Одним из вариантов установки заземляющего контура в частном доме является монтаж штыревого заземления. В этом случае время работы значительно сокращается, при этом функциональность заземлителя не уступает аналогичным вариантам систем (линейному, электролитическому и т.д.). В данной статье мы расскажем, как сделать модульно-штыревое заземление своими руками и какие преимущества у такой системы.
Конструктивные особенности
Что собой представляет и из чего состоит такая система? Устройство состоит из стальных полутораметровых штырей, которые обрабатываются медью и соединяются с помощью соединительных муфт. Также в комплект входит зажим из латуни, с помощью которого соединяются горизонтальные и вертикальные контуры. Ниже указана схема конструкции.
Модульно-штыревая система заземления устанавливается следующим образом: на верхнюю часть штыря монтируется посадочная площадка (насадка), которая в свою очередь соединяется с муфтой. Насадка необходима для передачи силы вибромолота. На нижнюю часть конструкции устанавливается стальной наконечник. Он упрощает вбивание установки в землю. Есть несколько разновидностей наконечников, область применения которых зависит от твердости грунта.
Помимо этого, к комплекту прилагается специальная электропроводящая жидкая паста, назначение которой – защита от коррозии и постоянное поддерживание электрического сопротивления при эксплуатации. Электропроводящая паста наносится на все резьбовые соединения конструкции. Также можно использовать от коррозии специальную влагонепроницаемую клейкую ленту. Она устойчива к кислотам, солям и газам, не пропускает влагу.
Этапы монтажа
Модульно-штыревое заземление устанавливается по простому принципу. В первую очередь надевается на первый штырь наконечник. Но перед установкой его следует обработать электропроводящей пастой от коррозии. На другой конец навинчиваем соединительную муфту и также обрабатываем ее антикоррозионной пастой. Затем на устройство накручивается посадочная площадка для приложения сил вибромолота.
Модульно-штыревое заземление, которое собрали, помещаем в заранее подготовленную яму в земле. Нужно максимально глубоко ввинтить ее в грунт своими руками. Затем необходимо подключить к сети вибромолот и приставить его к площадке стержня. Таким образом штырь погружается в грунт на всю свою длину. Нужно лишь оставить 20 см для того, чтобы подсоединить другой стержень.
После этого следует . Для этого необходимо снять посадочную насадку и к тому месту, где она располагалась подсоединить специальный прибор, омметр, как на фото ниже:
Когда первый стержень расположен в земле на всю свою длину, посадочная насадка для вибромолота снимается и через соединительную муфту монтируется другой штырь. Специальный зажим, который удерживает штырь в вертикальном положении, поднимается по установленному устройству вверх. А на смонтированную конструкцию снова устанавливается соединительная муфта и насадка под вибромолот, после чего процесс повторяется.
Проверять сопротивления растеканию следует после установки каждого вертикального стержня. Установка штырей происходит до тех пор, пока не будет установлено необходимое сопротивление. На рисунке ниже указывается схема изменения сопротивления в зависимости от длины:
Далее нужно соединить горизонтальный заземлитель и вертикальный проводник. Для этого к концу стержня, что выступает из земли, крепится латунный зажим и к нему подсоединяем горизонтальный заземлитель. Между штырем и горизонтальным кабелем размещается специальная пластинка, которая защищает от коррозии при контакте разнородных металлов. После того как система была подсоединена, места соединения обрабатываются специальной клейкой лентой. Она служит дополнительной защитой от коррозии.
Преимущества и недостатки системы
Модульно-штыревое заземление, как и любая система, обладает своими плюсами и минусами. По сравнению с классическим и стандартным контуром, штыревое заземление имеет такие преимущества:
- легкость и простота в установке;
- занимает небольшую территорию;
- монтаж осуществляется минимальным количеством работников (1–2 человека);
- установка происходит без сварочных работ, так как все соединения осуществляются с помощью соединительных муфт;
- благодаря вибромолоту, нет тяжелых земельных работ;
- модульно-штыревое заземление устойчиво к коррозии, так как обрабатывается специальными смазками и покрытиями, благодаря этому они служат несколько десятков лет;
- в независимости от грунта штыревая система легко вбивается в землю;
- элементы конструкции производятся промышленным образом, благодаря чему обладают высоким качеством и готовы к моментальной установке без дополнительных подготовительных работ.
Модульно-штыревое заземление обладает одним, но существенным минусом – это его высокая стоимость. Но, несмотря на такой недостаток, система выгодна, если учитывать все ее преимущества.
Промышленность производит множество разнообразных комплектов, которые объединяют в себе такие элементы, что необходимы для надежного и качественного монтажа. Модульно-штыревое заземление имеет важное назначение – это защита дома от пожара, а людей, находящихся в помещении от поражения электрическим током.
Это стальной тянутый стержень диаметром 14 мм и длиной 1,5 метра, покрытый методом электролитического осаждения (электролиза) медью чистотой 99.9%, образующей покрытие с молекулярной и неразрывной связью со сталью.
По краям методом накатки нанесена резьба для их взаимного соединения с помощью соединительной муфты .
Высококачественная сталь в таком заземлителе выполняет кроме электропроводящей еще и необходимую для зарывания электрода в почву - механическую роль. Штыри обладают высоким пределом прочности на разрыв (600 Н/мм²) и могут быть погружены в грунт при помощи отбойного молотка на большую глубину - до 40 метров.
Толщина медного покрытия составляет не менее 0.25 мм по всей длине стержня (включая резьбу). Это гарантирует его (покрытия) устойчивость к изгибу, отслоению, сцарапыванию при монтаже. Особенно это важно на резьбе, где более тонкий слой меди будет полностью разрушен от нагрузок и трения с муфтой во время заглубления (монтажа) *.
