Расчет заземляющих устройств сводится главным образом к расчету собственно заземлителя, так как заземляющие проводники в большинстве случаев принимаются по условиям механической прочности и стойкости к коррозии по ПТЭ и ПУЭ. Исключение составляют лишь установки с выносным заземляющим устройством. В этих случаях рассчитываются последовательно включаемые сопротивления соединительной линии и заземлителя, так, чтобы их суммарное сопротивление не превышало допустимого.

Следует особо выделить вопросы расчета заземляющих устройств для заполярных и северо-восточных районов нашей страны. Для них характерны многомерзлые грунты, имеющие удельное сопротивление поверхностных слоев на один - два порядка выше, чем в обычных условиях средней полосы СССР.

Расчет сопротивления заземлителей в других районах СССР производится в следующем порядке:

1. Устанавливается необходимое по ПУЭ допустимое сопротивление заземляющего устройства r зм. Если заземляющее устройство является общим для нескольких электроустановок, то расчетным сопротивлением заземляющего устройства является наименьшее из требуемых.

2. Определяется необходимое сопротивление искусственного заземлителя с учетом использования естественных заземлителей, включенных параллельно, из выражений

(8-14)

где r зм -допустимое сопротивление заземляющего устройства по п. 1, R и-сопротивление искусственного заземлителя; R е-сопротивление естественного заземлителя. Определяется расчетное удельное сопротивление грунта расч с учетом повышающих коэффициентов, учитывающих высыхание грунта летом и промерзание зимой.

При отсутствии точных данных о грунте можно воспользоваться табл. 8-1, где приведены средние данные по сопротивлениям грунтов, рекомендуемые для предварительных расчетов.

Таблица 8-1

Средние удельные сопротивления грунтов и вод, рекомендуемые для предварительных расчетов

Примечание. Удельные сопротивления грунтов определены при влажности 10-20% к массе грунта

Измерение удельного сопротивления для получения более надежных результатов производят в теплое время года (май - октябрь) в средней полосе СССР. К измеренному значению удельного сопротивления грунта в зависимости от состояния грунта и от количества осадков вводятся поправочные коэффициенты к, учитывающие изменение вследствие высыхания и промерзания грунта, т. е. Р расч =Р к

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода R в.о. формулам табл. 8-3. Эти формулы даны для стержневых электродов из круглой стали или труб.

При применении вертикальных электродов из угловой стали в формулу вместо диаметра трубы подставляется эквивалентный диаметр уголка, вычисленный по выражению

(8-15)

где b - ширина сторон уголка.

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования

(8-16)

где R в.о. - сопротивление растеканию одного вертикального электрода, определенное в п. 4; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя; К и,в,зм - коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Таблица 8-2

Значение повышающего коэффициента к для различных климатических зон

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей даны в табл. 8-4 при расположении их в ряд и в табл. 8-5 при размещении их по контуру

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов Rг по формулам табл. 8-3. Коэффициенты использования горизонтальных электродов для предварительно принятого числа вертикальных электродов принимаются по табл. 8-6 при расположении вертикальных электродов в ряд и по табл. 8-7 при расположении вертикальных электродов по контуру.

7. Уточняется необходимое сопротивление вертикальных электродов с учетом проводимости горизонтальных соединительных электродов из выражений

(8-17)

где R г - сопротивление растеканию горизонтальных электродов, определенное в п.6; R и - необходимое сопротивление искусственного заземлителя.

Таблица 8-3

Формулы для определения сопротивления растеканию тока различных заземлителей

Таблица 8-4

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных в ряд, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Таблица 8-5

Коэффициенты использования вертикальных заземлителей, К и,в,зм, размещенных по контуру, без учета влияния горизонтальных электродов связи

Таблица 8-6

Коэффициенты использования К и,г,зм горизонтальных соединительных электродов, в ряду из вертикальных электродов

Таблица 8-7

Коэффициенты использования К и,г,зм вертикальных соединительных электродов в контуре из вертикальных электродов

8. Уточняется число вертикальных электродов с учетом коэффициентов использования по табл. 8-4 и 8-5:

Окончательно принимается число вертикальных электродов из условий размещения.

9. Для установок выше 1000 В с большими токами замыкания на землю проверяется термическая стойкость соединительных проводников по формуле (8-11).

Пример 1 . Требуется рассчитать контурный заземлитель подстанции 110/10 кВ со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 110 кВ - 3,2 кА, наибольший ток через заземление при замыканиях на землю на стороне 10 кВ - 42 А; грунт в месте сооружения подстанции - суглинок; климатическая зона 2; дополнительно в качестве заземления используется система тросы - опоры с сопротивлением заземления 1,2 Ом.

Решение 1. Для стороны 110 кВ требуется сопротивление заземления 0,5 Ом, Для стороны 10 кВ по формуле (8-12) имеем:

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве U расч принято равным 125 В, так как заземляющее устройство используется также и для установок подстанции напряжением до 1000 В.

