метода, а также при его простоте и дешевизне - он имеет два огромных недостатка , которые грозят восстановлением заземлителя практически “с нуля”:

• за счет вымывания соли из грунта (дожди, весеннее таяние снега), концентрация ионов падает до естественного уровня за 1-3 года
• соль вызывает сильную коррозию стали, разрушая электроды и заземляющий проводник за 2-3 лет

Г2. Одиночный глубинный электрод (“обсадная труба”)

Г2.1. Особенности решения
Г2.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления
Г2.3. Монтаж
Г2.4. Достоинства и недостатки

При таком подходе заземлителем является глубокий электрод (чаще всего одиночный) в виде стальной трубы, размещенной в пробуриваемом в грунте отверстии. Бурение и размещение в отверстии трубы выполняется специальной машиной - буровой установкой (обычно на базе грузового автомобиля).

Большая площадь контакта заземлителя с грунтом (вот о чём я) достигается большой длиной (вернее, глубиной) электрода. Кроме того, за счет достижения глубинных слоев грунта, в большинстве случаев имеющих меньшее удельное электрические сопротивление, такой способ имеет бОльшую эффективность (меньшее сопротивление заземления), чем первый - при одинаковой суммарной длине электродов.

Г2.1. Особенность решения

При увеличении глубины электрода необходимо учитывать, что в однородном грунте сопротивление заземления снижается не пропорционально этому увеличению (больше глубина -> меньше уменьшение сопротивления).

Поэтому при отсутствии на глубине слоев грунта с более низким удельным электрическим сопротивлением стоит рассмотреть вопрос увеличения количества электродов, а не увеличения глубины одиночного электрода. На решение этого вопроса будут влиять и стоимость монтажа дополнительных электродов, и доступность площади для их размещения.

Г2.3. Монтаж

На практике монтаж такого заземлителя в чём-то проще монтажа многоэлектродного заземлителя из первого решения ().

Используемые материалы:

• стальная труба диаметром 100-200 мм с толщиной стенки 3,5-5 мм = 30 метров
• стальная полоса 4*50 мм = около 5 метров
• битум или антикоррозионная краска

Используемый инструмент:

• буровая установка
• лопата
• сварочный аппарат

Используемые ресурсы:

• монтажник, обладающий навыками сварщика

Г2.4. Достоинства и недостатки

Достоинства:

• высокая эффективность
• компактность, т.к. не нужно “городить” множество электродов
• сезонная НЕзависимость качества заземления. Зимой из-за промерзания грунта сопротивление такого заземлителя почти не изменяется из-за нахождения в зоне промерзающего грунта не более 5-10% длины электрода.

Недостатки:

Современные технологии

Традиция - это прогресс в минувшем; в будущем прогресс станет традицией (Эдуар Эррио)

В конце двадцатого века было разработано решение, которое обладает достоинствами обоих описанных выше способов, не имея присущих им недостатков.

Кроме того, сильное влияние засоления грунта на снижение сопротивления заземления (п. ) настолько привлекло внимание инженеров, что было найдено “лекарство” от недостатков этого метода - вымывания соли из грунта и коррозии электродов. Оно породило очень интересный способ строительства заземлителя, применимый там, где пасуют простые металлические электроды - в вечномёрзлых, а также каменистых грунтах.

О них я расскажу в следующей , заключительной, части.

UPD: Дополнительно по заземлению в частных домах

Тем, кто живёт в частных домах. /Бодрю/ Ребят, не впадайте в панику из-за большого количества заземляющих электродов в примере. Там я рассчитывал устройство с сопротивлением не более 4 Ом. Это весьма жесткие требования. Для заземления электросети частного дома достаточно строить заземление с сопротивлением не более 10 Ом.
Вот почему:

1. Это сопротивление оптимально с точки зрения работы защитных автоматов
2. Это сопротивление достаточно для подключения к устройству молниеприёмников (ну мало ли - вдруг захотите)
3. Это сопротивление достаточно для гарантированного срабатывания УЗИПов, которые рекомендуется ставить в щит на вводе в дом. УЗИПы нужны для защиты вашего электрооборудования от импульсных перенапряжениях при попадании молнии в воздушную линии электропередачи где-нибудь по ходу линии от трансформатора
)
4. Собственный опыт и знания