Эти особенности гарантирует высокую коррозийную устойчивость штыря заземления и обеспечивают столь долгий срок службы (до 100 лет).
* Особенности создания резьбы
"Правильная" резьба наносится ПОСЛЕ омеднения - накаткой, т.к. только такой способ позволяет добиться высокого общего качества штыря.
Альтернативная "технология" омеднения штырей: с уже сформированной резьбой (до нанесения покрытия) более дешевая, НО показывает худший (и опасный при эксплуатации) результат.
Это связано с особенностью электролиза: утолщением покрытия в углублениях / впадинах, из-за чего основной материал (сталь) на резьбе можно покрыть только тонким (0.03 - 0.05 мм) слоем меди.
Такое тонкое покрытие легко повреждается при монтаже ударами и трением в муфте. В дальнейшем при эксплуатации заземляющего электрода с такими нарушениями возникают очаги электрохимической коррозии ("медь-железо"), приводя к его полному разрушению в течении 2-3 лет.
Технология омеднения
Ключевым фактором изготовления качественного штыря заземления является создание на стальной заготовке крепкого однородного медного покрытия необходимой толщины с минимальными примесями.
На отдельной странице "Омеднённая сталь " представлены подробное описание основных характеристик, процессов при изготовлении и проведённых испытаний покрытия.
Сравнение с оцинкованными штырями
С 1910 по 1955 год Национальный Институт Стандартов и Технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)) провёл обширное исследование подземной коррозии, во время которого 36 500 образцов, представляющих 333 разновидности покрытий из чёрных и цветных металлов и защитных материалов подвергались испытанию в 128 местах по всей территории Соединённых Штатов *. Это исследование по праву считается одним из наиболее полных исследований коррозии, которые когда-либо проводились.
Одним из результатов этого исследования стал факт, что штырь заземления, покрытый 254 мкм меди, сохраняет свои технические характеристики в течение более 40 лет в большинстве типов почвы. А стержневые электроды, покрытые 99,06 мкм цинка, в этих же грунтах могут сохранять свои качества лишь в течение 10-15 лет.
Кроме того, срок защиты цинкового покрытия уменьшается пропорционально увеличению количества металлических конструкций в грунте, находящихся рядом с электродами (чем больше конструкций - тем меньше служит покрытие / тем быстрее оно "исчезает"). Примерами этих конструкций могут быть: арматура фундаментов зданий, трубы и т.п.
Штырь заземления с медным покрытием толщиной 254 мкм, извлечённый из грунта (суглинок) после 10 лет
Штырь заземления с цинковым покрытием толщиной 99 мкм, извлеченный из грунта (суглинок) после 10 лет
Еще одно исследование коррозионных свойств медного покрытия проводила польская компания GALMAR. Искусственное старение образцов в условиях, моделирующих агрессивный грунт ("кислое" болото), показало, что штырь заземления с медным покрытием 250 мкм сохраняет необходимые технические характеристики в течении не менее 30 лет.
Модульное заземление относится к передовым в техническом отношении способам электрического соединения проводящего материала с грунтом. Другое название технологии – модульно-штыревая система.
В данной статье будут рассмотрены преимущества и варианты установки такого вида заземления. Также будет уделено внимание вопросу контроля над сопротивлением контура.
Модульно-штыревая заземлительная система
Указанная система состоит из расположенных по вертикали стальных стержней и соединительных муфт (указаны на рисунках №1 и №2). Длина каждого стержня, покрытого медным слоем, – 1,5 метра. Для скрепления стержней друг с другом применяются латунные муфты.
Заземлительный стержень Технические параметры:
- длина детали – 1500 миллиметров;
- стержневой диаметр – 14,2 миллиметра;
- резьба: 5/8” (двусторонняя, покрытая медью);
- длина резьбы – 30 миллиметров;
- масса – 1,85 килограмма.
Технические параметры:
- материал – латунь Л63 (возможно использование бронзы);
- длина – 70 миллиметров;
- диаметр – 22 миллиметра;
- внутренняя резьба – 5/8”;
- длина резьбы – 60 миллиметров;
- масса – 114 граммов.
Комплектация включает латунный зажим, с помощью которого скрепляются расположенные по вертикали и горизонтали элементы заземлительного контура. В качестве вертикального элемента выступает стальной стержень, а горизонтального – медный провод от распредщита или полоска из стали.
Как видно по рисунку №4, в комплекте оборудования имеется два вида стальных наконечников. Они накручиваются на стержень, устанавливаемый в грунт по вертикали. Наконечники предназначены для разных типов грунтов: для особо твердых грунтов и для обычных грунтов.
Технические параметры:
- длина наконечника – 42 миллиметра;
- диаметр наконечника из стали – 20 миллиметров;
- внутренняя резьба – 5/8”;
- длина резьбы – 20 миллиметров;
- масса – 45 граммов.
Помимо основного устройства, поставляется посадочная площадка (изображена на рисунке №5), а также специальная насадка (рисунок №6). Эти приспособления понадобятся для приложения и передачи движений вибромолота.
Технические детали:
- длина – 53 миллиметра;
- диаметр – 23,6 миллиметра;
- наружная резьба – 5/8”;
- длина резьбы – 35 миллиметров;
- масса – 110 граммов.
Ударная насадка - длина – 265 миллиметров;
- диаметр основной части – 18 миллиметров;
- диаметр рабочей части – 11,7 миллиметров;
- длина рабочей части – 14,5 миллиметров.
Кроме того, к основному комплекту прилагается антикоррозийная токопроводящая жидкая паста (рисунок №7). Она предназначена для предотвращения коррозии. Также в комплектацию входит защитная лента (рисунок №8), которая используется для зажимного скрепления элементов системы по вертикали и по горизонтали.