Таким образом, в качестве расчетного принимается сопротивление rзм = 0,5 Ом.

2.Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования системы тросы-опоры

3. Рекомендуемое для предварительных расчетов удельное сопротивление грунта в месте сооружения заземлителя (суглинка) по табл. 8-1 составляет 1000 Ом м. Повышающие коэффициенты к для горизонтальных протяженных электродов при глубине заложения 0,8 м равны 4,5 и соответственно 1,8 для вертикальных стержневых электродов длиной 2 - 3 м при глубине заложения их вершины 0,5 - 0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления: для горизонтальных электродов Р расч.г = 4,5х100 = 450 Ом м; для вертикальных электродов расч.в= 1,8х100 = 180 Ом м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного вертикального электрода - уголка № 50 длиной 2,5 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

где d= d y,эд= 0,95; b = 0,95x0,95 = 0,0475 м; t =0,7 + 2,5/2 = 1,95 м;

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и,в,зм = 0,6:

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтальных электродов (полосы 40х4 мм 2), приваренных к верхним концам уголков. Коэффициент использования соединительной полосы в контуре К и,г,зм при числе уголков примерно 100 и отношении a/l = 2 по табл. 8-7 равен 0,24. Сопротивление растеканию полосы по периметру контура (l = 500 м) по формуле из табл. 8-3 равно:

7. Уточненное сопротивление вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использования К и, г, зм = 0,52, принятом из табл. 8-5 при n = 100 и a/l = 2:

Окончательно принимается 116 уголков.

Дополнительно к контуру на территории устраивается сетка из продольных полос, расположенных на расстоянии 0,8-1 м от оборудования, с поперечными связями через каждые 6 м. Дополнительно для выравнивания потенциалов у входов и въездов, а также по краям контура прокладываются углубленные полосы. Эти неучтенные горизонтальные электроды уменьшают общее сопротивление заземления, проводимость их идет в запас надежности.

9. Проверяется термическая стойкость полосы 40 × 4 мм 2 .

Минимальное сечение полосы из условий термической стойкости при к. з. на землю в формуле (8-11) при приведенном времени протекания тока к. з. tп = 1,1 равно:

Таким образом, полоса 40 × 4 мм 2 условию термической стойкости удовлетворяет.

Пример 2 . Требуется рассчитать заземление подстанции с двумя трансформаторами 6/0,4 кВ мощностью 400 кВА со следующими данными: наибольший ток через заземление при замыкании на землю на стороне 6 кВ 18 А; грунт в месте сооружения - глина; климатическая зона 3; дополнительно в качестве заземления используется водопровод с сопротивлением растеканию 9 Ом.

Решение. Предполагается сооружение заземлителя с внешней стороны здания, к которому примыкает подстанция, с расположением вертикальных электродов в один ряд длиной 20 м; материал - круглая сталь диаметром 20 мм, метод погружения - ввертывание; верхние концы вертикальных стержней, погруженные на глубину 0,7 м, приварены к горизонтальному электроду из той же стали.

1. Для стороны 6 кВ требуется сопротивление заземления, определяемое формулой (8-12):

где расчетное напряжение на заземляющем устройстве принято равным 125 В, так как заземляющее устройство выполняется общим для сторон 6 и 0,4 кВ.

Согласно ПУЭ сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Таким образом, расчетным является сопротивление заземления rзм = 4 Ом.

2. Сопротивление искусственного заземлителя рассчитывается с учетом использования водопровода в качестве параллельной ветви заземления

3. Рекомендуемое для расчетов сопротивление грунта в месте сооружения заземления (глина) по табл. 8-1 составляет 70 Ом*м. Повышающие коэффициенты к для 3-й климатической зоны по табл. 8-2 принимаются равными 2,2 для горизонтальных электродов при глубине заложения 0,7 м и 1,5 для вертикальных электродов длиной 2-3 м при глубине заложения их верхнего конца 0,5-0,8 м.

Расчетные удельные сопротивления грунта:

для горизонтальных электродов Р расч.г = 2,2 × 70 = 154 Ом*м;

для вертикальных электродов Р расч.в = 1,5х70 = 105 Ом*м.

4. Определяется сопротивление растеканию одного стержня диаметром 20 мм, длиной 2 м при погружении ниже уровня земли на 0,7 м по формуле из табл. 8-3:

5. Определяется примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте использования К и. г. зм = 0,9

6. Определяется сопротивление растеканию горизонтального электрода из круглой стали диаметром 20 мм, приваренного к верхним концам вертикальных стержней.

Коэффициент использования горизонтального электрода в ряду из стержней при числе их примерно 6 и отношении расстояния между стержнями к длине стержнями a/l = 20/5х2 = 2 в соответствии с табл. 8-6 принимается равным 0,85.

