Расчет
заземляющего устройства
Прежде чем приступить к монтажу заземления в своем домовладении, каждый человек хочет оценить, во что это ему обойдется. Прежде всего, его интересует, сколько и каких материалов для этого понадобится. Для того чтобы оценить эти вложения необходимо провести расчет числа заземлителей в заземляющем устройстве и способ их размещения. Это позволит определить не только количество материалов необходимых для устройства заземления, но и площадь земельного участка, который необходимо отвести под эти работы, а также, оценить примерный объем земляных работ.
Известно много формул для заземлителей различной геометрии. Однако мы остановимся на расчете заземляющего устройства с искусственными заземлителями, геометрические характеристики которых соответствуют требованиям Правил устройства электроустановок (далее по тексту — ПУЭ) для электроустановок до 1 кВ в сетях с глухозаземленной нейтралью при линейном напряжении 380В источника трехфазного тока или 220В источника однофазного тока. То есть для условий, в которых большинство из нас проводит всю жизнь, будь то на работе, а тем более дома.
Для расчета
нам понадобятся следующие данные.
1. — нормированное сопротивление заземляющего устройства для выбранных нами условий. Согласно п. 1.7.103. ПУЭ, его максимальное значение для любого времени года не должно превышать 10 Ом.
2. Геометрические характеристики и материал заземлителей и заземляющих проводников. В таблице 1.7.4. ПУЭ приведены характеристики проводников, которые допускается использовать в качестве искусственных заземлителей и заземляющих проводников. Мы сравним два варианта. Групповое заземляющее устройство и модульно штыревую систему заземления. В первом случае, выберем для вертикальных заземлителей уголок из черной стали с шириной полки 50мм и толщиной 5мм. В качестве горизонтального заземлителя, который мы будем использовать для соединения вертикальных заземлителей в группу, выберем полосу из черной стали шириной 40мм и толщиной 4 мм. Модульная штыревая система заземления поставляется в комплекте и нам выбирать материал не надо. В данном случае нас интересует диаметр используемого штыря. Он равен 14мм. Таким образом все выбранные нами материалы соответствуют требованиям ПУЭ.
3. Удельное сопротивление грунта – ρ (Ом·м):
· Песок влажный 500 Сланец глинистый 55
· Супесок 300 Чернозем 50
· Гравий глинистый 300 Садовая земля 40
· Супесь влажная 150 Зола, пепел 40
· Смесь глины и песка 150 Суглинок пластичный 30
· Суглинок полутвердый 100 Торф 25
· Глина полутвердая 60 Глина пластичная 20
Надо помнить, что удельное сопротивление грунта на каждом конкретном участке может значительно отличаться от средних значений. Иногда в несколько раз. Это обусловлено такими факторами, как непостоянный состав почвы по глубине, наличие различных добавок в грунте конкретного участка, наличия и глубины залегания грунтовых вод, других природных и техногенных факторов.
4. Сезонный повышающий коэффициент — k. Его значения учитывает сезонное изменение удельного сопротивления грунта в зависимости от климатической зоны, в которой расположен интересующий нас участок. Дело в том, что летом из-за высыхания, зимой из-за промерзания удельное сопротивление почвы растет, в дождливые периоды осени и таяния снега весной — удельное сопротивление уменьшается. Значения повышающего коэффициента сведены в таблицу 1.
Таблица
1.
Климатическая зона |
Характеристика зоны |
Верт. заземлители длиной 3м |
Верт. заземлители длиной 3м |
1 |
Средняя Т°С января -18°С июля +17°С Продолжит. замерзания воды 180 дней. |
1,65 |
1,35 |
2 |
Средняя Т°С января -12°С июля +20°С Продолжит. замерзания воды 150 дней. |
1,45 |
1,25 |
3 |
Средняя Т°С января -5°С июля +23°С Продолжит. замерзания воды 100 дней. |
1,3 |
1,15 |
4 |
Средняя Т°С января +3°С июля +25°С Продолжит. замерзания воды 0 дней. |
1,1 |
1,1 |
5. Коэффициент использования заземлителей при их групповом применении — kисп. Учет этого коэффициента обусловлен взаимным экранирующим влиянием потенциалов вертикальных заземлителей друг на друга. Чем ближе друг к другу расположены заземлители, тем сильнее это влияние. Тем меньше ток растекания. Различают два способа расположения заземлителей, в ряд и по контуру. Значения коэффициента использования заземлителей при их расположении в ряд сведены в таблицу 2., по контуру – в таблицу 3.
Таблица
2.