В случаях, когда естественные заземлители не удовлетворяют требованиям ПУЭ, применяют искусственные заземлители, которые в зависимости от формы и расположения в грунте делят на три группы:
углубленные - из полосовой или круглой стали, укладываемые горизонтально на дно котлованов зданий по периметру фундаментов;
горизонтальные - из круглой или полосовой стали, уложенные в траншею;
вертикальные - из стальных вертикально ввинченных или вдавленных в грунт стержней из круглой стали.
Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10-16 мм, полосовую сталь сечением 40 х 4 мм, отрезки угловой стали 50 х 50 х 5 мм. Длина вертикальных ввинчиваемых и вдавливаемых заземлителей - 4,5-5 м; забиваемых - 2,5-3 м. В производственных помещениях с электроустановками напряжением до 1 кВ применяют магистрали заземления из стальной полосы сечением не менее 100 мм 2 , а напряжением выше 1 кВ - не менее 120 мм 2 .
Искусственные углубленные заземлители, заранее заготовленные в мастерских, укладывают на дно котлованов под фундаменты строящихся зданий и сооружений. Вертикальные заземлители из круглой стали диаметром 16 мм ввертывают в грунт или вдавливают. Для этих целей используют различные передвижные механизмы (копры, автоямобуры, вибраторы, гидропрессы, бурильно-крановые машины) и ручные приспособления. Рытье траншей производят землеройными машинами.

Верх вертикальных заземлителей заглубляют на 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли. Над дном траншеи заземлители должны выступать на 0,1-0,2 м для удобства приварки к ним соединительных горизонтальных круглых стержней (сталь круглого сечения более устойчива против корррзии, чем полосовая). Горизонтальные заземлители укладывают в траншеи глубиной 0,6-0,7 м от уровня планировочной отметки земли.
Все соединения в цепях заземлителей выполняют сваркой внахлестку. Качество сварных швов проверяют осмотром, а прочность - ударом молотка массой 1 кг. Места сварки во избежание коррозии покрывают битумным лаком.
У мест ввода заземляющих проводников в здания устанавливают опознавательные знаки заземлителя. Расположенные в земле заземлители и заземляющие проводники не окрашивают. Если в фунте содержатся примеси, вызывающие повышенную коррозию, применяют заземлители увеличенного сечения, круглую сталь диаметром 16 мм, оцинкованные или омедненные заземлители или осуществляют электрическую защиту от коррозии.
Горизонтальные заземлители в местах пересечения с подземными сооружениями (кабелями, трубопроводами), с железнодорожными путями и автомобильными дорогами, а также в местах возможных механических повреждений защищают асбестоцементными трубами. По окончании монтажа заземлителей перед засыпкой траншей составляют акт освидетельствования скрытых работ.

Монтаж заземляющих и нулевых защитных проводников.

Заземляющие проводники прокладывают горизонтально и вертикально или параллельно наклонным конструкциям зданий.
В сухих помещениях заземляющие проводники укладывают непосредственно по бетонным и кирпичным основаниям с креплением полос дюбель-гвоздями (рис. 3.3, а), а в сырых, особо сырых помещениях и помещениях с едкими парами - на подкладках (рис. 3.3, б) или опорах (держателях) на расстоянии не менее 10 мм от основания (рис. 3.3, в, г).
Проводники крепят на расстояниях 600-1000 мм на прямых участках, 100 мм на поворотах от вершин углов, 100 мм от мест ответвлений, 400-600 мм от уровня пола помещений и не менее 50 мм от нижней поверхности съемных перекрытий каналов. Соединение заземляющих проводников и присоединение их к металлическим конструкциям зданий выполняют сваркой внахлестку, за исключением разъемных мест, предназначенных для измерений. При соединениях проводников длину нахлестки для сварки принимают равной ширине полосы при прямоугольном сечении и шести диаметрам - при круглом сечении.
Заземляющие проводники к корпусам машин и аппаратов присоединяют под заземляющий болт на их корпусах. Если машины установлены на салазках, их заземляют присоединением салазок к заземляющему проводнику. Открыто проложенные заземляющие и нулевые защитные проводники имеют отличительную окраску - по зеленому фону прокрашивают желтую полосу вдоль проводника.