Сопротивление растеканию горизонтального электрода определяется по формуле из табл. 8-3 и 8-8:

Таблица 8-8

Коэффициенты повышения сопротивления по отношению к измеренному удельному сопротивлению грунта (или сопротивлению заземления) для средней полосы СССР

Примечания:1) к 1 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно минимальному значению (грунт влажный - времени измерений предшествовало выпадение большого количества осадков);

2) к2 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно среднему значению (грунт средней влажности - времени измерений предшествовало выпадение небольшого количества осадков);

3) к3 применяется, если измеренная величина Р (Rх) соответствует примерно наибольшему значению (грунт сухой - времени измерений предшествовало выпадение незначительного количества осадков).

7. Уточненное сопротивление растеканию вертикальных электродов

8. Уточненное число вертикальных электродов определяется при коэффициенте использованияК и. г. зм= 0,83, принятом из табл. 8-4 при n = 5 и a/l= 20/2х4 = 2,5 (n = 5 вместо 6 принято из условия уменьшения числа вертикальных электродов при учете проводимости горизонтального электрода)

Окончательно принимается четыре вертикальных стержня, при этом сопротивление растеканию несколько меньше расчетного.

Выдержка из Справочника по электроснабжению промышленных предприятий

под общей редакцией А. А. Федорова и Г. В. Сербиновского

Расчет заземления производится для того чтобы определить сопротивление сооружаемого контура заземления при эксплуатации, его размеры и форму. Как известно, контур заземления состоит из вертикальных заземлителей, горизонтальных заземлителей и заземляющего проводника. Вертикальные заземлители вбиваются в почву на определенную глубину.

Горизонтальные заземлители соединяют между собой вертикальные заземлители. Заземляющий проводник соединяет контур заземления непосредственно с электрощитом.

Размеры и количество этих заземлителей, расстояние между ними, удельное сопротивление грунта – все эти параметры напрямую зависят на сопротивление заземления.

К чему сводится расчет заземления?

Заземление служит для снижения напряжения прикосновения до безопасной величины. Благодаря заземлению опасный потенциал уходит в землю тем самым, защищая человека от поражения электрическим током.

Величина тока стекания в землю зависит от сопротивления заземляющего контура. Чем сопротивление будет меньше, тем величина опасного потенциала на корпусе поврежденной электроустановки будет меньше.

Заземляющие устройства должны удовлетворять возложенным на них определенным требованиям, а именно величины сопротивление растекания токов и распределения опасного потенциала.

Поэтому основной расчет защитного заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя. Это сопротивление зависит от размеров и количества заземляющих проводников, расстояния между ними, глубины их заложения и проводимости грунта.

Исходные данные для расчета заземления

1. Основные условия, которых необходимо придерживаться при сооружении заземляющих устройств это размеры заземлителей.

1.1. В зависимости от используемого материала (уголок, полоса, круглая сталь) минимальные размеры заземлителей должны быть не меньше:

• а) полоса 12х4 – 48 мм2;
• б) уголок 4х4;
• в) круглая сталь – 10 мм2;
• г) стальная труба (толщина стенки) – 3.5 мм.

Минимальные размеры арматуры применяемые для монтажа заземляющих устройств

1.2. Длина заземляющего стержня должна быть не меньше 1.5 – 2 м.

1.3. Расстояния между заземляющими стержнями берется из соотношения их длины, то есть: a = 1хL; a = 2хL; a = 3хL.

В зависимости от позволяющей площади и удобства монтажа заземляющие стрежни можно размещать в ряд, либо в виде какой ни будь фигуры (треугольник, квадрат и т.п.).

Цель расчета защитного заземления.

Основной целью расчета заземления является определить число заземляющих стержней и длину полосы, которая их соединяет.

Пример расчета заземления

Сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня):

где – ρ экв - эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом·м; L – длина стержня, м; d – его диаметр, м; Т – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м.

В случае установки заземляющего устройства в неоднородный грунт (двухслойный), эквивалентное удельное сопротивление грунта находится по формуле:

где – Ψ - сезонный климатический коэффициент (таблица 2); ρ 1 , ρ 2 – удельное сопротивления верхнего и нижнего слоя грунта соответственно, Ом·м (таблица 1); Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t - заглубление вертикального заземлителя (глубина траншеи) t = 0.7 м.

Так как удельное сопротивление грунта зависит от его влажности, для стабильности сопротивления заземлителя и уменьшения на него влияния климатических условий, заземлитель размещают на глубине не менее 0.7 м.

Заглубление горизонтального заземлителя можно найти по формуле:

Монтаж и установку заземления необходимо производить таким образом, чтобы заземляющий стержень пронизывал верхний слой грунта полностью и частично нижний.