Количество заземлит. n (шт.) |
Отношение расстояния между заземлителями
к их длине |
||
1 |
2 |
3 |
|
2 |
0,85 |
0,91 |
0,94 |
4 |
0,73 |
0,83 |
0,89 |
6 |
0,65 |
0,77 |
0,85 |
10 |
0,59 |
0,74 |
0,81 |
20 |
0,48 |
0,67 |
0,76 |
Таблица
3.
Количество заземлит. n (шт.) |
Отношение расстояния между заземлителями
|
||
1 |
2 |
3 |
|
2 |
- |
- |
- |
4 |
0,69 |
0,78 |
0,85 |
6 |
0,61 |
0,73 |
0,80 |
10 |
0,56 |
0,68 |
0,76 |
20 |
0,47 |
0,63 |
0,71 |
40 |
0,41 |
0,58 |
0,66 |
60 |
0,39 |
0,55 |
0,64 |
100 |
0,36 |
0,52 |
0,62 |
В случае использования модульной штыревой системы заземления в качестве элемента группового заземляющего устройства, применяют kисп = 0,8, при расстоянии между модулями равном их длине. Допускается уменьшать это расстояние до величины 10м, в этом случае для системы с длиной штыря 15м применяют kисп = 0,7, для 30 метровой системы принимают kисп= 0,5.
Учитывая локальность задачи, стоящей перед нами, здесь не приводятся данные по расчету характеристик горизонтальных полосовых электродов. Их вклад в общий результат соизмерим с точностью метода, поэтому в расчетах его учитывать не будем, принимая его влияние на результат как гарантию получения более точного конечного значения.
Удельное сопротивление почвы с учетом повышающего коэффициента составит величину:
(1)
Сопротивление растеканию тока
единичного заземлителя выполненного из прута, трубы или уголка вычисляется по формуле (2):
(2)
где:
(м) - длина заземлителя;
d(м) - диаметр заземлителя выполненного из прута или трубы,
для уголка принимают ,
где p(м) – ширина полки уголка;
h(м) – заглубление
заземлителя, равно глубине залегания его средней точки, ,
где t(м) — в общем случае глубина
траншеи;
Количество
необходимых заземлителей определяется по формуле (3) методом приближения:
(3)
Как это
происходит, увидим ниже.
Теперь давайте рассчитаем «контур заземления изготовленный из стальных уголков и обваренный стальной полосой» показанный в статье «Вся правда о электромонтажных работах в деревянном доме в соответствии с ПУЭ и ПТЭЭП. Электромонтаж контура заземления.» от 25 июня 2010г. В качестве грунта примем глину полутвердую с удельным сопротивлением 60 Ом·м. Заземлители выполнены из 50-го уголка длиной 2,5м и расстоянием между ними 2,5 м. Заземлители расположены по контуру. Ширина полки равна 0,05м. Глубина траншеи равна 0,5м. Из таблицы 1. возьмем повышающий коэффициент для второй климатической зоны и длине заземлителей до 3м. Его значение составит 1,45. Нормированное сопротивление заземляющего устройства равно 10 Ом. Фактическое удельное сопротивление почвы вычислим по формуле (1).
Приведем
значение размера полки уголка к параметру диаметра заземлителя применяемому в
формуле (2):
заглубление равно:
сопротивление одного
заземлителя вычислим по формуле (2):
Определим количество заземлителей методом приближения по формуле (3), для чего примем kисп = 1, тогда:
По таблице 3. для трех заземлителей собранных по контурной схеме с отношением их длин к расстоянию между ними равному единице получим kисп = 0,75, подставим в формулу (3):
Вернемся к таблице 3. и для четырех заземлителей получим kисп = 0,69, подставим в формулу (3):
Для выбранных
нами параметров необходимо четыре заземлителя. Примерный перечень материалов и
затрат примет вид: 50-й уголок — 10м, полоса 40мм — 22м (если принять
расстояние от заземляющего устройства до дачного домика 10м плюс ввод ),
земляные работы порядка 5 м3, бурение, ручная забивка заземлителей,
сварочные работы, электромонтажные работы. Срок службы 7–12 лет.
Теперь проведем
оценку модульной штыревой системы заземления для тех же условий. Помним —
диаметр штыря 14 мм. Возьмем более дешевую 15-метровую систему.
Этого
заземлителя достаточно. Перечень затрат и материалов будет следующий. Модульная
система 15 метровая — 1 комплект, земляные работы порядка 1,5 м3,
забивка штыря перфоратором, электромонтажные работы. Срок службы — 30 лет.
Остальное решать вам.
Данный расчет
следует применять как оценочный. После окончания монтажа заземляющего
устройства необходимо пригласить специалистов для проведения электроизмерений.
Обязательно!