Антикоррозийная электропроводящая смазка Проводящая ток паста на основе графита позволяет добиться постоянной электроцепи вертикального электрода заземления. Данный пастообразный состав может применяться вне зависимости от сезонного фактора. Смазкой обрабатываются резьбы всех используемых соединений.
Антикоррозийная паста отличается хорошей адгезией и устойчивостью к высоким температурам. Иными словами: паста не течет при нагревании. Использование смазки позволяет снизить на 9-10% сопротивляемость стыка.
Лента применяется для предотвращения коррозии на трубах (вне зависимости от места их размещения), а также на любых других металлических элементах конструкции. Антикоррозийная лента отличается пластичностью даже при высоких температурах, а также кислотоустойчивостью, стойкостью к щелочным и соленым средам. Лента не боится вредных микроорганизмов и влаги.
Сборочные работы удобнее проводить с применением вибромолота (рисунок №9). Сопротивление растеканию контролируется за счет устройства измерения сопротивления (рисунок №10).
Прибор измерения сопротивления
Установочные работы
Монтаж своими руками состоит из нескольких последовательных этапов, о которых будет рассказано ниже.
Установка измерительного прибора
Устройство для замеров сопротивления ставим неподалеку от места, где будет устанавливаться заземлительный контур. В качестве места выбираем яму с высотой, шириной и глубиной по 200 миллиметров на каждый параметр. Яма должна располагаться в полутора метрах от стены здания, где находится горизонтальный элемент заземлительного контура. В качестве элемента может быть использован медный провод или полоска из стали.
Для проведения замеров понадобятся измерительные электроды, которые устанавливаем с отступом в 25 и 10 метров по разные стороны прибора. Забиваем электроды в землю и подключаем их к измерительному прибору.
Схема монтажа электродов
Установка первого штыря модуля
- Навинчиваем наконечник на одну сторону стержня. До накручивания наконечник нужно обработать антикоррозийной смазкой.
- На другой стержневой конец навинчиваем соединительную муфту. Ее также обрабатываем антикоррозийным составом.
- Устанавливаем посадочную головку, предназначенную для приложения нажима вибромолота.
- Собранный стержень (наконечником книзу) устанавливаем как можно глубже в грунт в яме.
- Включаем вибромолот, направляем его на площадку стержня и примерно за 15-20 секунд забиваем стержень в землю. При этом 20 сантиметров оставляем на поверхности, чтобы можно было соединить друг с другом стержни.
Замер промежуточного сопротивления
Убираем посадочную площадку и замеряем сопротивление. Чтобы достигнуть необходимого сопротивления, нужно заглублять вертикальные штыри, устанавливая друг на друга заземлительные секции.
Установка других вертикальных штырей
- После обработки муфты смазкой ввинчиваем в нее другой медный стержень.
- На стержень надеваем еще одну муфту и снова ставим посадочную головку.
- Повторяем операцию с вибромолотом.
- Проверяем сопротивление растеканию.
Стержни наращиваем до той поры, пока сопротивление не опустится ниже 4 Ом.
Установка горизонтального заземлителя
- Начинаем соединять вертикальный и горизонтальный проводящие элементы заземления. Чтобы подключить стальную ленту или медный провод к стержню, применяем латунный зажим. Одна сторона зажима приспособлена под штырь, другая – под медный провод или стальные полосы.
- Фиксируем зажим болтами на стержне.
- Прикручиваем горизонтальную часть заземления к зажиму. Горизонтальная составляющая отделена от штыря разделительной пластиной, которая позволяет избежать биметаллической коррозии.
- Наносим на все болтовые соединения антикоррозийную ленту (рисунок №12).
Глубинная модульно-штыревая заземлительная система Заземлительный контур, изготовленный по стандарту модульно-штыревой системы, может быть выполнен как в одноточечном, так и в многоточечном исполнении. Конкретный выбор зависит от поставленной задачи – необходимого сопротивления заземлителей.
Достоинства модульно-штыревого заземления
На рисунке №13 показана взаимозависимость между сопротивлением растеканию и глубиной стержня заземления. Введенная в строй заземлительная система позволила меньше чем за час добиться сопротивления растеканию на уровне примерно 4 Ом.
График зависимости сопротивления заземления от глубины, на которой находится стержень.
Разберемся, какие условия понадобились установленной системе. Чтобы установить заземлительный контур штыревым методом необходимы:
- вибромолот, который облегчит установщику процесс монтажа;
- измерительное устройство;
- еще один монтажник, который станет выполнять функцию помощника, удерживающего стержень при работе вибромолота.
Ниже перечислены преимущества, которыми отличается модульное заземление в сравнении с наиболее часто применяемым стандартным заземлительным контуром:
- Площадь, на которой разместилась модульно-штыревая система, заняла не более одного квадратного метра, что указывает на возможность компактной установки.
- Нет необходимости в трудоемких земляных работах благодаря применению вибромолота.
- Не нужны сварочные работы, так как все соединения в модульно-штыревой системе осуществляются при помощи муфт.
- Продолжительный срок эксплуатации системы (свыше 30 лет) за счет стойких к коррозийным процессам покрытиям (указывает на устойчивость к коррозии почвенного и электролитического происхождений).
- Применение глубинной модульно-штыревой конструкции снимает зависимость от характеристик грунта.
- В конструкции отсутствуют какие-либо сложные элементы, собрать ее может даже не слишком подготовленный человек.
Еще один вопрос, который стоит упомянуть, – себестоимость системы. В целом затраты приблизительно эквивалентны 500 долларам США. Стоимость установки добавит еще 120 долларов к затратам. При этом классическая заземлительная система обойдется примерно в 240 долларов вместе с установочными работами. Однако, несмотря на проигрыш в ценовом отношении, перечисленные выше достоинства модульно-штыревой системы однозначно свидетельствуют в ее пользу.
