Общие сведения о заземляющих устройствах

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним (прежде всего вследствие нарушения изоляции).

При замыкании фазы на металлический корпус электроустановки он приобретает электрический потенциал относительно земли. Если к корпусу такой электроустановки прикоснется человек, стоящий на земле или токопроводящем полу (например, бетонном), он немедленно будет поражен электрическим током.

Посредством защитного заземления ток замыкания перераспределяется между заземляющим устройством и человеком обратно пропорционально их сопротивлениям. Поскольку сопротивление тела человека в сотни раз превышает величину сопротивления растеканию тока заземляющего устройства, через тело человека, прикоснувшегося к поврежденному заземленному оборудованию, пройдет ток, не превышающий предельно допустимого значения (10 мА), а основная часть тока уйдет в землю через контур заземления. При этом напряжение прикосновения на корпусе оборудования не превысит 42 В.

Контур заземления выполняют из стальных стержней, уголков, некондиционных труб и др. В траншее глубиной до 0,7 м вертикально забиваются стержни (трубы, уголки и др.), а выступающие из земли верхние концы соединяются сваркой внахлест стальной полосой или прутком.

При этом необходимо соблюдать следующие условия.

1. Сечение соединительной полосы должно быть не менее 48 мм², толщина – не менее 4 мм (рис 1, а); минимальный диаметр прутка – 10 мм (рис 1, б), минимальная толщина стенки уголка – 4 мм (рис. 1, в); минимальная толщина стенки трубы – 3,5 мм (рис. 1, г).

2. Длина стержня должна быть не менее 1,5...2 м, чтобы достичь незамерзающего слоя почвы (рис. 2).

Рис. 1. Минимально-допустимые геометрические размеры сечений

заземляющих элементов

Рис. 2. Установка одиночного заземлителя в двухслойном грунте:

L – длина одиночного заземлителя; D – диаметр одиночного заземлителя;

Н – толщина верхнего слоя грунта; Т – заглубление заземлителя (расстояние

от поверхности земли до середины электрода); t – глубина траншеи (заглубление соединительной полосы)

3. Расстояние между соседними стержнями рекомендуется выбирать равным длине стержня (если иное не предусмотрено условиями эксплуатации) (рис. 3).

Стержни можно располагать в ряд (рис. 3) или в виде какой-либо геометрической фигуры (квадрата, прямоугольника) в зависимости от удобства монтажа и используемой площади. Совокупность стержней, соединенных между собой полосой, образует контур заземления. В помещении контур заземления приваривается к корпусу силового щита и к заземляющей магистрали (шине заземления), которая проходит вдоль стен здания. На практике часто используются естественные заземлители (части коммуникаций, зданий и сооружений производственного или иного назначения), находящиеся в соприкосновении с землей. Это канализационные трубы, железобетонные конструкции фундаментов, свинцовые оболочки кабелей и др.

Рис. 3. Конструкция заземляющего устройства:

L – длина одиночного заземлителя; K – расстояние между соседними

(смежными) заземлителями

Измерение сопротивления растеканию тока заземляющих устройств должно производиться в сроки, установленные Правилами эксплуатации электроустановок потребителей (ПЭЭП) не реже одного раза в шесть лет, а также после каждого капитального ремонта и длительного бездействия установки.

Сопротивление заземляющих устройств рекомендуется измерять в наиболее жаркие и сухие или в наиболее холодные дни года, когда грунт имеет наименьшую влажность. Чем меньше влажность, тем выше удельное сопротивление грунта. В первом случае влага из грунта испаряется, во втором – замерзает (лед практически не проводит электрический ток). При замерах в другие дни нужно полученные значения корректировать с помощью поправочных коэффициентов, которые приводятся в ПЭЭП.

Все существующие методы измерения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств сводятся к двум: метод «амперметра-вольтметра» и мостовой метод.

Метод «амперметр-вольтметр»

Для измерения необходимы: амперметр, вольтметр, понижающий трансформатор, коммутационная аппаратура, соединительные провода, а также два электрода: зонд (на стенде обозначен R_з) и вспомогательный электрод (R_в).

Зонд и вспомогательный электрод – два одинаковых стальных стержня диаметром не менее 5 см и длиной не менее 70 см. Их забивают в землю на определенном расстоянии от контура заземления R_x (рис. 4). Забивать электроды в грунт необходимо на глубину не менее 50 см.

