Тема 1.5.1 Способы заземления и типы заземляющих устройств
Заземлением называют электрическое соединение оборудования или аппаратуры с заземляющим устройством, а заземляющим устройством — совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Заземления служат для защиты устройств автоматики, телемеханики и связи, а также обслуживающего персонала от действия опасных напряжений, возникающих при воздействиях грозовых разрядов, влияющих линий электропередачи и контактных сетей электрифицированных железных дорог.
Заземлитель представляет собой металлический проводник любой формы (стержень, труба, уголок, проволока и т. и.), находящийся в непосредственном соприкосновении с землей (грунтом).
Заземляющими проводниками, или заземляющей магистралью, называют металлические проводники, соединяющие заземляемое оборудование или аппаратуру устройств связи с заземлителями.
В зависимости от функций, которые выполняют заземляющие устройства в установках связи, различают рабочее, рабоче-защитное, линейно-защитное и измерительное заземляющие устройства.
Рабочее заземляющее устройство служит для соединения с землей аппаратуры проводной связи и радиотехнических устройств с целью использования земли в качестве одного из проводов электрической цепи.
Защитное заземляющее устройство предназначено для соединения с землей проводов нейтрали обмоток силовых трансформаторных подстанций, молниеотводов, разрядников, экранов аппаратуры и проводов внутристанционного монтажа, металлических оболочек бронепокровов кабеля, металлических термокамер НУП, а также металлических частей силового оборудования, электропитающих установок и другого оборудования, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при повреждении изоляции токоведущих проводов.
Защитные заземляющие устройства предназначены для выравнивания потенциала металлических частей оборудования с потенциалом земли, т. е. защищают обслуживающий персонал и аппаратуру от возникновения на них опасной разности потенциалов по отношению к земле.
Рабоче-защитное заземляющее устройство служит одновременно рабочим и защитным заземляющим устройством. Сопротивление рабоче-защитного заземляющего устройства должно быть не более наименьшего значения, предусмотренного для рабочего и защитного заземляющих устройств.
Линейно-защитное заземляющее устройство предназначено для заземления металлических оболочек кабеля и бронепокровов по трассе кабеля и на станциях (НУП), куда подходят кабельные линии, а на воздушных линиях — для заземления молниеотводов, тросов и металлических оболочек и брони кабеля. В некоторых случаях защитное и линейно-защитное устройства объединяют. Такое заземляющее устройство называют объединенным защитным.
Измерительным заземляющим устройством называют вспомогательное устройство, предназначенное для контрольных измерений сопротивлений рабочего, защитного и рабоче-защитного заземляющих устройств.
Сопротивление заземляющих устройств на воздушных и кабельных линиях измеряют непосредственно на линии, используя временные вспомогательные измерительные земли. Сопротивление рабочего и защитного заземляющих устройств следует измерять со щитка заземления на станции.
Рисунок 150 Вертикальный (а), горизонтальный (б) и кольцевой (в) заземлители
Рисунок 151 Заземлитель из уголковой стали 40
Таблица 23
| Тип заземлителя | Глубина укладки,м | Сечение заземлителя, м2 | |
| круглое | прямоугольное | ||
| Вертикальный | Л = 0 |  | — |
| Горизонтальный лучевой | h |  |  |
| Горизонтальный кольцевой | h |  |  |
Примечание. Q — удельное сопротивление грунта, Ом-м; р — длина заземлителя, м; d0 — диаметр заземлителя, м;
D — диаметр горизонтального кольцевого заземлителя, м.
Типы заземлителей
Для заземления устройств автоматики, телемеханики и связи используют вертикальные, горизонтальные, кольцевые заземлители (рис, 150).
Вертикальные заземлители находят наибольшее применение. Они представляют собой оцинкованные или омедненные стальные трубы длиной 2—3 м, диаметром 25—60 мм и толщиной стенки не менее 10 мм.
Взамен труб используют также стальные стержни диаметром 12 мм, длиной 2—10 м, уголковую сталь размером 50 
50 × 4 или 60 × 60 × 4 мм. К верхнему концу заземлителя из уголковой стали 3 (рис. 42) приваривают одну или свитые в жгут две-три стальные оцинкованные проволоки 1 диаметром 4—5 мм, или стальную полосу для соединения заземлителя с заземляемым устройством. Выше этого места на заземлитель устанавливают и приваривают хомут 2 из стальной проволоки.