Значение сезонного климатического коэффициента сопротивления грунта Таблица 2

Тип заземляющих электродов	Климатическая зона
	I	II	III	IV
Стержневой (вертикальный)	1.8 ÷ 2	1.5 ÷ 1.8	1.4 ÷ 1.6	1.2 ÷ 1.4
Полосовой (горизонтальный)	4.5 ÷ 7	3.5 ÷ 4.5	2 ÷ 2.5	1.5
	Климатические признаки зон
Средняя многолетняя низшая температура (январь)	от -20+15	от -14+10	от -10 до 0	от 0 до +5
Средняя многолетняя высшая температура (июль)	от +16 до +18	от +18 до +22	от +22 до +24	от +24 до +26

Количество стержней заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находится по формуле:

Rн - нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, определяется исходя из правил ПТЭЭП (Таблица 3).

Наибольшее допустимое значение сопротивления заземляющих устройств (ПТЭЭП) Таблица 3

Характеристика электроустановки	Удельное сопротивление грунта ρ, Ом·м	Сопротивление Заземляющего устройства, Ом
Искусственный заземлитель к которому присоединяется нейтрали генераторов и трансформаторов, а также повторные заземлители нулевого провода (в том числе во вводах помещения) в сетях с заземленной нейтралью на напряжение, В:
660/380	до 100	15
	свыше 100	0.5·ρ
380/220	до 100	30
	свыше 100	0.3·ρ
220/127	до 100	60
	свыше 100	0.6·ρ

Как видно из таблицы нормируемое сопротивления для нашего случая должно быть не больше 30 Ом. Поэтому Rн принимается равным Rн = 30 Ом.

Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя:

L г, b – длина и ширина заземлителя; Ψ – коэффициент сезонности горизонтального заземлителя; η г – коэффициент спроса горизонтальных заземлителей (таблица 4).

Длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей:

- в ряд; - по контуру.

а – расстояние между заземляющими стержнями.

Определим сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:

Полное количество вертикальных заземлителей определяется по формуле:

η в – коэффициент спроса вертикальных заземлителей (таблица 4).

Коэффициент использования показывает как влияют друг на друга токи растекания с одиночных заземлителей при различном расположении последних. При соединении параллельно, токи растекания одиночных заземлителей оказывают взаимное влияние друг на друга, поэтому чем ближе расположены друг к другу заземляющие стержни тем общее сопротивление заземляющего контура больше .

Полученное при расчете число заземлителей округляется до ближайшего большего.

Расчет заземления по указанным выше формулам можно автоматизировать воспользовавшись для расчета специальной программой «Электрик v.6.6», скачать ее можно в интернете бесплатно.

Заземление необходимо для обеспечения безопасности в случае повреждения электроустройств, изоляции силовой проводки, замыкания проводников. Суть заземления сводится к снижению потенциала в месте прикосновения к заземлённой электроустановке до максимально допустимых значений.

Снижение потенциала выполняется двумя способами:

• Зануление – соединение корпуса устройства с нулевым проводником, идущим к подстанции;
• Заземление – подсоединение корпуса к заземляющему контуру, расположенному в грунте за пределами здания.

Первый вариант осуществляется проще, но в случае повреждения нулевого проводника перестает выполнять свои функции, а это опасно. Поэтому наличие контура заземления является обязательным условием обеспечения безопасности.

Расчет заземления предполагает определение сопротивления заземляющего устройства, которое не должно быть больше заданного техническими нормами.

Заземляющий контур

Конструкция контура заземления, виды используемых материалов, ограничены условиями, которые содержатся в документах, к примеру, в ПУЭ, правилах устройства электроустановок.

Заземляться должны все без исключения электроустановки, как на подстанции, так и на предприятии или в быту.

Наиболее распространенной конструкцией заземляющего контура является один или несколько металлических штырей (заземлителей), заглубленных в землю и соединенных между собой сварным соединением. При помощи металлического проводника контур заземления соединяется с заземляемыми устройствами.

В качестве заземлителей используются неокрашенные стальные или стальные обмедненные материалы, размеры которых не должны быть меньше приведенных ниже:

• Прокат круглый – диаметр не менее 12 мм;
• Уголок – не менее 50х50х4 мм;
• Трубы – диаметром не менее 25 мм с толщиной стенок не менее 4 мм.

Чем лучше проводимость заземлителей, тем эффективнее работает заземление, поэтому самый предпочтительный вариант – использование медных электродов, но на практике это не встречается, ввиду высокой стоимости меди.

Ничем не покрытая сталь имеет высокую коррозионную способность, особенно на границе влажного грунта и воздуха, поэтому определена минимальная толщина стенок металла (4 мм).

Оцинкованный металл хорошо сопротивляется коррозии, но не в случае протекания токов. Даже самый минимальный ток вызовет электрохимический процесс, в результате чего тонкий слой цинка прослужит минимальное время.

Современные системы заземления выполняются на основе обмедненной стали. Поскольку количество меди для изготовления невысоко, то стоимость готовых материалов ненамного превышает стальные, а срок службы многократно возрастает.