Виды крепления заземляющих проводников :
а - к стене; б - на подкладках; в, г - на держателях для полосовой и круглой стали; У - дюбель; 2 - полоса; 3 - подкладка; 4 - держатель; 5 - круглая сталь
Места, предназначенные для подсоединения инвентарных переносных заземлителей, не окрашивают.

Технология монтажа устройств молниезащиты зданий и сооружений.
Устройства молниезащиты (молниеотводы) состоят из молние- приемников, непосредственно воспринимающих на себя удар молнии, токоотводов и заземлителей. Для монтажа молниеприемников стержни из круглой, полосовой, угловой, трубчатой стали сечением не менее 100 мм 2 , длиной не менее 200 мм устанавливают вертикально, укрепляя их на опоре или непосредственно на самом защищаемом здании или сооружении;
тросовые - из стального многопроволочного оцинкованного троса не менее 35 мм 2 (диаметр около 7 мм), укрепляют на опорах над защищаемыми зданиями или сооружениями;
молниеприемную сетку - из стальной проволоки диаметром 6 мм укладывают непосредственно на неметаллическую кровлю здания или под несгораемый утеплитель. В зависимости от категории здания по устройству молниезащиты сетки применяют с ячейками размерами 6 х 6; 3 х 12; 12 х 12; 6 х 24 м.
Молниеприемником могут служить также металлические кровля и другие металлические части, возвышающиеся над зданием (сооружением). Конструкции токоотводов и заземлителей в устройствах
молниезащиты подобны конструкциям заземляющих проводников и заземлителей в устройствах защитного заземления электроустановок, поэтому требования к их устройству и прокладке, а также методы производства монтажных работ аналогичны описанным выше.

Для защиты подземных металлических сооружений от коррозии , вызываемой блуждающими токами, применяют поляризованный дренаж. Защита обеспечивает отвод блуждающих токов от подземных металлических сооружений через дренажное устройство в рельсовую сеть или отрицательную шину тяговой подстанции.
Поляризованный электрический дренаж УЭДЗ-2 используют, если потенциал подземного металлического сооружения по отношению к рельсовой сети или к земле положительный либо знакопеременный и когда разность потенциалов «подземное сооружение рельс» больше разности потенциалов «подземное сооружение - земля».
УЭДЗ-2 устанавливают на стене здания, на столбе, на металлических опорах или специальной стойке на высоте 1-1,5 м от земли. К дренажу должен быть обеспечен доступ в любое время года. Дренажные кабели подводят через отверстия на дне корпуса.

Кабель, идущий к защищаемому металлическому сооружению, подключают к клемме со знаком (-). Дренажный кабель прокладывают в земле на глубину 0,5-0,7 м, в соответствии с типовой документацией, серия 5.905-6 «Узлы и детали электрозащиты подземных инженерных сетей от коррозии».

Для того чтобы обеспечить электротехническую безопасность в доме или на предприятии, необходимо установить заземляющий контур. Земля, является отличным проводником, который заряжен отрицательно, и если корпус мощных электрических приборов соединить с этим проводником, посредством вертикального заземления, то можно не опасаться поражения электрическим током, даже в случае утечки фазного напряжения.

Чтобы осуществить монтаж вертикального заземления, которое бы отвечало всем правилам и стандартам, необходимо ознакомиться с основными принципами правильной установки этого метода электротехнической защиты.

Материалы для вертикального заземления

Как показала практика, лучший вертикальный заземлитель — это стальной круглый стержень, который устанавливается в грунт, непосредственно возле защищаемого объекта. Кроме стального прута, допускается использовать в качестве заземлителя медный провод. Но учитывая высокую стоимость этого материала, его не так часто используют в качестве заземляющего проводника. Одного прута не достаточно для обеспечения надёжной защиты от поражения электрическим током, поэтому стержни помещённые на некотором расстоянии друг от друга соединяются с помощью электросварки.

Для того чтобы осуществить соединение стержней между между собой, необходимо приобрести арматуру, которая приваривается к каждому заземлителю из круглой стали, и вводится в дом для подключения к электрическим приборам и устройствам.