Горизонтальные полосовые заземлители в виде лучей, колец или контуров используют как самостоятельные заземлители или как элементы сложного заземлителя, состоящего из горизонтальных и вертикальных заземлителей. Для горизонтальных заземлителей применяют полосовую сталь толщиной не менее 3,5-4 мм и круглую сталь диаметром не менее 10 мм.
Сопротивление заземления. Расчетные приближенные формулы для определения сопротивления одиночного заземлителя в зависимости от его типа (см. рис. 150) приведены в табл. 23.
В однородном грунте глубина заложения вертикальных заземлителей h = 0,5-х 1 м мало влияет на снижение их сопротивления, и поэтому сопротивление заземлителя подсчитывают без учета глубины заложения, т. е. при h 0.
Рисунок 152- Контур заземления из нескольких стержней
При подсчете сопротивления заземлителя из уголковой стали его диаметр принимают равным d0 = b, где b — ширина стороны уголка.
Для горизонтального заземлителя из полосовой стали прямоугольного сечения приведены формулы, соответствующие укладке полосы плашмя, когда d0 = b\2, где b — ширина полосы.
Сопротивление заземления зависит от конструкции заземлителей, их числа, расположения, глубины закопки в грунт, от удельного сопротивления прилегающих к заземлителям слоев грунта и мало зависит от его диаметра, поэтому диаметр заземлителей выбирают, как правило, из условий коррозии.
Удельным сопротивлением грунта р называют электрическое сопротивление, оказываемое грунтом объемом 1 м3 при прохождении тока от одной грани куба грунта к противоположной грани, и зависит оно от структуры грунта, его температуры и степени влажности.
Удельное сопротивление различных грунтов имеет самые различные значения. Так, у чернозема оно равно 50 Ом - м, песчаника — 1000 Ом - м, кварца — 15 000 Ом · м.
Если сопротивление заземления, состоящего из одного стержня, превышает нормативное значение, то устраивают контур заземления из нескольких стержней (рис.152). Стержни следует забивать друг от друга на расстоянии, равном или большем удвоенной длины стержня. Проволоку, идущую от стержней, свивают в жгут, обмазывают асфальтовым лаком и укладывают в траншее, которую затем засыпают. Стержневые заземлители соединяют между собой полосовой сталью сечением 30 X 4 мм и обязательно приваривают к каждому заземлителю.
При стекании тока со сложного заземлителя происходит наложение электрических полей отдельных его электродов и их взаимное экранирование. В результате сопротивление сложного заземлителя возрастает по сравнению с суммой сопротивления каждого его электрода. Сопротивление контура заземлителя из нескольких стержней
где R — сопротивление одного заземлителя, Ом, рассчитанное по формулам табл. 23;
п — число заземлителей в контуре.
Выбор того или иного заземлителя для контура прежде всего связан с определением удельного сопротивления грунта. Если удельное сопротивление грунта неизвестно, то вначале устраивают заземлитель из одного стержня и с помощью приборов измеряют его электрическое сопротивление R. Если оно больше требуемого (нормативного) сопротивления Ru, то число стержней (электродов), необходимых для устройства контура заземления, п - R/0,8RH.
Чтобы удешевить работы -по устройству заземлителей, удельное сопротивление грунта снижают искусственно. В котловане радиусом 1,5—2 м малопроводящий грунт заменяют насыпным с более низким (в 5—10 раз) удельным сопротивлением (рис. 44, а), в качестве которого используют чернозем, глину, шлак, торф.
Удельное сопротивление грунта можно снизить при обработке его раствором поваренной соли (рис. 44, б). Для каждого заземлителя расходуется 50 кг поваренной соли. Так как со временем соль вымывается, то грунт обрабатывают раствором поваренной соли через каждые 2—4 года. Такая обработка снижает удельное сопротивление грунта в 2—8 раз.
В районах, где грунтовые воды или хорошо проводящие слои грунта залегают на большой глубине, целесообразно устраивать углубленные вертикальные заземлители с размещением их на уровне грунтовых вод или хорошо проводящих слоев грунта.
Если вблизи заземления имеются районы с более низким удельным сопротивлением грунта, то устраивают выносные заземлители.
Рисунок 153- Способы искусственного снижения удельного сопротивления грунта и устройство заземления в нем
Наибольшее расстояние от выносного заземлителя до заземляемых установок должно быть не более 2,5 км.
Если в конструкции заземлителей используют различные инженерные сооружения, которые были построены раньше, то их называют естественными заземлителями. К естественным заземлителям относятся металлические трубопроводы, проложенные под землей (за исключением трубопроводов горючих жидкостей и горючих или взрывчатых газов), обсадные трубы, металлические оболочки кабелей, металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с землей.