Наиболее распространенными конструкциями контуров заземления являются треугольное или рядное размещение электродов. Расстояние между соседними электродами должно составлять 1.2-2 м, а глубина закладки – 2-3 м. Глубина закладки (длина электродов) во многом зависит от характеристик грунта. Чем выше его электрическое сопротивление, тем глубже должны залегать электроды. В любом случае эта глубина должна превышать глубину промерзания грунта, поскольку замерзший грунт имеет высокое омическое сопротивление. То же самое относится и к участкам земли с низкой влажностью.

Там, где возможно протекание токов высокого значения, к примеру, на подстанции или предприятии с мощным оборудованием, подход к выбору конструкции контура заземления и его расчет имеют очень большое значение для безопасности.

Факторы сопротивления заземления

Расчет защитного заземляющего устройства зависит от многих условий, среди которых можно выделить основные, которые используются при дальнейших расчетах:

• Сопротивление грунта;
• Материал электродов;
• Глубина закладки электродов;
• Расположение заземлителей относительно друг друга;
• Погодные условия.

Сопротивление грунта

Сам по себе грунт, за несколькими исключениями, обладает низкой электропроводностью. Данная характеристика меняется, в зависимости от содержания влаги, поскольку вода с растворенными в ней солями является хорошим проводником. Таким образом, электрические свойства грунта зависят от количества содержащейся влаги, солевого состава и свойств грунта удерживать в себе влагу.

Распространенные типы грунта и их характеристики

Тип грунта	Удельное сопротивление ρ, Ом м
Скала	4000
Суглинок	100
Чернозем	30
Песок	500
Супесь	300
Известняк	2000
Садовая земля	50
Глина	70

Из таблицы видно, что удельное сопротивление может отличаться на несколько порядков. В реальных условиях ситуация осложняется тем, что на разных глубинах тип грунта может быть различным и без четко выраженных границ между слоями.

Материал электродов

Эта часть расчетов наиболее проста, поскольку при изготовлении заземления используется только несколько разновидностей материалов:

• Сталь;
• Медь;
• Обмедненная сталь;
• Оцинкованная сталь.

Медь в чистом виде не используется по причине высокой стоимости, наиболее часто применяемые материалы – это чистая и оцинкованная сталь. В последнее время все чаще стали встречаться системы заземления, в которых используется сталь, покрытая слоем меди. Такие электроды имеют наименьшее сопротивление, которое имеет хорошую стабильность во времени, поскольку медный слой хорошо сопротивляется коррозии.

Наихудшие характеристики имеет ничем не покрытая сталь, поскольку слой коррозии (ржавчина) увеличивает переходное сопротивление на границе электрод-грунт.

Глубина закладки

От глубины закладки электродов зависят линейная протяженность границы касания электрода и грунта и величина слоя земли, который участвует в цепи протекания тока. Чем больше этот слой, тем меньшее значение сопротивления он будет иметь.

На заметку. Кроме этого при установке электродов следует иметь в виду, что чем глубже они располагаются, тем ближе будут находиться к водоносному слою.

Расположение электродов

Данная характеристика наименее очевидна и трудна для понимания. Следует знать, что каждый электрод заземления имеет некоторое влияние на соседние, и чем ближе они будут расположены, тем меньше будет их эффективность. Точное обоснование эффекта довольно сложное, просто следует его учитывать при расчетах и строительстве.

Проще объяснить зависимость эффективности от количества электродов. Здесь можно привести аналогию с параллельно соединенными резисторами. Чем их больше, тем меньше суммарное сопротивление.

Погодные условия

Наилучшие параметры заземляющее устройство имеет при повышенной влажности грунта. В сухую и морозную погоду сопротивление грунта резко возрастает и при достижении некоторых условий (полное высыхание или промерзание) принимает максимальное значение.

Обратите внимание! Для того чтобы минимизировать влияние погодных условий, глубина закладки электродов должна быть ниже максимальной глубины промерзания зимой или доходить до водоносного слоя для исключения пересыхания.

Важно! Последующие расчеты необходимо производить для наихудших условий эксплуатации, поскольку во всех иных случаях сопротивление заземления будет снижаться.

Методика расчета

Основным параметром расчета является необходимое значение сопротивления заземления, которое регламентируется нормативными документами, в зависимости от величины напряжения питания, типа электроустановок, условий их использования.

Строгий расчет защитного заземления, который дает значения количества и длины электродов, не существует, поэтому он выполняется на основе некоторых приближенных данных и допусков.

Для начала учитывается тип грунта, и определяется примерная длина электродов заземления, их материал и количество. Далее выполняется расчет, порядок которого следующий:

• Определяется сопротивление растекания тока для одного электрода;
• Рассчитывается количество вертикальных заземлителей с учетом их взаимного расположения.

Одиночный заземлитель

Сопротивление растекания тока рассчитаем, согласно формуле:

В данном выражении:

ρ – удельное эквивалентное сопротивление грунта;

l – длина электрода;

d – диаметр;

t – расстояние от поверхности земли до центра электрода.