Когда контур заземления установлен, понадобится оформить на него соответствующую документацию, в том числе протокол измерений, паспорт заземления (с включенной в него схемой) и акт скрытых работ. Документы необходимо хранить на протяжении всего срока эксплуатации системы.
Устройство так называемого заглубленного контура заземления внешне представляет собой электроды - металлические стержни, которые забиты в землю и соединены меж собой. Наиболее эффективной считается конструкция, в которой электроды располагаются в одну линию. Однако при благоприятных условиях вполне сгодится и конструкция, в которой стержни располагаются треугольником.
Устройство заземления в случае расположения штырей в одну линию
Устройство заземления в случае расположения штырей в виде треугольника
Расположение треугольником несколько хуже, поскольку электроды гораздо больше друг друга экранируют, а это значит, расход материала при организации такой конструкции при остальных равных условиях станет больше. С иной стороны на небольшом расстоянии треугольное расположение значительно уменьшает число земляных работ, и между собой соединять штыри с шиной значительно удобнее в яме треугольной формы, нежели в узкой траншее. 
Конструкция контура глубинного заземления с помощью уголка: 1. Уголок из стали 50 на 50 на 5 миллиметров, 2. соединительная полоска из стали 50 на 5 миллиметров, 3. Стальная шина заземления 50 на 5 миллиметров.
Расстояние заземлительного контура от домовых стен должно быть не менее 1-ного метра.
Электроды заземления следует закопать на приличную глубину возможного промерзания грунта. Всё дело в том, что будучи замерзшим грунт весьма плохо проводит электрический ток. В частности, при замерзании самого верхнего грунтового слоя высотой полметра, сопротивление его увеличивается приблизительно в десять раз, а на глубине около метра - раза в три. Летом же поверхностные слои грунта (примерно до метра глубиной) заметно высыхают, что довольно резко повышает показатели его сопротивления. Потому и необходимо поглубже закапывать электроды в так называемые стабильные почвенные слои, которые залегают на глубине 1-2 метров. На подобной глубине грунтовые параметры грунта почти не меняются в течение всего года.
Конечно, вполне можно взять и более длинные электроды из металла, однако это увеличит материальный расход. Расчет заземлительного контура приведен в статье под названием «Расчёт заземления» на нашем ресурсе. Кроме того, стоит отметить, что забить вручную в землю стержни заземлителя свыше 2,5 метров длиной бывает довольно-таки проблематично.
Таблица 1-вая Коэффициенты применения 3-ёх электродов, которые размещены в ряд 
Арматура Строительная не подходит для заземлительных стержней
В таблице 1-вой видно, каким образом расстояние меж 3-емя стержнями оказывает влияние на коэффициент их применения. Отношение расстояния меж стержнями является отношением используемой стержневой длинны к расстоянию меж ними. К примеру, если взять пару электродов длинной 2,5 метра, полностью углублённых в землю на необходимую глубину промерзания (используется вся их длина) и расположить их на расстоянии два с половиной метра от друг друга, то отношение их будет равно 1=2,5/2,5.
Глядя на таблицу, можно сделать такой вывод, что самое оптимальное расстояние меж стержнями заземлительного контура бывает равно обычно их длине. При увеличенном расстоянии эффективностный прирост будет небольшим при довольно большом объёме работ на земле и расходе материала на проведение соединения стержней шиной.
Для производства глубинных электродов использовать можно любые материалы, имеющие минимальные размеры, указанные в таблице 2.
Следует обратить внимание, что в таблице 2 не присутствует арматуры с так называемым периодическим профилем, которую обычно применяют для выполнения армирования бетона. Стержни такого рода арматуры совершенно не подходят для глубинного заземления, поскольку при вбивании в землю они разрыхляют её возле себя, что ведет к повышению сопротивления.
Таблица 2-рая Минимальные размеры электродов заземляющих с точки зрения механической и коррозионной стойкости
Материал | Поверхность | Минимальный размер |
||||
Диаметр, мм | Площадь сечения, мм 2 | Толщина, мм | Толщина покрытия, мк |
|||
Черный 1 металл без антикоррозионного покрытия | Прямоугольный 2 | |||||
Горячего цинкования 5 или нержавеющая сталь 5,6 | Прямоугольный | |||||
Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | ||||||
Круглая проволока для поверхностных электродов 4 | ||||||
В медной оболочке | Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | |||||
С гальваническим медным покрытием | Круглые стержни для заглублённых электродов 3 | |||||
Без покрытия 5 | Прямоугольный | |||||
Круглый провод Для поверхностных электродов 4 | ||||||
каждой проволоки | ||||||
Луженная | каждой проволоки | |||||
Оцинкованная | Прямоугольный 9 | |||||
1 Срок службы 25-30 лет при скорости коррозии в нормальных грунтах 0,06 мм/год. 2 Прокат или нарезанная полоса со скругленными краями. 3 Заземляющие электроды рассматриваются как заглублённые, когда они установлены на глубине более 0,5 м. 4 Заземляющие электроды рассматриваются как поверхностные, когда они установлены на глубине не более 0,5 м. 5 Может так же использоваться для электродов, уложенных (заделанных) в бетоне. 6 Применяется без покрытия. 7 В случае использования проволоки, изготовленной методом непрерывного горячего цинкования, толщина покрытия в 50 мк принята в соответствии с настоящими техническими возможностями. 8 Если экспериментально доказано, что вероятность повреждения от коррозии и механических воздействий мала, то может использоваться сечение 16 мм 2 . 9 Нарезанная полоса со скруглёнными краями. |
||||||
Хомуты оцинкованные для проведения скрепления заземлителей
Осуществление соединения оцинкованного стержня с также оцинкованной полосой с помощью хомута на болтах
С целью соединения контурных стержней с шиной заземления и соединителями используются два способа:
В случае использования оцинкованного проката можно применять соединение без применения сварки, при помощи обжимных резьбовых хомутов. Причём место соединения обязательно должно быть защищенным от коррозии при помощи антикоррозийного бинта, либо обмазки горячим битумом;
При применении проката из черной стали без каких-либо покрытий он соединяется с помощью использования дуговой электросварки.