Таблица 24
| Заземление | Сопротивление заземления. Ом, при удельном сопротивлении грунта, Ом-м | |||
| до 1 00 | 101-250 | 251 — 500 | свыше 500 | |
| Защитное для: | ||||
| линейных молниеотводов на опорах воздушной линии связи | ||||
| промежуточных пунктов избирательной связи | ||||
| искровых разрядников каскадной защиты | зь | |||
| Линейно-защитное дли оболочек кабелей при защите кабели от ударов молнии Защитное: | 20, | |||
| для шкафов типа ШМС | — | |||
| на междугородных телефонных станциях и распределительных станциях избирательной связи, рабочее на узлах связи | ||||
| на телефонных станциях и АТС | ||||
| Измерительное (стационарное или оборудуемое временно) Защитное: | ||||
| для опор на высоковольтно-сигнальных линиях автоблокировки в сети высокого напряжения в сети низкого напряжения при числе сигнальных проводов: | ||||
| до 10 | ||||
| от 11 до 20 | ||||
| для линейных цепей диспетчерской централизации и диспетчерского контроля, полуавтоматической блокировки для сигнальных приборов, размещенных в служебных помещениях ДСП | ||||
| постов ЭЦ и ГАЦ (прн наличии ДГА или ТП) | 4р /100 |
На железнодорожном транспорте большое значение имеет использование рельсовой колеи в качестве заземлителей установок СЦБ и связи. Однако применять рельсовую колею в качестве заземлителя следует осторожно, исключая случаи нарушения нормальной работы устройств автоматики, телемеханики и связи.
На автоматических телефонных станциях, междугородных АТС, в домах связи, в оконечных и промежуточных усилительных пунктах оборудуют три обособленных заземляющих устройства, соединяемых затем параллельно на выводах заземляющего щитка. Наличие трех обособленных заземляющих устройств позволяет легко контролировать их электрическое сопротивление два раза в год — зимой, в период наибольшего промерзания грунта, и летом при его максимальном просыхании.
Нормы сопротивлений заземлений. Для районов умеренного климата нормы сопротивления заземлений различного назначения в зависимости от удельного сопротивления грунта приведены в табл. 24.
Нормы сопротивлений заземлений установлены в зависимости от назначения заземлений, а также от удельного сопротивления грунта в месте устройства заземления. Последнее объясняется тем, что чем больше удельное сопротивление земли, тем труднее выполнить заземление с малым сопротивлением и тем дороже стоит оборудование.
Защите молниеотводами от разрушения при прямых ударах молнии подлежат вводные, кабельные, разрезные, контрольные и угловые деревянные опоры, деревянные промежуточные опоры, поврежденные молнией, но не требующие замены, а также деревянные и железобетонные опоры, на которых установлены искровые или газонаполненные разрядники, опоры ВЛ и ВСЛ СЦБ. Применяют несколько типов конструкций заземлителей.
Протяженный заземлитель из стальной линейной проволоки, оборудуемый у опор линий связи (рис. 154, а), служит молниеотводом, защищающим опоры от разрушения при ударе в них молнии, а также защитным заземлением, к которому присоединяют разрядники, устанавливаемые в кабельных ящиках, и искровые разрядники каскадной защиты.
На деревянных опорах линий связи молниеотводы устраивают из стальной линейной проволоки диаметром 4 или 5 мм, прокладываемой от вершины опоры и укрепляемой скобами из этой же проволоки через каждые 300 мм. Нижний конец проволоки укладывают в вырытую траншею на глубину 0,5—0,9 м, которую затем закрывают и трамбуют. Длина подземной части проволоки l зависит от удельного сопротивления грунта и выбирается равной l — 1 -:-12 м.
Рисунок 154 Типы заземлителей опор линий связи
Протяженные заземлители оборудуют только на сложных опорах, а также на тех опорах, на которых устанавливают разрядники. На остальных опорах (угловых и промежуточных) горизонтального протяженного заземлителя обычно не делают, а закрепляют конец проволоки молниеотвода у комля опоры. В этом случае заземлителем служит часть проволоки от поверхности земли до комля опоры (рис. 154, б).
Для безопасности работы на деревянных опорах при эксплуатации линий связи на участках их сближения и пересечения с линиями передачи или электрическими железными дорогами у молниеотводов делают разрыв (искровой промежуток) длиной 50 мм (рис. 154, в). Исключение составляют вводные, контрольные опоры и опоры с разрядниками, однако на этих опорах молниеотводы закрывают по всей длине деревянными рейками (желобами), чтобы работающий на опоре не мог коснуться молниеотвода.