Через понижающий трансформатор напряжение подается на контурзаземления и электроды. Через амперметр и зонд начинает протекать ток. При этом вольтметр покажет величину падения напряжения. Значение сопротивления растеканию тока определяется как отношение измеренного напряжения и тока: R_х = U/I.

Для исключения влияния «блуждающих» токов в грунте, возникающих при работе электротранспорта (трамваи, электрифицированные железные дороги) измерение сопротивления проводится на переменном токе. Кроме того, при использовании переменного тока не возникает электролиз, который вносит значительную погрешность в измерение. Поэтому необходим источник переменного тока – трансформатор, понижающий напряжение до безопасной величины (не более 42 В). Запрещается в качестве источника переменного тока использовать автотрансформаторы, так как наличие электрической связи между обмотками высокого и низкого напряжения значительно повышает вероятность электротравматизма.

Рис. 4. Схема измерения по методу "амперметр-вольтметр"

Метод, описанный выше, имеет целый ряд недостатков: наличие двух измерительных приборов, что снижает точностьизмерений; громоздкость понижающего трансформатора; необходимость подключения к сети переменного тока; опасность попадания под шаговое напряжение. Мостовой метод этих недостатков не имеет.

Мостовой метод

Из теории электротехники известно, что при равенстве сопротивлений электрического моста (рис. 5) R₁ и R₂ и соответственно R_з и R_х ток, протекающий через гальванометр G, будет равен нулю.

Изменяя сопротивление R_з, можно добиться такого положения, что ток, протекающий через гальванометр, будет равен нулю. Тогда величина R₃, будет равна величине исследуемого сопротивления R_x.

Рис. 5. Мостовая схема измерения сопротивлений:

R₁ и R₂ – резисторы, имеющие одинаковое сопротивление; R_х – исследуемое сопротивление; R_з – резистор с переменным сопротивлением

На этом методе основывается работа таких измерительных приборов, как МС-08, М416, Ф-4103М1 и др. Эти приборы содержат прецизионные резисторы и источник переменного тока (электронный генератор), получающие питание от гальванических элементов (М 416, Ф-4103М1) либо от генератора, приводимого во вращение рукой оператора (МС-08). Процесс проведения измерений рассмотрим на примере прибора М416.

Перед проведением измерений необходимо разместить зонд и вспомогательный электрод по схеме, изображенной на рис. 6. Затем соединительные проводники подключаются к соответствующим клеммам прибора. Питание М416 получает от трех элементов типа А373.

Прибор позволяет измерять сопротивление в широких пределах: 0,1...1000 Ом.

Рис. 6. Схема измерения прибором М416:

1 – соединительные клеммы; 2 – перемычка; 3 – измерительная шкала; 4 – стрелка индикатора; 5 – кнопка включения; 6 – ручка потенциометра; 7 – переключатель поддиапазонов

Порядок проведения измерений:

1. Установить переключатель 7 в положение «контроль 5 W”, нажать кнопку 5ивращением ручки 6 добиться установления стрелки индикатора 4 на нулевую отметку. При этом на шкале 3 должно быть показание 5±0,3 Ом, что свидетельствует об исправности источника питания. Отпустить кнопку 5.

2. Переключатель 7 установить в положение «х1».

3. Нажать кнопку 5 и, вращая ручку 6, установить стрелку индикатора 4 на нуль. При невозможности установления перейти на другой поддиапазон измерения. Снять показания со шкалы 3 прибора (с учетом переводного коэффициента).

В результате коррозии металла сопротивление растеканию тока заземляющих контуров со временем увеличивается. Обычно в целях экономии средств не меняют целиком весь контур, а увеличивают площадь уже существующего путем добавления к нему новых электродов (одиночных заземлителей).

Если измеренное на стенде сопротивление выше нормы, необходимо определить дополнительное число одиночных заземлителей, подключенных параллельно существующему контуру.

Сопротивление дополнительной ветви можно определить, исходя из соотношения:

(1)

где r_h – нормируемое сопротивление растеканию тока. Ом; R_изм – измерительное сопротивление, Ом; R_доп – дополнительное сопротивление, Ом.

Зная R_доп, можно определить количество дополнительных электродов по формуле (9)

Расчет заземляющего устройства сводится к определению числа вертикальных заземлителей и длины соединительной полосы. Для упрощения расчета примем, что одиночный вертикальный заземлитель представляет собой стержень, либо трубу малого диаметра.

1. Сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

(2)

где L и D – длина и диаметр стержня соответственно, м; r_экв эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом×м; Т – заглубление электрода (расстояние от поверхности земли до середины электрода), м.

Студенты неэлектротехнических специальностей могут определить сопротивление одиночного вертикального заземлителя по формуле:

^* (3)

или по упрощенной формуле:

^* (4)

Примечание: здесь и далее знаком (*) обозначаются формулы для расчетов, которые проводят студенты неэлектротехнических специальностей. Формулы, не отмеченные данным знаком, общие для студентов всех специальностей.

Величина эквивалентного удельного сопротивления грунта r_экв для студентов неэлектротехнических специальностей задается преподавателем из табл. 2.

Эквивалентным удельным сопротивлением грунта r_экв неоднородной структурой называется такое удельное сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой. Если грунт двухслойный, эквивалентное удельное сопротивление определяется из выражения:

r_экв = Yr₁r₂L/[r₁(L – H + t] + r₂(H – t), (5)

где Y – коэффициент сезонности (по табл. 2 – для стержневых зазелителей); r₁ – удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом×м; r₂ – удельное сопротивление нижнего слоя грунта Ом×м; Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t – заглубление полосы, м.

Одиночный заземлитель должен полностью пронизывать верхний слой грунта и частично нижний.

Таблица 1

Эквивалентное удельное сопротивление грунтов

Грунт	Удельное сопротивление Rэкв, Ом×м
пределы колебаний	при влажности грунта 10...12%
Чернозем	9...53
Торф	9...53
Глина	8...70
Суглинок	40...150
Супесь	150...400
Песок	400...700

Заглубление полосы t принимается равным 0,7 м – это глубина траншеи (рис. 2). Величина удельного сопротивления грунта непостоянна и зависит от его влажности. Степень влажности грунта определяется в основном количеством выпавших осадков и процессами их высушивания. Поверхностные слои грунта подвержены значительным изменениям влажности. Вследствие этого сопротивление заземлителя

Таблица 2

Значения расчетных климатических коэффициентов сезонности

сопротивления грунта

Заземлитель	Климатическая зона
I	II	III	IV
Стержневой	1,8...2,0	1,6...1,8	1,4...1,5	1,2...1,4
Полосовой	4,5…7,0	3,5…4,5	2,0…2,5	1,5…2,0

будет тем стабильнее, чем глубже он расположен в грунте. Для уменьшения влияния климатических условий на сопротивление заземления верхнюю часть заземлителя размещают в грунте на глубину не менее 0,7 м. Следовательно, заглубление стержня можно определить по формуле:

T = (L/2) + t. (6)

2. Определяем ориентировочное количество вертикальных заземлителей без учета сопротивления соединительной полосы:

n₀ = R₀/R_н, ^* (7)

где r_h – нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства согласно ПУЭ, Ом;

Для студентов электротехнических специальностей:

n₀ = R₀Y/R_н. (8)

Коэффициент сезонностиY второй климатической зоны (средняя температура января от –15 до –10°С, июля – от +18 до +22°С) принимается равным 1,6...1,8.

Таблица 3

Нормируемые значения величины сопротивления растеканию тока заземляющих устройств (для электроустановок напряжением до 1000 В)

Вид заземления	Напряжение сети, В
220/127	380/220	660/380
нормируемое сопротивление Rн, Ом
Рабочее заземление нулевой точки трансформатора (генератора)
Повторное заземление нулевого провода на вводе в объект
Повторное заземление нулевого провода на воздушной линии

Величины, приведенные в табл. 3, справедливы при эквивалентном удельном сопротивлении грунта 100 Ом×м и менее. Если эквивалентное удельное сопротивление грунта более 100 Ом×м, необходимо эти величины умножить на коэффициент k_з=r_экв/100. Коэффициент k_з не может быть меньше 1 и больше 10 (даже при больших удельных сопротивлениях грунта).

3. Определяем сопротивление растеканию тока соединительной полосы:

, (9)

где L_п, b – длина и ширина соединительной полосы, м; t – заглубление соединительной полосы; Y_п – коэффициент сезонности для полосы (по табл. 2 – для полосовых заземлителей); h_п – коэффициент использования полосы (табл. 4).