Проведение антикоррозийной обработки соединения на хомутах
Касаемо провода (так называемый защитный проводник), что подключают непосредственно к заземляющей конструкции (то есть к шине заземления), лучше всего применять провод из меди. Размер минимального сечения заземляющего провода следует выбирать по таблице 3. К примеру, если попросту подключить провод из меди к стальной шине при помощи резьбового оцинкованного соединения, причём соединение находится в распределительной пластиковой коробке, сам же провод скрыт в пластиковой гофре, то такого рода подключение надо считать плохо защищённым от коррозийного воздействия, поскольку оно напрямую контактирует с воздухом. Однако соединение заземлительного контура такого рода и проводника защищено механически, а значит минимально возможное сечение провода из меди будет равным 10 миллиметрам2. Детали по обустройству защитного домового заземления собственноручно приведены в статье под названием «Монтаж контура заземления самостоятельно».
Под "заземлением " понимается электрическое соединение оборудования, приборов к заземляющему устройству, которое в свою очередь связано с грунтом (землей). Целью заземления является выравнивание потенциала оборудования, цепей и потенциала земли. Заземление обязательно к применению на всех энергообъектах для обеспечения безопасности работников и оборудования от действия токов короткого замыкания. При возникновении пробоя ток КЗ по цепи заземляющего устройства стекает на землю. Время прохождения тока ограничивается действием релейной защиты и автоматики. При этом обеспечивается сохранность оборудования, а также безопасность работников в части поражения электрическим током.
Для защиты электронной аппаратуры от электростатических потенциалов и ограничения величины напряжения корпуса оборудования в целях безопасности обслуживающего персонала, сопротивление идеальной цепи заземления должно стремиться к нулевому значению. Однако на практике добиться этого нереально. Учитывая данное обстоятельство в современных стандартах безопасности заданы достаточно низкие допустимые значения сопротивления цепей заземления.
Сопротивление заземляющего устройства
Полное сопротивление заземляющего устройства слагается из:
- Сопротивления металла электрода и сопротивление в месте контакта заземляющего проводника и заземляющего электрода.
- Сопротивления в области контакта электрода и грунта.
- Сопротивления земли по отношению к протекающим токам.
На Рис. 1 приведена схема размещения заземляющего электрода (штыря) в грунте.
Как правило, штырь для обустройства заземления изготавливают из металла, проводящего электрический ток (сталь или медь) и маркируют соответствующей клеммой. Поэтому для практических расчётов можно пренебречь величиной сопротивления заземляющего штыря и места контакта с проводником. По результатам проведённых исследований было установлено, что при соблюдении технологии монтажа заземляющего устройства (плотный контакт электрода с землей и отсутствие на поверхности электрода посторонних примесей в виде краски, масла и пр.) в виду небольшого значения можно не учитывать сопротивление в месте контакта заземляющего электрода с землёй.
Сопротивление поверхности грунта – это единственная составляющая полного сопротивления заземляющего устройства, рассчитывающаяся при конструировании и установке заземляющих устройств. На практике считают, что электрод для заземления находится среди одинаковых слоев грунта, располагающих в виде концентрических поверхностей. У самого ближнего слоя - наименьший радиус и поэтому минимальная площадь поверхности и наибольшее сопротивление.
При удалении от заземляющего электрода у каждого последующего слоя увеличивается поверхность и уменьшается сопротивление. На некотором расстоянии от электрода сопротивление слоев грунта становится настолько малым, что его значение не берется для расчётов. Область грунта, за пределами которой сопротивление представляет собой незначительную величину, называется областью эффективного сопротивления. Размер данной области находится в непосредственной зависимости от глубины погружения в грунт заземляющего электрода.
Теоретическое значения сопротивления грунта вычисляется по общей формуле:
где ρ – величина удельного сопротивления грунта, Ом*см.
L – толщина слоя грунта, см.
A – площадь концентрической поверхности грунта, см2.
Данная формула наглядно объясняет, почему происходит уменьшение сопротивления каждого слоя грунта при удалении от заземляющего электрода. При расчете сопротивления грунта его удельное сопротивление принимают за постоянную величину, однако на практике величина удельного сопротивления меняется в определенных пределах и зависит от конкретных условий. Формулы для нахождения сопротивления заземления при большом числе заземляющих электродов имеют сложной вид и позволяют найти только приблизительное значение.
Чаще всего сопротивление заземления штыря определяют по классической формуле:
где ρ – среднее значение удельного сопротивления грунта, Ом*см.
R – сопротивление заземления электрода, Ом.
L – глубина расположения заземляющего электрода, см.
r – радиус заземляющего электрода, см.
Влияние размеров заземляющего электрода и глубины его заземления на значение сопротивления заземления
Поперечные размеры заземляющего электрода в незначительной степени влияют на сопротивление заземления. При увеличении диаметра штыря заземления отмечается небольшое снижение сопротивления заземления. Например, если диаметр электрода увеличить в 2 раза (Рис. 2), то сопротивление заземления уменьшится меньше, чем на десять процентов.
Рис. 2. Зависимость сопротивления заземляющего штыря от диаметра его сечения, измеренного в дюймах
При увеличении глубины размещения заземляющего электрода сопротивление заземления снижается. Теоретически доказано, что увеличение глубины в два раза позволяет уменьшить сопротивление на целых 40%. В соответствии со стандартом NEC (1987, 250-83-3) для обеспечения надёжного контакта с землёй следует погружать штырь на глубину не менее 2,4 метра (Рис. 3). Во многих случаях штырь, заземленный на три метра, полностью удовлетворяет актуальным требованиям стандартов NEC.
