Заземляющие устройства

ЗАЗЕМЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Заземление электроустановок осуществляется преднамеренным соединением с заземляющим устройством.
Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземлителем называется металлический проводник или группа проводников, находящихся в непосредственном соприкосновении с землей. Заземляющими проводниками называются металлические проводники, соединяющие заземляемые части электроустановок с заземлителем
Если через заземлитель пропустить ток, то на самом заземлителе и в точках земли, расположенных в непосредственной близости от него, возникнут потенциалы, измеряемые относительно бесконечно удаленной точки, график распределения которых показан на рис. 12-1. Из графика видно, что с удалением от места расположения заземлителя потенциал уменьшается, так как поперечное сечение земли, через которое проходит ток, увеличивается в большей степени. В удаленных точках потенциалы близки к нулю. Таким образом, в качестве точек нулевого потенциала могут служить точки, достаточно удаленные от заземлителя, потенциалы которых практически равны нулю. Обычно достаточно расстояние в несколько десятков метров. Крутизна кривой распределения потенциалов зависит от проводимости грунта: чем меньше проводимость грунта, тем более пологую форму имеет кривая, тем дальше расположены точки нулевого потенциала.

Рис. 12-1. Распределение потенциалов при растекании тока в земле с одиночного вертикального заземлителя.

Сопротивление, которое оказывает току грунт, называется сопротивлением растеканию. В практике сопротивление растеканию относят не к грунту, а к заземлителю и применяют сокращенный термин «сопротивление заземлителя». Сопротивление заземлителя определяется отношением напряжения на заземлителе относительно точки нулевого потенциала к току, проходящему через заземлитель:

Таким образом, сопротивление заземляющего устройства включает сопротивление заземлителя (активное) и сопротивление заземляющей сети (активное и индуктивное, доля индуктивного сопротивления растет при применении стальных проводников).
Удельное сопротивление грунта зависит от его характера, температуры, содержания в нем влаги и электролитов. Наибольшее сопротивление имеет место в зимнее время при промерзании грунта и в летнее время при его высыхании. Измерение удельного сопротивления грунта обязательно с точки зрения того, чтобы не затратить излишние средства на сооружение заземлений (а это будет ясно лишь по окончании работ по устройству заземлений), а также чтобы не пришлось уже после сооружения установки осуществлять дополнительные мероприятия по расширению заземляющих устройств. С целью получения достоверных результатов измерения удельного сопротивления грунта следует производить в теплое время года, а увеличение сопротивления вследствие высыхания или промерзания грунта учитывается повышающими коэффициентами.

Для устройства заземлении в установках переменного тока следует в первую очередь использовать естественные заземлители.
Естественные заземлители — это различные конструкции и устройства, которые по своим свойствам могут одновременно выполнять функции заземлителей: водопровод, металлические оболочки кабелей, металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, имеющие надежное соединение с землей.
В водопроводной сети, если трубы не изолированы от земли и выполнены из стали или чугуна, происходит растекание тока в землю на большом протяжении. Водопроводные трубы укладываются ниже глубины промерзания (и высыхания), поэтому сопротивление растеканию можно считать постоянным в течение года.
Свинцовые оболочки проложенных в земле кабелей могут обеспечивать достаточно малые значения сопротивления растеканию, и поэтому их использование рекомендуется. Алюминиевые оболочки кабелей, выпускающиеся с защитными покровами для предотвращения коррозии алюминия при соприкосновении с землей, для устройства заземлений применены быть не могут. Стальная броня кабелей как заземлитель в расчет не принимается.
Железобетонные фундаменты во влажных грунтах обладают высокой и стабильной в течение года проводимостью и рекомендуются в качестве естественных заземлителей в глинистых, суглинистых, супесчаных и других влажных грунтах. При использовании железобетонных конструкций для возможности их соединений между собой и сетью заземления должны заранее предусматриваться выводы арматуры наружу.
Преимуществом рассмотренных естественных заземлителей является малое сопротивление растеканию. Рациональное использование естественных заземлителей упрощает и удешевляет сооружение заземляющих устройств. Сопротивления естественных заземлителей зависят от многих местных факторов, и достоверные данные могут быть получены только на основании замеров.
Под искусственными заземлителями понимаются закладываемые в землю металлические электрода» специально предназначенные для устройства заземлений. Во избежание излишних затрат эти заземлители следует применять лишь при отсутствии естественных заземлителей, невозможности их использования или при слишком высоком сопротивлении естественных заземлителей.
Искусственные заземлители обычно выполняются из вертикальных электродов (труб, углов, стержней) с расположением верхнего конца у поверхности земли или ниже уровня земли на 0,5—0,7 м (рис. 12-2). При втором способе сопротивление заземления относительно стабильно, так как заземлитель соприкасается со слоями грунта, в которых относительно малы изменения влажности и температуры в течение года. Если заземлитель из одиночного вертикального электрода (рис. 12-2) не обеспечивает требуемого сопротивления заземления, то применяется расположение вертикальных электродов в ряд (рис. 12-3) или по контуру (рис. 12-4).

