1 Системы заземления
Соединение всех металлических частей здания и всех открытых проводящих частей оборудования с заземляющим электродом предотвращает возникновение опасно высоких напряжений между любыми двумя одновременно доступными металлическими частями.
1.1 Соединения с землей Определения
Национальные и международные нормы (МЭК 60364) четко определяют различные элементы соединений с землей. Следующие термины общеприняты в промышленности и специальной литературе. Номера в скобках относятся к рис. E1:
Заземляющий электрод (1): проводник или группа проводников, находящихся в непосредственном контакте и обеспечивающих электрическое соединение с землей (см. п.1.6 в главе Е).
Земля: проводящая масса Земли, электрический потенциал которой в любой точке условно принимается равным нулю.
Электрически независимые заземляющие электроды: заземляющие электроды, расположенные на таком расстоянии друг от друга, что максимальный ток, который может протекать через один из них, не оказывает значительного влияния на потенциал других проводников.
Сопротивление заземляющего электрода: сопротивление контакта электрода с землей.
Заземляющий проводник (2): защитный проводник, соединяющий главную заземляющую шину (ГЗШ) (6) установки с заземляющим электродом (1) или другим средством заземления (например, системы TN).
Открытая проводящая часть: проводящая часть оборудования, до которой можно дотронуться, и которая в нормальном режиме не находится под напряжением, но может быть под напряжением при режиме замыкания на корпус (повреждении).
Защитный проводник (3): проводник, который используется для защиты от поражения электрическим током и служит для соединения любых из следующих частей:
открытые проводящие части;
сторонние проводящие части;
основной заземляющий зажим;
заземляющие электроды;
заземленная точка источника или искусственной нейтрали.
Сторонняя проводящая часть: проводящая часть, вводящая потенциал (как правило, потенциал Земли) и не входящая в состав электроустановки (4).
Например:
неизолированные полы или стены, металлоконструкции зданий;
металлические каналы и трубопроводы (не в составе электроустановки) для воды, газа, отопления, сжатого воздуха и т.д. и металлические материалы, связанные с ними.
Шинка металлизации (5): защитный проводник, обеспечивающий эквипотенциальное соединение.
Главная заземляющая шина (ГЗШ) (6): зажим или вывод, служащий для присоединения защитных проводников, включая проводники уравнивания потенциала и проводники для функционального заземления (при наличии), в целях заземления.
Соединения
Основная система уравнивания потенциала
Проводники системы уравнивания потенциалов применяются с целью обеспечения того, что в случае возникновения потенциала во входящем стороннем проводнике (например, газопровод и т.д.) из-за повреждения вне здания не возникнет разности потенциалов между сторонними проводящими частями внутри установки. Проводники уравнивания потенциалов должны располагаться как можно ближе к точкам входа в здание и присоединяться к ГЗШ (6). Однако соединение с землей металлических оболочек кабелей связи требует разрешения владельцев кабелей.
Дополнительная система уравнивания потенциала
Эти соединения служат для присоединения открытых проводящих частей и всех сторонних проводящих частей, доступных одновременно, когда не обеспечены условия надлежащей защиты, например, проводники основной системы уравнивания потенциала имеют недопустимо высокое сопротивление.
Соединение открытых проводящих частей с заземляющими электродами
E2
Рис. E1: Пример жилого здания, в котором ГЗШ (6) обеспечивает основное эквипотенциальное соединение; съемная перемычка (7) обеспечивает проверку сопротивления заземляющего электрода
Соединение выполняется с помощью защитных проводников с целью обеспечения низкоомной линии для токов повреждения на землю.
Системы заземления характеризуют метод заземления установки за вторичной обмоткой трансформатора высокого/низкого напряжения и средства, используемые для заземления открытых проводящих частей питаемого низковольтного электроприемника (ЭП).
1.2 Определение стандартных систем заземления
Выбор этих методов определяет меры, необходимые для защиты от опасности косвенного прикосновения.
Разработка системы заземления требует от проектировщика электрической распределительной системы или установки определения с выбором трех независимых исходных параметров:
Тип соединения электросистемы (как правило, нейтраль) и открытых частей с заземляющими устройствами.
Использование отдельного защитного проводника или защитного проводника, совмещенного с нейтралью.
Использование защиты максимального тока для отключения больших токов замыкания на землю или использование дополнительных реле, способных обнаруживать и отключать небольшие токи замыкания на землю.
На практике эти решения сгруппированы и стандартизированы, как разъясняется ниже. Каждое из них обеспечивает стандартные системы заземления с тремя преимуществами и недостатками:
Присоединение открытых проводящих частей оборудования и нейтрали к РЕ-проводнику приводит к выравниванию потенциалов и снижению перенапряжений, но при этом - к повышению токов замыкания на землю.