На линиях связи с деревянными опорами в железобетонных приставках при отсутствии на опорах разрядников молниеотводы оборудуют в соответствии с рис. 154, г.
Протяженные заземлители обычно устраивают у опор линий связи при норме сопротивления заземления выше 30 Ом. Если норма сопротивления заземления ниже 30 Ом (например, защитное заземление у кабельных опор), то применяют стержневые одно- или многоэлектродные заземлители.
На железобетонных опорах линий связи (рис. 154, д) при размещении молниеотвода в вершине опоры и ее комлевой части обнажают один из арматурных стержней и к нему приваривают линейную проволоку, прокладываемую по опоре и укрепляемую проволочными хомутами через каждые 500 мм. Вверху опоры от этой проволоки делают отводы к искровым разрядникам или к кабельному ящику, а внизу к ней присоединяют протяженный заземлитель. Места присоединения проволоки к арматурному стержню заделывают бетоном.
На высоковольтных и высоковольтно-сигнальных линиях автоматики и телемеханики заземления устраивают у силовых, оконечных, кабельных опор и опор с секционными разъединителями, а также на всех железобетонных опорах, проходящих по населенной местности.
Железобетонные опоры ВЛ и ВСЛ СЦБ еще при изготовлении на заводах оборудуют проложенным в бетоне проводом заземления из круглой стали диаметром 6 мм с выводами (с резьбой) для подключения заземляющих элементов.
На силовых и других опорах, где заземлению подлежат элементы высоковольтного и низковольтного оборудования, устраивают два заземления (рис. 155) — заземление в сети низкого напряжения 1 и заземление в сети высокого напряжения 2. Расстояние между системами заземлителей низкого и высокого напряжения должно быть не менее 5 м, а между заземлителями внутри каждой из систем — 2,5 м. Заземлители забивают с таким расчетом, чтобы верхний край стержня отстоял от поверхности земли на 0,8 м. Заземлители соединяют между собой жгутом из двух-трех стальных оцинкованных проволок, привариваемых к заземлителям.
В районах вечной мерзлоты наиболее экономичными и надежными являются скважинные заземлители, которые рекомендуется использовать в качестве основных для домов связи, постов электрической и диспетчерской централизации, усилительных пунктов и т. п. Для устройства скважинного заземлителя сначала бурят скважину в многолетнемерзлом грунте, а затем прокладывают в ней электроды (стальная болванка, стержень, труба, уголковое железо и т. п.). Глубина скважины зависит от структуры грунта и места расположения в нем слоя высокой проводимости. Электроды заземлителя прокладывают или в талых породах, расположенных под нижней границей многолетнемерзлого грунта, — глубинные скважинные заземлители, или в мерзлом грунте на относительно небольшой глубине (до 20 м) — углубленные скважинные заземлители.
Рисунок 155- Заземлители А-образной силовой опоры
Скважину следует бурить при наличии в ней насыщенного раствора поваренной соли, чем достигается повышение электрической проводимости прилегающего грунта и исключение образования ледяной корки на стенках скважины. Для предотвращения осыпания оттаявших грунтов в скважину до глубины залегания коренных пород 5 временно закладывают трубы (рис. 156).
Рисунок 156- Скважинный заземлитель и мерзлой осадочной породе: h — глубина скважины; Н1 — глубина контакта с коренными породами; Н2 — глубина обсадной трубы
После окончания проходки скважины для заземлителя 3 готовят стальную полосу размером 4 × 60 или 6 × 60 мм. К нижнему концу полосы крепят груз 4. Под действием груза заземлитель опускают в скважину; сначала скважину заполняют насыщенным раствором поваренной соли, а затем — заполнителем 2. Заполнитель представляет собой смесь топкодисперсного грунта (глина, пылеватый песок, ил) с 10—15%-ным раствором поваренной соли. Когда скважина будет заполнена, обсадные трубы 1 извлекают.
В зависимости от структуры мерзлого грунта сопротивление углубленного скважинного заземлителя должно быть равно 25—30 Ом. Для достижения нормативных значений сопротивления в мерзлых грунтах устраивают многоэлектродные удлиненные скважинные заземлители, причем необходимо, чтобы расстояние между электродами было не менее длины электрода.
В районах вечной мерзлоты широко распространен способ установки заземлителей в непромерзающих водоемах. В крупных водоемах температура грунта в течение всего года плюсовая. В северных районах широко используют выносные заземлители.