Согласно стандартов NEC (1987, 250-83-2) минимально допустимый диаметр стального заземляющего электрода составляет 5/8 "" (1,58 см), стального электрода с медным покрытием или электрода из меди – 1/2 "" (1,27 см).
На практике используют следующие поперечные размеры заземляющего штыря при его общей длине равной 3 метрам:
- Обычный грунт – 1/2 "" (1,27 см).
- Сырой грунт – 5/8 "" (1,58 см).
- Твёрдый грунт – 3/4 "" (1,90 см).
- При длине штыря более 3 метров – 3/4 "" (1,91 см).
Рис. 3. Зависимость сопротивления заземляющего устройства от глубины заземления (по вертикали – величина сопротивления электрода (Ом), по горизонтали – глубина заземления в футах)
Влияние удельного сопротивления грунта на величину сопротивления заземления электрода
Приведенная выше формула показывает, что величина сопротивления заземления зависит от глубины нахождения и площади поверхности заземляющего электрода, а также от значения удельного сопротивления грунта. Последняя величина является основным фактором, определяющим сопротивление заземления и глубину заземления электрода, необходимых для обеспечения минимального сопротивления. Удельное сопротивление грунта зависит от времени года и точки земного шара. Наличие в почве электролитов в виде водных растворов солей и электропроводящих минеральных веществ в большой степени влияет на сопротивление грунта. У сухой почвы, не содержащей растворимых солей, сопротивление будет достаточно высоким (Рис. 4).
Рис. 4. Зависимость удельного сопротивления грунта (минимальное, максимальное и среднее) от вида почвы
Факторы, оказывающие влияние на удельное сопротивление грунта
При крайне низком содержании влаги (близком к нулю) песчаный суглинок и обычная земля имеют удельное сопротивление свыше 109 Ом*см, что позволяет относить такие почвы к классу изоляторов. Увеличение влажности почвы до 20 ... 30% способствует резкому снижению удельного сопротивление (Рис. 5).
Рис. 5. Зависимость удельного сопротивления грунта от содержания влаги
Удельное сопротивление грунта зависит не только от содержания влаги, но и от его температуры. На Рис. 6 показано изменение удельного сопротивления песчаного суглинка с влажностью 12,5% в температурном диапазоне +20 °С до –15°С. Удельное сопротивление почвы при понижении температуры до – 15 °С возрастает до 330 000 Ом*см.
Рис. 6. Зависимость удельного сопротивления грунта от его температуры
На Рис. 7 показаны изменения удельного сопротивления грунта, зависящие от времени года. На значительных глубинах от поверхности земли температура и влажность грунта достаточно стабильны и меньше зависят от времени года. Поэтому система заземления, в которой штырь находится на большей глубине, будет более эффективна в любое время года. Превосходные результаты достигаются при достижении заземляющего электрода до уровня грунтовых вод.
Рис. 7. Изменение сопротивления заземления в течение года.
В качестве заземляющего устройства взята водопроводная труба (¾""), расположенная в каменистом грунте. Кривая 1 (Curve 1) показывает изменение сопротивления грунта на глубине 0,9 метра, кривая 2 (Curve 2) – на глубине 3 метра.
В отдельных случаях отмечается экстремально высокое значение удельного сопротивления грунта, что требует создания сложных и дорогостоящих систем защитного заземления. В данном случае нужно устанавливать штырь заземления небольших размеров, а для снижения сопротивления заземления периодически добавлять в окружающий грунт растворимые соли. На Рис. 8 показано значительное снижение сопротивления почвы (песчаный суглинок) при увеличении концентрации содержащихся солей.
Рис. 8. Связь между сопротивлением грунта и содержанием соли (песчаный суглинок с влажностью 15% и температурой +17 оС)
На рис. 9 показана зависимость между удельным сопротивлением грунта, который насыщен раствором соли, и его температурой. При использовании заземляющего устройства в подобных грунтах, штырь заземления должен иметь защиту от влияния химической коррозии.
Рис. 9. Влияние температуры грунта, пропитанного солью, на его удельное сопротивление (песчаный суглинок – содержание соли 5%, воды 20%)
Зависимость величины сопротивления заземляющего устройства от глубины зазеления электрода
Для определения необходимой глубины расположения заземляющего электрода будет полезна номограмма заземления (Рис. 10).
Например, для получения значения заземления в 20 Ом в грунте, имеющим удельное сопротивление 10 000 Ом*см, необходимо использовать металлический штырь диаметром 5/8 "" заглубленный на 6 метров.
Практическое использование номограммы:
- Задать нужное сопротивление заземленного штыря по шкале R.
- Отметить на шкале Р точку фактического удельного сопротивления грунта.
- Провести до шкалы К прямую линию через заданные точки на шкале R и Р.
- В месте пересечения со шкалой K отметить точку.
- Выбрать требуемый размер заземляющего штыря по шкале DIA.
- Через точки на шкале K и на шкале DIA провести прямую линию до пересечения шкалы D.
- Пересечение данной прямой со шкалой D даст искомую величину заглубления штыря.
Рис. 10. Номограмма для выполнения расчёта заземляющего устройства
Измерение удельного сопротивления грунта при помощи прибора TERCA2
Имеется земельный участок большой площади.
Задача – найти место с минимальным сопротивлением и оценить глубину нахождения слоя грунта с наименьшим удельным сопротивлением. Среди различных видов грунта, встречающихся на данном участке, минимальное сопротивление будет у влажного суглинка.