Отдельный защитный проводник стоит довольно дорого даже при малой площади поперечного сечения, но намного менее подвержен воздействию перепадам напряжений, гармоникам и т.д., чем нейтраль. Кроме того, предотвращаются токи утечки в сторонних проводящих частях.
Компоненты (см. рис. E2)
Эффективное соединение всей доступной металлической арматуры и всех открытых проводящих частей электрических приборов и оборудования необходимо для надежной защиты от поражения электрическим током.
Компоненты: открытые проводящие части | сторонние проводящие части |
Кабелепроводы | Элементы конструкции здания |
Распределительное устройство (РУ) ■ Опора съемного РУ | |
Приборы | |
Неэлектрические элементы | Элементы инженерных сетей здания (кроме энергоснабжения) |
| |
Компоненты: | сторонние непроводящие части |
Различные служебные каналы и т.д. | Полы из паркетных досок |
Распределительное устройство ■ Корпуса из изолирующего материала |
|
Приборы |
|
Рис. E2: Перечень открытых и сторонних проводящих и непроводящих частей
Реле токовой защиты нулевой последовательности или устройства контроля изоляции намного более чувствительны и позволяют во многих случаях отключать замыкания на землю до возникновения более серьезных повреждений (двигатели, пожары, поражение электрическим током). Кроме того, эта защита не зависит от изменений (расширений) существующей установки.
Система ТТ (заземленная нейтраль) (см. рис. E3)
Одна точка источника питания соединяется непосредственно с землей. Все открытые и сторонние проводящие части соединяются с отдельным заземляющим устройством установки. Электрод может быть как электрически независимым от заземляющего устройства источника, так и нет. Две зоны растекания электродов могут перекрываться без влияния на работу устройств защиты.
Системы TN (открытые проводящие части, соединенные с нейтралью)
Источник заземляется аналогично системе ТТ (выше). На установке все открытые и сторонние проводящие части соединяются с нейтралью (зануляются). Несколько вариантов системы TN показаны ниже.
Система TN-C (см. рис. E4)
Нейтраль служит также в качестве защитного проводника и обозначается PEN (защитный заземляющий нейтральный проводник). Эта система не допускается для проводников сечением менее 10 мм2 или передвижного оборудования.
Система TN-C требует эффективной эквипотенциальной среды в пределах установки с рассредоточением заземляющих электродов как можно более равномерно, поскольку PEN-проводник является нейтралью и проводит токи несимметрии фаз, а также токи третьей гармоники (и кратные им).
Поэтому PEN-проводник должен присоединяться к нескольким заземляющим электродам на установке.
Предупреждение: в системе TN-C функция защитного проводника имеет более высокий приоритет, чем «функция нейтрали». В частности, PEN-проводник должен всегда подсоединяться к заземляющему зажиму нагрузки с использованием перемычки для подсоединения этого зажима к нейтральному выводу.
Система TN-S (см. рис. E5)
Система TN-S (5-проводная) обязательна для цепей с площадью поперечного сечения менее 10 мм2 и для передвижного оборудования.
Защитный проводник и нейтраль разделены. В подземных кабельных системах, в которых используются освинцованные кабели, защитным проводником является, как правило, свинцовая оболочка.
Рис. E3: Система ТТ
Рис. E4: Система TN-C
Рис. E5: Система TN-S
Система TN-C-S (см. рис. E6 ниже и рис. E7 на следующей странице) Системы TN-C и TN-S могут использоваться в одной установке. В системе TN-C-S система TN-C (4-проводная) не должна использоваться ниже системы TN-S (5-проводная), поскольку любой случайный обрыв нейтрали перед ней приведет к обрыву в защитном проводнике после нее, что опасно.
Рис. E6: Система TN-C-S
Рис. E7: Присоединение проводника PEN в системе TN-C
Система IT (изолированная нейтраль или нейтраль, заземленная через активно-реактивное сопротивление)
Система IT (изолированная нейтраль)
Не выполняется специальное соединение между нейтральной точкой источника питания и землей (см. рис. E8).
Открытые и сторонние проводящие части установки соединяются с заземляющим электродом. На практике все цепи имеют сопротивление утечки на землю, поскольку не существует идеальной изоляции. Наряду с этим распределенным путем резистивной утечки, существует распределенный путь емкостного тока. Вместе два пути составляют нормальное сопротивление утечки на землю (см. рис. E9). Пример (см. рис. E10)
В низковольтной 3-фазной 3-проводной системе 1 км кабеля имеет сопротивление утечки в силу конденсаторов C1, C2, C3 и резисторов R1, R2 и R3, эквивалентное полному сопротивлению заземления нейтрали (Zct) 3000 - 4000 Ом без учета фильтрующих емкостей электронных устройств.