При использовании уголка вместо трубы или проката принимают:

d = b·0.95, где b – ширина полки уголка.

Эквивалентное сопротивление многослойного грунта:

• ρ1 и ρ2 – удельные сопротивления слоев грунта;
• Н – толщина верхнего слоя;
• Ψ – сезонный коэффициент.

Сезонный коэффициент зависит от климатической зоны. Также в него вносятся поправки, в зависимости от количества использованных электродов. Ориентировочные значения сезонного коэффициента составляют от 1.0 до 1.5.

Количество электродов

Необходимое количество электродов определяется из выражения:

n = Rз/(К·R), где:

• Rз – допустимое максимальное сопротивление заземляющего устройства;
• К – коэффициент использования.

Коэффициент использования выбирается. в соответствии с выбранным количеством заземлителей, их взаимного расположения и расстояния между ними.

Рядное расположение электродов

	Количество электродов	Коэффициент
1	4 6 10	0,66-0,72 0,58-0,65 0,52-0,58
2	4 6 10	0,76-0,8 0,71-0,75 0,66-0,71
3	4 6 10	0,84-0,86 0,78-0,82 0,74-0,78

Контурное размещение электродов

Отношение расстояния между электродами к их длине	Количество электродов	Коэффициент
1	4 6 10	0,84-0,87 0,76-0,80 0,67-0,72
2	4 6 10	0,90-0,92 0,85-0,88 0,79-0,83
3	4 6 10	0,93-0,95 0,90-0,92 0,85-0,88

Не всегда расчет контура заземления выдает необходимое значение, поэтому, возможно, его потребуется произвести несколько раз, изменяя количество и геометрические размеры заземляющих электродов.

Измерение заземления

Для измерения сопротивления заземления используются специальные измерительные приборы. Правом измерения заземления обладают организации с соответствующим разрешением. Обычно это энергетические организации и лаборатории. Измеренные параметры вносятся в протокол измерения и хранятся на предприятии (в цеху, на подстанции).

Расчет сопротивления заземления представляет сложную задачу, в которой необходимо учитывать множество условий, поэтому рациональнее воспользоваться помощью организаций, которые специализируются в данной области. Для решения задачи можно произвести расчеты на он-лайн калькуляторе, пример которых можно найти в интернете в свободном доступе. Программа калькулятора сама подскажет, какие данные необходимо учитывать при вычислениях.

Видео

В современном мире, мы не представляет свою жизнь без использования электричества. Оно вокруг нас повсюду и именно оно позволило человечеству перейти на совершенно новый уровень развития. Переоценить его важность невозможно, однако при всех своих положительных качествах, за своей безобидностью и простотой, скрывается колоссальная энергия, которая представляет смертельную опасность.

Для того чтобы обезопасить помещения, где постоянно находятся люди, было создано специальное устройство - заземлитель. Это набор проводников, которые предназначены для отвода электрической энергии от приборов к грунту, тем самым исключая поражение током человека. Он состоит из заземлителей (горизонтальных и вертикальных стержней) и заземляющих проводников.

Наш сервис предлагает вам выполнить расчет заземления с помощью удобного онлайн-калькулятора. На основании типа грунта, климатической зоны и видов заземлителей, программа предоставит результат по сопротивлению отдельных стержней, а также общему сопротивлению на растекание. Мы работаем только по последним актуальным данным, в качестве источников использовались:

• правила устройства электроустановок;
• нормы устройства сетей заземления;
• заземляющие устройства электроустановок - Карякин Р. Н.;
• справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования - Барыбина Ю. Г.;
• справочник по электроснабжению промышленных предприятий - Федорова А. А. и Сербиновского Г. В.

Калькулятор расчета заземления

Для того чтобы упростить расчеты, мы предлагаем вам воспользоваться простым и точным калькулятором расчета заземления.

Наш онлайн-калькулятор расчета заземления учитывает все поправочные коэффициенты и работает на основании приведенных формул. Для того чтобы выполнить надежный расчет, вам необходимо заполнить поля программы правильно.

• Грунт . Укажите верхний и нижний слой грунта, а также глубину.
• Климатический коэффициент. Поправка в расчетах на основании климатической зоны:
• I зона — от -20 до -15°С (Январь); от +16 до +18°С (Июль);
• II зона — от -14 до -10°С (Январь); от +18 до +22°С (Июль);
• III зона — от -10 до 0°С (Январь); от +22 до +24°С (Июль);
• IV зона — от 0 до +5°С (Январь); от +24 до +26°С (Июль);
• Вертикальные заземлители. Количество вертикальных заземлителей (предполагаем любой число, по умолчанию 5), их длина и диаметр.
• Горизонтальные заземлители. Глубина заложения горизонтальной полосы, ширина полки и длина стержня (берется из расчета 1:3, 1:2 или 1:1 к длине вертикального заземлителя - чем больше, тем лучше).