После детального обследования участка зона поиска сужается до 20 м2. Исходя из требований к системе заземления, необходимо определить сопротивление грунта на глубине 3 м (300 см). Расстояние между крайними заземляющими штырями будет равняться глубине, для которой производится измерение среднего удельного сопротивления (в данном случае 300 см).
Для использования упрощённой формулы Веннера
заземляющий электрод должен находиться на глубине порядка 1/20 расстояния между электродами (15 см).
Установка электродов выполняется по специальной схеме, приведённой на Рис. 11.
Пример подключения тестера заземления (Мод. 4500) показан на Рис. 12.
Рис. 11. Установка заземляющих электродов по сетке
- Снять перемычку, с помощью которой замыкаются выводы Х и Х V (C1 и P1) измерительного прибора.
- Подключить тестер к каждому из 4-х штырей (Рис. 11).
Пример
.
Тестер показал сопротивление R = 10 Ом.
Расстояние между электродами А = 300 см.
Удельное сопротивление определяется по формуле ρ = 2 π *R*A
Подставив исходные данные получим :
ρ = 2 π * 10 * 300 = 18 850 Ом см.
Рис. 12. Схема подключения тестера
Измерение напряжения прикосновения
Важнейшей причиной для проведения измерения напряжения прикосновения является получение достоверной оценки о безопасности персонала подстанции и по защите оборудования от воздействия токов высокого напряжения. В отдельных случаях степень электробезопасности оценивается по другим критериям.
Заземляющие устройства в виде отдельного штыря или решетки электродов, требуют периодического осмотра и проверки измерения сопротивления, которое выполняется в следующих случаях:
- Устройство заземления имеет компактные размеры и его можно временно отключить.
- При угрозе возникновения электрохимической коррозии заземляющего электрода, вызванной низким удельным сопротивлением грунта и постоянными гальваническими процессами.
- При низкой вероятности пробоя на землю недалеко от проверяемого устройства заземления.
В качестве альтернативного способа определения безопасности технологического оборудования подстанции используется измерение напряжения прикосновения. Данный способ рекомендован в следующих случаях:
- При невозможности отключения заземляющего устройства для проведения измерений сопротивления заземления.
- В случае угрозы возникновения пробоев на землю вблизи от проверяемой системы заземления или поблизости от оборудования, подключенного к проверяемой системе заземления.
- Когда контур оборудования, находящийся в контакте с грунтом, сравним по своей площади с размером заземляющего устройства, подлежащего проверке.
Необходимо отметить, что измерение сопротивления заземления при помощи метода падения потенциала или замеры напряжения прикосновения не позволяют сделать достоверный вывод о способности проводника заземления выдерживать значительные токи при утечке тока с фазного на заземляющий проводник. Для этой цели необходим иной метод, при котором используется проверочный ток значительной величины. Измерение напряжения прикосновения выполняется при помощи четырёхточечного тестера заземления.
В процессе измерения напряжения прикосновения прибор создаёт в грунте небольшое напряжение, которое имитирует напряжение при неисправности электрической сети вблизи от проверяемой точки. Тестер показывает значение напряжения в вольтах на 1 А тока, протекающего в цепи заземления. Чтобы определить наибольшее напряжение прикосновения, которое может возникнуть в экстремальном случае, следует умножить полученное значение на максимально возможную силу тока.
Например, при проверке системы заземления с наибольшим возможным током неисправности в 3000 А, тестер выдал значение 0,200.
Следовательно, напряжение прикосновения составит
U = 3000 A * 0,200 = 600 В.
Измерение напряжения прикосновения во многом напоминает метод падения потенциала: в каждом случае необходимо устанавливать в землю вспомогательные электроды заземления. Однако расстояние между электродами будет отличаться (Рис. 22).
Рис. 13. Схема проводника заземления (общий случай для электросети промышленного назначения)
Рассмотрим характерный случай. Вблизи подстанции подземный кабель получил повреждение изоляции. Через это место в грунт потекут токи, которые направятся к системе заземления подстанции, где создадут высокую разность потенциалов. Высокое напряжение тока утечки может представлять существенную угрозу для здоровья и жизни персонала подстанции, находящегося на опасном участке.
Для измерения приблизительного значения напряжения прикосновения, возникающего в данном случае, следует выполнить ряд действий:
- Подключить кабеля между металлическим ограждением электрической подстанции и точками Р1 и С1 четырёхточечного тестера заземления.
- Установить заземляющий электрод в грунте в том месте, где наиболее вероятен пробой кабеля.
- Подключить электрод ко входу С2 тестера.
- На прямой между первым электродом и местом подключения к ограждению установить в землю дополнительный электрод. Рекомендуемое расстояние от точки установки этого электрода до места подключения к ограждению равно одному метру.
- Подключить данный электрод к точке Р2 тестера.
- Включить тестер, выбрать диапазон 10 мА, зафиксировать показания прибора.
- Для получения значения напряжения прикосновения умножить показания тестера на максимальную величину тока.
Чтобы получить карту распространения потенциала напряжения необходимо устанавливать электрод (разумеется, подключенный к выводу Р2 тестера) в различные места вблизи ограждения, находящиеся рядом с неисправной линией.
Измерение сопротивления заземления прибором "С.А. 6415" с использованием токовых клещей
Измерение сопротивления заземления с помощью токовых клещей относится к новому, весьма эффективному методу, позволяющему проводить измерения при включённой системе заземления. Также данный метод обеспечивает уникальную возможность измерения общего сопротивления устройства заземления, включая определение сопротивления соединений в действующей системе заземления.
Принцип работы прибора С.А. 6415
Рис. 14. Схема проводника заземления (общий случай для электросети промышленного назначения)
Рис. 15. Принцип работы заземляющего проводника
Классическое заземляющее устройство для электрической сети промышленного назначения можно представить в виде принципиальной схемы (Рис. 23) или в виде упрощенной схемы работы заземляющего проводника (Рис. 24).