Формула для приближенного расчета:

* (10)

Длину полосы можно определить по предварительному количеству вертикалъных заземлителей. Если принять что они размещены в ряд, то длина полосы составит:

L_п = K(n₀ – 1), (11)

где К – расстояние между соседними вертикальными заземлителями, м,

4. Определяем сопротивление вертикальных заземлителей с учетом сопротивления растеканию тока соединительной полосы (для студентов электротехнических специальностей):

R_в = R_пR_н(R_п – R_н). (12)

5. Определяем окончательное количество заземлителей (для студентов электротехнических специальностей):

n = R_o/R_вh_с, (13)

где h_с – коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Так как токи, растекающиеся с параллельно соединенных одиночных заземлителей, оказывают взаимное влияние, возрастает общее сопротивление заземляющего контура, которое тем больше, чем ближе расположены вертикальные заземлители друг к другу. Это явление учитывается коэффициентом использования вертикальных заземлителей, величина которого зависит от типа и количества одиночных заземлителей, их геометрических размеров и взаимного расположения в грунте.

Таблица 4

Коэффициент использования вертикальных заземлителей h_с

и соединительной полосы h_п

Число заземлителей	Заземлители размещены в ряд	Заземлители размещены по замкнутому контуру
hс	hп	hс	hп
	0,91	–	–	–
	0,83	0,89	0,78	0,55
	0,77	0,82	0,73	0,48
	0,74	0,75	0,68	0,40
	0,70	0,65	0,65	0,36
	0,67	0,56	0,63	0,32
	–	0,40	0,58	0,29

Примечание. Значения коэффициентов даны с учетом того, что отношение длины заземлителей к расстоянию между ними равно двум.

Найденное количество заземлителей округляем до ближайшего большего целого числа.

4*. Определяем сопротивление одиночного заземлителя с учетом коэффициента использования:

R_сп = R₀/h_с.* (14)

5*. Определяем общее сопротивление вертикальных заземлителей с учетом сопротивления соединительной полосы:

R_в = R_пR_н/R_п – R_н. (15)

6*. Определяем окончательное количество заземлителей:

n = R_сп/R_в. (16)

Вычисленное количество заземлителей округляем до ближайшего большего целого числа.

По данным расчета составляем эскиз контура заземления (план размещения заземлителей в грунте – вид сверху, с нанесением размеров) и эскиз одиночного вертикального заземлителя (рис. 2).

Таблица 5

Результаты измерений

Метод измерения	Напряжение, В	Ток, А	Сопротивление, Ом	Заключение
измеренное	допустимое
«Амперметр-вольтметр»
М 416

Контрольные вопросы

1. Объясните сущность защиты от поражения, если корпус электрооборудования оказался под напряжением.

2. Как выполняется контур заземления?

3. Объясните назначение коэффициентов использования и сезонности.

4. Каковы допустимые значения сопротивления растеканию тока для электроустановок напряжением 380/220 В?

5. Какими методами и когда необходимо измерять сопротивления растеканию тока?

6. Что необходимо предпринять, если сопротивление растеканию выше нормативных значений?

7. Почему измерения по методу «амперметра-вольтметра» выполняются на переменном токе?

8. Можно ли при измерениях по методу «амперметра-вольтметра» использовать в качестве источника питания автотрансформатор?

Приложение 1

Электроизмерительная лаборатория   Наименование лаборатории	Предприятие ___________________ ______________________________ Объект ________________________ ______________________________ Дата проверки «___»_______20__ г.

Протокол №___

измерения сопротивления растеканию тока заземляющих устройств

Место размещения заземляющих устройств __________________________________

Температура воздуха, °С __________ влажность, % __________

Наличие осадков _______________________________________

^{(дождь, снег, интенсивность осадков)}

Поправочный коэффициент (согласно ПЭЭП) _______________

Тип прибора _____________________________ № ___________

Наименование заземляющего устройства и его параметры	Сопротивление по норме, Ом	Измеренное сопротивление, Ом	Величина сопротивления с учетом поправочного коэффициента, Ом	Заключение

Удельное сопротивление грунта, Ом·м _____________________

Результаты выборочного вскрытия грунта ____________________________________

________________________________________________________________________

Рекомендации ___________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Измерения проводили ____________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________

^{ФИО Группа по электробезопасности Подпись}

Протокол проверил _______________________________________________________

________________________________________________________________________

^{ФИО Группа по электробезопасности Подпись}