• удельное электрическое сопротивление грунта;
• сопротивление одиночного вертикального заземлителя;
• длина горизонтального заземлителя;
• сопротивление горизонтального заземлителя;
• общее сопротивление растеканию электрического тока.

Последний параметр является определяющим . Следите, чтобы нормативное сопротивление (2 Ом — для 380 вольт; 4 Ом — для 220 вольт; 8 Ом — для 127 вольт) в электрических сетях было всегда больше, чем расчетное.

Пример расчета заземления на калькуляторе

Предположим, что наш дом расположен на черноземных почвах с толщиной пласта 0,5 м. Мы живем на юге России в четвертой климатической зоне. Предположительно, в качестве заземлителей будут использоваться 5 вертикальных электродов диаметром 0,025 м и длиной 2 м, горизонтальные стержни на глубине 0,5 м - длиной 2 м с шириной полки 0,05 м.

Тогда, перенеся все значения в калькулятор расчета заземления мы получим общее сопротивление на растекание равное 4,134 Ома.

Если в нашем частном доме однофазная сеть с напряжением в 220 Вт, то это значение недопустимо, так как этого заземления будет недостаточно .

Добавим еще один вертикальный электрод и получим значение 3,568 Ом. Это величина нам вполне подходит, а значит такое заземление гарантировано защитит вашу постройку и ее обитателей.

Если вы получаете значение близкое к критическому, то лучше увеличить количество или размер электродов. Помните, что расчет контура заземления крайне важен для безопасности!

Как рассчитать заземление в частном доме вручную

Как вы уже поняли, основной параметр, который необходимо рассчитать - это общее сопротивление на растекание, т.е. нужно подобрать такую конфигурацию электродов, чтобы сопротивление заземляющего устройства, не превышало нормативное. Согласно положениям правил устройств электроустановок (ПЭУ), необходимо соблюдать определенные максимумы для токов:

• 2 Ом — для 380 вольт;
• 4 Ом — для 220 вольт;
• 8 Ом — для 127 вольт.

Правильный расчет начинается с подсчета оптимального размера и количества стержней. Для того чтобы сделать это вручную, легче всего воспользоваться упрощенными формулами, приведенными ниже.

• R o - сопротивление стержня, Ом;
• L - длина электрода, м;
• d - диаметр электрода, м;
• T - расстояние от середины электрода до поверхности, м;
• p экв - сопротивление грунта, Ом;
• ln — натуральный логарифм;
• π — константа (3,14).

• R н - нормируемое сопротивление заземляющего устройства (2, 4 или 8 Ом).
• ψ - поправочный климатический коэффициент сопротивления грунта (1,3, 1,45, 1,7, 1,9, в зависимости от зоны).

Также очень важно, чтобы при выборе глубины залегания и длины заземляющих стержней, нижний конец проходил ниже уровня промерзания, так как при отрицательных температурах резко возрастает сопротивление грунта, и возникают определенные сложности.

Защитный контур, созданный вокруг любого объекта, который снабжается электроэнергией, обеспечит стекание высокого напряжения в землю по специально установленным электродам. Такие конструкции защищают дорогостоящее оборудование от короткого замыкания и перегорания из-за скачков напряжения. Установку конструкции необходимо проводить в соответствии с результатами проведенных вычислений уровня электропроводности проводников.

Предназначение расчёта

Прежде чем установить на жилом или ином объекте, необходимо , его типоразмеров. Такая конструкция состоит из:

• элементов, установленных вертикально к поверхности земли;
• проводника;
• полос, соединяющих контур в горизонтальной плоскости.

Электроды вкапываются и соединяются между собой с помощью горизонтального заземлителя. После этого созданную систему защиты подсоединяют к электрическому щитку.

Используют такие искусственные конструкции в силовых сетях с разными показателями напряжения:

1. переменным от 380 В;
2. постоянным от 440 В;

на опасных производственных объектах.

Защитные системы устанавливают в разных местах оборудования. В зависимости от места установки они бывают выносными или контурными. В открытых конструкциях подсоединение элементов проводится сразу к заземляющему элементу. В контурных устройствах размещение идет по внешнему периметру или внутри устройства. Для каждого вида защитных установок необходимо провести расчет, чтобы установить величину сопротивления вертикальных заземлителей, количество необходимых стержней и длину полос для их соединения.

Кроме специальных устройств могут использоваться естественные системы:

• коммуникации из металлических труб;
• металлоконструкции;
• подстанции;
• опоры;
• металлическая оболочка кабеля;
• обсадные трубы.

Расчеты токопроводимости делают для искусственных конструкций. Обустройство их на месте использования силовых установок обеспечивает отвод электрического тока в землю, защищая человека и оборудование от разрядов большой величины в результате скачка напряжения. Чем меньше электропроводность, тем уровень силы электротока, уходящего через защитную конструкцию, будет более низким.