Если на одном из участков цепи с сопротивлением RX при помощи трансформатора подать напряжение E, то через данную цепь пойдет электрический ток I.
Данные величины связаны между собой соотношением:
Измерив силу тока I при известном постоянном значении напряжения Е, можно определить сопротивление RX.
На приведенных схемах (Рис. 23 и 24) для генерации тока используется специальный трансформатор, подключенный к источнику напряжения через усилитель мощности (частота 1,6 кГц, постоянная амплитуда). Возникший ток регистрируется синхронным детектором в образующемся контуре, далее усиливается при помощи избирательного усилителя и после преобразования через аналогово-цифровое устройство отображается на дисплее прибора.
Типовые примеры измерения сопротивления заземления в реальных условиях
1. Измерение сопротивления заземления трансформатора, установленного на столбе ЛЭП
Порядок проведения измерений:
- С заземляющего проводника снять защитную крышку.
- Обеспечить необходимое пространство для свободного охвата токовыми клещами проводника или штыря заземления.
- Клещи должны подключаться на пути прохождения тока от нейтрального или заземляющего провода к штырю заземления (системе штырей).
- На приборе выбрать измерение тока «А».
- Захватить токовыми клещами проводник заземления.
- Определить значения тока в проводнике (максимальный допустимый ток составляет 30 А).
- При превышении данного значения прекратить измерение сопротивления.
- Отключить прибор от этой точки и выполнить замеры в других точках.
- Если значение тока не превышает 30 А, следует выбрать режим «?».
- На дисплее прибора будет показан результат замеров в Омах.
Полученное значение включает общее сопротивление системы заземления, куда входят: сопротивление контакта нейтрального провода со штырем заземления, а также локальные сопротивления всех соединений между штырем и нейтралью.
Рис. 16. Измерение сопротивления заземления на столбе ЛЭП
Рис. 17. Измерение заземления трансформатора, установленного на опоре линии электропередач (заземление в виде группы штырей)
Рис. 18. Измерение заземления трансформатора, установленного на опоре линии электропередач (для заземления используется металлическая труба)
Согласно схеме, приведенной на Рис. 25, для заземления используется торец столба и штырь, находящийся в грунте. Для корректного измерения общего сопротивления заземления следует подключать токовые клещи в точке, находящейся выше места соединения заземляющих проводников, проложенных от заземляющего штыря и торца столба.
Причиной повышенного значения сопротивления заземления может быть :
- Некачественное заземления штыря.
- Отключённый проводник заземления
- Высокие значения сопротивления в области контактов проводников или в точке сращивания заземляющего провода.
- Следует внимательно осмотреть токовые клещи и места соединений на конце штыря на предмет отсутствия значительных трещин на стыках.
2. Измерение сопротивления заземления на распределительной коробке или на счетчике электроэнергии
Методика проведения измерений заземления на распределительной коробке и на электросчётчике схожа с той, что рассмотрена при измерении заземления трансформатора. Схема заземления может состоять из группы штырей (Рис. 26) или в качестве заземляющего проводника может применяться металлическая водопроводная труба, имеющая контакт с грунтом (Рис. 27). При измерении заземления сопротивления можно использовать оба вида заземления одновременно. Для этого необходимо подобрать оптимальную точку на нейтрали, чтобы получить корректное значение общего сопротивления системы заземления.
3. Измерение сопротивления заземления на трансформаторе, установленном на площадке
При проведении замеров заземления на трансформаторной подстанции необходимо помнить:
- На этом энергообъекте всегда присутствует высокое напряжение, опасное для жизни человека
- Нельзя открывать ограждение трансформатора.
- Все работы могут выполняться только квалифицированными специалистами.
- При проведении замеров следует соблюдать требования мер безопасности и охраны труда.
Рис. 19. Измерения величины заземления на трансформаторе, размещенного на специальной площадке
Порядок проведения измерений :
- Определиться с количеством заземляющих штырей.
- При расположении штырей заземления внутри ограждения, измерения производить по схеме, показанной на Рис. 28.
- При расположении заземляющих штырей вне зоны ограждения – использовать схему, приведённую на Рис. 29.
- При наличии одного штыря заземления, находящегося внутри ограждения, необходимо подключиться к заземляющему проводнику в точке, расположенной после контакта этого проводника со штырем заземления.
- Использование токовых клещей мод. 3730 и 3710, подключенных непосредственно к штырю заземления, в большинстве случаев обеспечивает лучшие результаты измерений.
- Во многих случаях, к зажиму на штыре подключены несколько проводников, идущих к нейтрали или внутрь заграждения.
- Токовые клещи следует подключать в той точке, через которую проходит единственный путь для тока, протекающего в нейтральный проводник.
При получении низких значений сопротивления, следует переместить точку проведения замеров как можно ближе к штырю заземления. На рис. 29 показан заземляющий штырь вне зоны заграждения. Для обеспечения корректных замеров необходимо выбрать точку подключения токовых клещей в соответствии со схемой, показанной на Рис. 29. При наличии внутри ограждения нескольких заземляющих штырей, следует определиться с их подключением, чтобы выбрать оптимальную точку для измерений.
Рис. 20. Выбор правильной точки для измерения заземления
4. Передающие стойки
При проведении замеров заземления на передающих стойках следует помнить, что существует множество различных конфигураций заземляющих устройств, что вносит определённые сложности при оценке проводников заземления. На Рис. 30 приведена схема заземления одиночной стойки на фундаменте из бетона с внешним заземляющим проводником.
Место подключения токовых клещей выбирается выше точки соединения элементов заземления, которые могут иметь конструкцию в виде группы пластин, штырей или представлять собой конструктивные элементы фундамента стойки.
Рис 21. Измерение сопротивления заземления передающей стойки