Цена стального стержня невелика, а при наличии электросварочного аппарата, все работы можно выполнить самостоятельно. Стоимость расходных материалов при проведении подобных работ, также не будет слишком большой, поэтому заземление, которое выполнено с использование стальных стержней и арматуры, не потребует значительных финансовых вложений.

Расчёт параметров

Прежде чем приступить к выполнению монтажных работ, необходимо осуществить правильный расчёт параметров заземления. Площадь соприкосновения вертикального заземлителя с породой напрямую зависит от сопротивления грунта.

Если осуществляется в северных районах страны, где грунт промерзает на значительную глубину, площадь соприкосновения проводника с грунтом должна быть более значительной, чем на юге, где грунт не промерзает на глубину более 0,5 метра.

При промерзании грунта его сопротивление резко увеличивается, что негативно сказывается на эффективности заземляющего контура. Поэтому, для обеспечения надлежащего уровня электротехнической защиты в условиях вечной мерзлоты, могут применяться монтажные технологии, отличающиеся от общепринятых.

Если земля полностью промёрзла, то необходимо осуществить бурение на значительную глубину, установить металлические электроды и засыпать отверстие ранее удалённым грунтом.

От породы, в которой необходимо осуществить заземление, также зависит площадь соприкосновения грунта с грунтом и удельное сопротивление вещества.

Наибольшее значение сопротивления в скальном и каменистом грунте. Длина вертикального заземлителя, в этом случае, будет максимальной, для того чтобы обеспечить нормальное прохождение электрического тока в породе. В таких условиях монтаж вертикального заземления, является единственным способом осуществить электротехническую защиту объекта. Наиболее оптимальный вариант установки электротехнической защиты в таких условиях — это применение специального вибратора, который позволяет довольно легко осуществить монтаж стержня в скальном или каменистом грунте.

Если осуществляется монтаж заземления в чернозёме и торфе, то для обеспечения нормального заземления, достаточно погружения электрода на глубину 1,5 метра.

Диаметр вертикального заземлителя должен быть не менее 16 мм. Обычно в качестве вертикальных стержней для заземления, используется металлическая арматура диаметром 18 — 20 мм.

Монтаж оборудования

После того, как будет определён тип грунта, где планируется установка заземления, можно приступать к установке стержней.

Прежде чем устанавливать стержни в землю, необходимо снять верхний слой грунта на глубину не менее 0,5 метра. Обычно такая траншея делается по периметру всего здания. Расстояние между вертикальными заземлителями должно быть не более 5 метров. Количество вертикальных заземлителей несложно подсчитать, если общую длину траншеи разделить на «5». Например, при общей длине траншеи в 50 метров, количество вертикальных заземлителей составит 10 штук.

Для того чтобы осуществить проникновение стержней в грунт на необходимую глубину, можно их вбить с помощью кувалды. Если грунт мягкий, а длина стержней не превышает 3 метров, то монтаж ручным способом не займёт много времени и сил. Для удобства дальнейшего монтажа, необходимо установить вертикальные стержни в траншее таким образом, чтобы они возвышались от дна на высоте 10 — 20 см.

Если грунт достаточно каменист, можно применить отбойным молоток со специальной насадкой для установки вертикальных стержней.

Оригинальным способом монтажа пользуются в том случае, если есть трактор-экскаватор типа «Петушок». Гидравлический привод управления ковшом позволяет с достаточным усилием воздействовать на вертикально поставленный стержень, чтобы последний полностью вошёл даже в каменистый грунт.

После установки всех вертикальных заземлителей их соединяют между собой горизонтально расположенными кусками арматуры.

Диаметр горизонтально расположенных стержней должен составлять не менее 10 см, иначе не будет достигнуто показание сопротивления на необходимом уровне.

Соединить стержни между собой можно стальной лентой. Ширина ленты должна быть не менее 48 мм, а толщина металла — не менее 4 мм. Сварка должна быть выполнена качественно, чтобы в местах соединения металла не образовался процесс коррозии, который может быть значительно усилен токами, проходящими через сварной шов.

Чтобы обеспечить беспрепятственное истечение электрического тока по проводнику следует обеспечить по всему периметру электрического контура, сопротивление вертикальных заземлителей, равное 4 Ом. Если не удаётся добиться данного идеального показателя сопротивления, допустимо отклонение этого значения до 10 Ом, без ухудшения защитных свойств вертикального заземления.

