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
к их длине

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!