Рис. 12-2. Одиночные вертикальные заземлители с расположением верхнего конца у поверхности земли (а) и ниже уровня земли (б).

Рис. 12-3. Расположение вертикальных заземлителей в ряд.

При выборе размеров вертикальных электродов исходят из трех условий:
1) обеспечение требуемого сопротивления заземлителя при наименьшем расходе металла;
2) обеспечение механической устойчивости электрода при погружении в грунт;
3) обеспечение устойчивости к коррозии электродов, расположенных в грунте.
Устойчивость к коррозии проводника в грунте определяется его толщиной и площадью поверхности на единицу длины его, соприкасающейся с грунтом. Очевидно, что при равных сечениях наибольшую толщину и наименьшую поверхность имеют круглые стержни, которые и являются наиболее долговечными заземлителями.

Рис. 12-4. Контурный заземлитель. 1 — соединительные стальные полосы; 2 — стальные трубы.

Сопротивление растеканию электрода определяется в основном его длиной и мало зависит от поперечных размеров электрода. Расход же металла прямо пропорционален поперечному сечению электрода и наиболее экономичными являются заземлители наименьших возможных сечении.
Наибольшую механическую прочность при погружении в грунт при одинаковом поперечном сечении имеют трубы и уголки, наименьшую — круглые стержни. Исходя из механической прочности при погружении забивкой или вибрационным способом выбирают трубы диаметром и уголки соответственно 50х50 и 60х60 мм. Целесообразнее применять угловую сталь, так как она дешевле труб. Обычно применяемая длина вертикальных электродов равна 2 — 3 м. Применение электродов большей длины (5 — 20 м) целесообразно при высоком сопротивлении грунта и малой площади, отводимой под устройство заземлителя.
В последнее время получают распространение вертикальные заземлители в виде стержней из круглой стали диаметром 16—18 мм.
Погружение их в грунт производится ввертыванием с оконцеванием стержня в виде буравчика. Применение стержней вместо труб и уголков приводит к экономии металла (примерно 0,5 т на 100 электродов). Погруженные в грунт вертикальные электроды соединяют стальными полосами, проложенными на глубине 0,5 — 0,7 м и приваренными к верхним концам вертикальных электродов. Вместо полос часто применяется круглая сталь. Иногда горизонтально проложенные полосы или круглая сталь применяются как самостоятельные заземлители. Заземлители в виде пластин, колец и т. п. применяются реже.
При применении пластин в качестве заземлителей они располагаются вертикально во избежание нарушения соприкосновения с почвой и нарушения контакта при возможных осадках грунта.
Заземлитель в виде горизонтально расположенного в земле кольца выполняется из круглой или полосовой стали. Целесообразно размещение кольца ниже уровня промерзания.
Наименьшие размеры стальных заземлителей по условиям устойчивости к коррозии: диаметр круглой стали 6 мм; толщина полос 4 мм; сечение полос 48 мм2; толщина полок уголков 4 мм; толщина стенок труб 3,5 мм.
Так как заземлитель обычно состоит из нескольких параллельно соединенных электродов, расположенных на сравнительно небольших расстояниях друг от друга, то возникает явление экранирования (рис. 12-5), приводящее к уменьшению объема грунта, в котором происходит растекание тока с каждого электрода, и, как следствие этого, увеличение сопротивления заземлителя.

Рис. 12-5. Экранирование вертикальных заземлителей.

Таким образом, если заземлитель из одного электрода имеет сопротивление , то заземлитель из n параллельно включенных электродов имеет сопротивление не , а

где — коэффициент использования электрода.
Коэффициент использования электрода уменьшается с увеличением числа электродов и уменьшением расстояний между ними. Вследствие этого увеличение числа вертикальных электродов при тех же размерах ряда или контура приводит к незначительному уменьшению сопротивления растеканию. По этой же причине дополнительное заполнение электродами внутренней части контура приводит к небольшому уменьшению сопротивления.

Дополнительно по разделу:
Системы заземления
ПУЭ 7-е издание
Заземляющие устройства, защитные проводники и проводники уравнивания
потенциалов
ГОСТ Р 50571.5.54-2011
Защитное заземление и зануление электрооборудования
материалы для проектирования и рабочие чертежи ШИФР А10-93
Заземляющие устройства, опор воздушных линий электропередачи напряжением 0,38; 6; 10; 20 кВ
раздел подготовлен согласно типового проекта СЕРИЯ 3.407-150
Заземляющие устройства
основы электороснабжения
Требования к заземляющим устройствам
основы электроснабжения
Расчет заземляющих устройств
основы электроснабжения
Электрокоррозия подземных сетей блуждающими токами
основы электроснабжения
Повторное заземление нулевого провода на вводе в индивидуальный жилой дом