Если сразу после установки электротехнической защиты её вводят в эксплуатацию, то места, где расположены вертикальные стержни, необходимо полить значительным количеством воды. Таким образом удаётся восстановить структуру грунта, который будет максимально эффективно передавать электрический потенциал от металлических стержней земле.

Самостоятельная установка

Вертикальные электроды заземления, можно установить самостоятельно. При установке необходимо знать состав грунта, чтобы определить примерную глубину установки рабочих электродов. Для установки заземления потребуется приобрести сварочный аппарат и необходимое количество электродов для того чтобы сварить вертикальные и горизонтальные заземлители.

Для соединения металлов не рекомендуется использовать различные зажимы и другие резьбовые соединения. Со временем такие места могут значительно ухудшить проводимость участка электрической цепи, что негативно скажется на эффективности заземляющего контура. Если грунт не промерзает в зимнее время на глубину более 0,5 метра, и не является скальным или каменистым, то можно использовать круглый стержень длиной не более 1,5 метров.

При неблагоприятных условиях для установки заземления, глубина размещения стержней должна составлять не менее 3 метров, а расстояние между ними может быть уменьшено до 4 метров. Не рекомендуется далее уменьшать расстояние между электродами, иначе общее сопротивление заземляющей установки может значительно увеличиться, за счёт эффекта экранирования.

Если нет желания заниматься монтажом заземления самостоятельно, то можно обратиться в специализированные фирмы, которые в кратчайшие сроки установят вертикальное заземление на прилегающем к дому участке. Несмотря на то, что такие услуги будут стоить денег, экономия времени может быть значительна. И если этот ресурс, является очень важным, то лучше доверить работу профессионалам.

Заземлитель - это основной элемент заземляющего устройства. Заземлитель представляет собой одиночный заземляющий электрод или группу электродов (контур заземления), находящихся в электрическом контакте с землей.

Функциональность заземлителя определяется прежде всего сопротивлением заземления , которое должны быть минимально низким. Для этого используются различные методы, в том числе глубинные заземлители.

Использование глубинного заземлителя позволяет существенно уменьшить площадь, занимаемую заземлителем на поверхности, а также повысить его эффективность (уменьшить сопротивление заземления), так как электрод(ы) такого заземлителя находится в слоях грунта с меньшим удельным сопротивлением, чем у поверхностных слоев (за счет большей влажности и плотности почвы).

Этот способ строительства заземлителя в прошлом не часто использовался из-за сложности монтажа, где требовалось привлечение специальной строительной техники - буровой установки.

В настоящем, с широким распространением модульного заземления , монтаж глубинных заземлителей стал простым и быстрым без привлечения спецтехники. Простота позволяет производить работы в подвальных помещениях.

Естественный заземлитель

Естественными заземлителями называют металлические сооружения, имеющие контакт с грунтом и которые можно использовать для заземления.
В качестве естественных заземлителей используют например:

• металлические конструкции и арматуру железобетонных конструкций зданий и сооружений, контактирующие с грунтом
• проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, а также обсадные трубы

Естественные заземлители должны быть связаны с объектом не менее чем двумя заземляющими проводниками, присоединенными к такому заземлителю в разных местах.

В качестве естественных заземлителей нельзя использовать :

• трубопроводы горючих жидкостей, горючих или взрывчатых газов
• трубопроводы, покрытые изоляцией для защиты от коррозии
• трубопроводы канализации и центрального отопления

В тех случаях, когда естественные заземлители отсутствуют либо имеют слишком высокое сопротивление заземления, используют искусственные заземлители.

Искусственный заземлитель

Искусственными заземлителями называются устанавливаемые в земле металлические конструкции, специально предназначенные для целей заземления.

В качестве искусственных заземлителей применяют:

• вертикально погруженные в землю стальные трубы, уголковую сталь, металлические стержни и т. п.
• горизонтально проложенные в земле стальные полосы, круглую сталь и т. д.

Для защиты заземлителя от коррозии используются оцинкованные или омедненные (лучше) электроды. Примером искусственного заземлителя на основе омедненных электродов является