Пошаговый расчет контура заземления

Вычисления должны проводиться с учетом количества элементов, удаленности их друг от друга, токопроводимости почвы и глубины вкапывания вертикального заземлителя. Используя эти параметры, получится провести точный расчет защитного заземления.

Сначала следует по таблице определить вид почвы. После этого выбрать подходящие материалы для конструкции. Затем проводятся вычисления по специальным формулам, определяющим число всех элементов, а также их способности к электропроводности.

На основании полученных результатов проводится установка всей системы, после чего проводят контрольные замеры на ее токопроводимость.

Исходные данные

При вычислении силового значения , следует составить соотношение их количества, длины соединительных полосок и расстояния, на котором проводится вкапывание.

Кроме этого нужно будет учесть удельное сопротивление грунта, которое определяется уровнем его влажности. Чтобы добиться стабильной величины, необходимо заглублять электроды в почву на глубину не менее 0,7 метра. Также важно не отходить от установленного ГОСТом размера самого защитного устройства.При проведении расчет нужно использовать готовые таблицы с уже имеющимися показателями для используемых материалов и электропроводности определенных видов почв.

Таблица показателей токопроводимости различных грунтов

Нужную глубину, на которую закапывают в землю вертикальный электрод, рассчитывают по формуле:

При монтаже защитной конструкции нужно следить за тем, чтобы металлические стержни полностью входили в верхний слой земли и частично в нижние его уровни. Во время расчетов потребуется использовать средние коэффициенты уровня электропроводимости грунта в разные сезоны в тех или иных климатических зонах, представленные в данной таблице:

Сопротивление грунтов в разных климатических зонах

Чтобы точно определить количество вертикальных элементов в собираемой конструкции, не учитывая показатели для узких полосок, их соединяющих, нужно использовать формулу:

В ней Rн, обозначающий силу тока, растекающегося по почве определенного типа, коэффициент сопротивления для которого берется из таблицы.

Для вычисления физических параметров материала следует учитывать размеры используемых элементов системы:

• у полосок 12х4 – 48 мм2;
• у уголков 4х4 мм;
• у стального круга– 10 мм2;
• у труб, стенки которых имеют толщину 3,5 мм.

Пример расчета заземления

Проводить вычисления проводимости используемых проводников с учетом особенностей почвогрунта нужно для каждого электрода в отдельности по формуле:

В которой:

• Ψ — климатический коэффициент, который берется из справочной литературы;
• ρ1, ρ2 –величина проводимости верхнего и нижнего слоя земли;
• Н – толщина верхнего слоя грунта;
• t –глубина расположения вертикального элемента в траншеи.

Стержни для таких конструкций закапывают на уровень не менее, чем на 0.7 метра, согласно действующим нормативам.

Что мы должны иметь по окончанию расчета

После проведения вычислений по используемым формулам удается получить точное сопротивление заземляющего устройства искусственного типа. Измерить данные показатели у естественных систем часто не удается из-за невозможности получить точные типоразмеры закопанных коммуникаций, колей, кабеля или уже установленных металлических конструкций.

По окончании расчетов удается получить точное количество стержней и полос для контура, которые помогут создать надежную систему защиты для используемого оборудования и всего объекта в целом. Расчеты помогут также установить точную длину соединяющих стержни полосок. Основным результатом всех проведенных вычислений станет получение итогового значения свойств используемых в созданном контуре проводников, которое определяет силу проходящего по ним электрического тока. Это важнейший норматив ПЭУ, который имеет определенные значения для сетей с разными показателями напряжения.

Допускаемые значения сопротивления заземления, согласно нормативам

Существуют единые нормативные значения, по которым сопротивление растекания тока для электросети с определенным значением напряжения не должно превышать установленных стандартов ГОСТа. В сетях с напряжением в 220 В оно не должно быть больше 8 Ом. При напряжении в 380 В его значение должно быть не выше 4 Ом.

Для расчета показателей всего контура можно использовать формулу R= R0/ ηв*N, в которой:

• R0 уровень токопроводимости для одного электрода;
• R -показание уровня препятствования прохождению тока для всей системы;
• ηв - коэффициент использования защитного устройства;
• N - количество электродов во всем контуре.

Материал, требуемый для устройства контура

Собирать контур можно из металлического материала:

1. уголка,
2. полосок, имеющих определенные размеры.

После его обязательно должен проверить эксперт из независимой измерительной лаборатории. Строительную арматуру можно использовать в качестве естественного контура при наличии ее в несущих конструкциях здания. ПЭУ содержит специальный список конструкций, которые можно использовать в качестве естественного контура при создании защитных систем.

Для проверки работы всей конструкции необходимо общее значение и сопротивление вертикальных заземлителей и всей системы проверить специальными приборами. Доверить эту работу нужно независимым экспертам из электролаборатории. Чтобы конструкция надежно защищала весь объект, следует регулярно проводить замеры, проверяя их значение установленным нормативам.