Система IT (нейтраль, заземленная через активно-реактивное сопротивление)
Рис. E8: Система IT (изолированная нейтраль)
Рис. E9: Система IT (изолированная нейтраль)
Рис. E10: Полное сопротивление, эквивалентное сопротивлениям утечки в системе IT
Полное сопротивление Zs (порядка 1000 - 2000 Ом) постоянно подсоединено между нейтральной точкой низковольтной обмотки трансформатора и землей (см. рис. E11). Все открытые и внешние проводящие части подсоединены к заземляющему электроду. Такой способ заземления источника питания служит для фиксации потенциала сети относительно земли (Zs мало в сравнении с сопротивлением утечки) и снижения уровня перенапряжений (например, импульсы напряжения, передаваемые с обмоток среднего напряжения, статические заряды и т.д.) относительно земли. Однако, при этом возникает незначительное повышение уровня тока первого замыкания.
Рис. E11: Система IT (нейтраль, заземленная через активно-реактивное сопротивление)
Система ТТ:
Метод защиты людей: открытые проводящие части заземляются, используется устройство защиты от токов утечки (УЗО).
E6
Принцип работы: отключение при первом замыкании на землю.
1.3 Характеристики систем TT, TN и IT
Рис. E12: Система TT
Система TT (см. рис. E12)
Система TN:
Метод защиты людей:
соединение и заземление открытых проводящих частей и нейтрали является обязательным;
при первом замыкании на землю цепь отключается устройствами защиты от сверхтока (автоматическими выключателями или предохранителями).
Принцип работы: отключение при первом замыкании на землю.
Примечание: если открытые проводящие части заземляются в нескольких точках, УЗО должно устанавливаться для каждой группы ЭП, подсоединенных к одному заземляющему электроду.
Основные характеристики
Простейшее решение с точки зрения проектирования и монтажа используется на установках с питанием непосредственно через низковольтную распределительную сеть общего пользования.
Не требует постоянного контроля в процессе работы (могут требоваться только периодические проверки УЗО).
Защита обеспечивается с помощью УЗО (устройство защитного отключения, реагирующее на ток утечки на землю), что предотвращает риск пожара при уставке до 500 мА.
Каждое повреждение приводит к отключению питания только поврежденной цепи благодаря применению селективных УЗО на последовательных ступенях распределения.
ЭП или части установки, которые при нормальном режиме работы вызывают высокие токи утечки, требуют специальных мер для предотвращения излишних отключений, например, питание нагрузок через разделительный трансформатор или использование специальных УЗО (см. п.5.1 в главе F).
Система TN (см. рис. E13 и рис. E14)
Рис. E13: Система TN-C
Рис. E14: Система TN-S
Основные характеристики
В целом, система TN:
требует установки заземляющих электродов с равными интервалами в пределах установки;
требует проверки эффективности отключения при первом однофазном КЗ посредством расчетов на этапе проектирования с последующими обязательными замерами для подтверждения эффективности отключения на этапе пуско-наладки;
требует, чтобы любое изменение или расширение проектировалось и выполнялось квалифицированным специалистом;
характеризуется тем,что КЗ на корпус может приводить к большому повреждению обмоток вращающихся машин;
имеет высокую опасность возникновения пожара из-за повышенного тока однофазного КЗ (70 - 80% всех замыканий).
Система TN-C:
с первого взгляда может показаться менее дорогостоящей (экономия одного проводника и одного полюса выключателей);
требует использования неподвижных и жестких проводников;
запрещена к использованию в определенных случаях:
помещения с риском пожара;
компьютерное оборудование (гармонические токи в нейтрали).
Система TN-S:
может использоваться даже с гибкими проводниками:
в силу разделения нейтрали и защитного проводника обеспечивает чистое защитное заземление (компьютеры и помещения с особыми рисками).
Система IT:
Метод защиты:
соединение и заземление открытых проводящих частей;
индикация первого замыкания на землю посредством устройства контроля изоляции (IMD);
отключение при втором замыкании (КЗ) с помощью защиты максимального тока (выключатели или плавкие предохранители).
Принцип работы:
сигнализация первого замыкания на землю;
обязательная локализация и устранение первого замыкания;
Рис. E15: Система IT
отключение при двойном замыкании на землю.
Система IT (см. рис. E15) Основные характеристики
Решение, обеспечивающее максимальную бесперебойность питания.
Сигнализация первого замыкания с последующей обязательной локализацией и устранением повреждения обеспечивает систематическое предотвращение перерывов в электроснабжении.
Как правило, используется на установках с питанием через частный трансформатор высокого/ низкого или низкого/низкого напряжения.
Требует обслуживающего персонала для контроля и работы.
Требует высокого уровня изоляции в сети (что означает разделение крупной сети и использование разделительного трансформатора для питания нагрузок с высокими токами утечки).
Проверка эффективности отключения при двойном замыкании (КЗ) должна проводиться посредством расчетов на этапе проектирования с последующими обязательными замерами на этапе пуско-наладки для каждой группы взаимосвязанных проводником РЕ открытых проводящих частей.
Защита нейтрали должна обеспечиваться, как указывается в п.7.2 главы G.
Выбор не зависит от критериев безопасности. Три системы эквивалентны по защите людей при условии соблюдения всех правил монтажа и эксплуатации. Критерии выбора оптимальной системы зависят от нормативных требований, необходимой бесперебойности питания, рабочих условий и типов сети и нагрузок.
1.4 Критерии выбора систем TT, TN и IT
По защите людей три системы заземления сети (СЗС) эквивалентны при условии соблюдения всех правил монтажа и эксплуатации. Поэтому выбор не зависит от критериев безопасности. Определить оптимальные системы можно путем объединения всех требований (нормы, бесперебойность питания, рабочие условия и типы сети и нагрузок) (см. рис. E16). Выбор определяется следующими факторами:
Во-первых, действующие нормы, которые в некоторых случаях вводят обязательное использование определенных типов СЗС.
Во-вторых, решение владельца в отношении электропитания - питание через частный трансформатор высокого/низкого напряжения (абонент высокого напряжения) или владелец имеет частный источник энергии (или разделительный трансформатор).
Если владелец сделал выбор, решение по СЗС принимается после обсуждений с разработчиком сети (КБ, подрядчик). Обсуждения должны включать в себя следующее:
Во-первых, эксплуатационные требования (требуемый уровень бесперебойности питания) и рабочие условия (техобслуживание проводится электротехническим персоналом или нет, собственный или внешний персонал и т.д.).
E8
Во-вторых, конкретные характеристики сети и нагрузок (см. рис. E17 на следующей странице).
| TT | TN-S | TN-C | IT1 | IT2 | Примечания |
Электрические характеристики | ||||||
Ток повреждения (КЗ) | - | - - | - - | + | - - | Только система IT обеспечивает пренебрежимо малые токи первого замыкания на землю |
Напряжение косвенного прикосновения | - | - | - | + | - | В системе IT напряжение косвенного прикосновения крайне мало при первом замыкании, но значительно при двойном |
Напряжение косвенного прикосновения | +/- - | - | - | + | - | В системе TT напряжение косвенного прикосновения крайне мало при эквипотенциальной системе, в ином случае - высокое |
Защита | ||||||
Защита людей от косвенного прикосновения | + | + | + | + | + | Все схемы СЗС эквивалентны при соблюдении правил |
Защита людей при помощи аварийных энергоблоков | + | - | - | + | - | Системы, где защита обеспечивается с помощью УЗО, не чувствительны к изменению внутреннего сопротивления источника |
Противопожарная защита (с УЗО) | + | + | Не | + | + | Все схемы СЗС, в которых могут использоваться устройства УЗО, эквивалентны. Система TN-C запрещена в помещениях с опасностью пожара |
Перенапряжения | ||||||
Непрерывное перенапряжение | + | + | + | - | + | При первом замыкании в системе IT напряжение на исправных фазах увеличивается до линейного |
Переходное перенапряжение | + | - | - | + | - | Системы с высокими токами повреждения (КЗ) могут вызывать переходные перенапряж. |
Перенапряжение при отказе трансформатора (первичная/вторичная обмотка) |
| + | + | + | + | В системе TT имеется асимметрия напряжений между разными заземляющими электродами. Другие системы соединяются с одним заземляющим электродом |
Электромагнитная совместимость | ||||||
Устойчивость к близким разрядам молнии |
| + | + | + | + | В системе TT возможны асимметрии напряжений между заземляющими электродами. В системе TT имеется значительное сопротивление между двумя отдельными заземляющими электродами |
Устойчивость к разрядам молнии на линиях среднего напряжения | - | - | - | - | - | Все системы заземления эквивалентны, когда линия высокого напряжения попадает под прямой разряд молнии |
Непрерывное излучение электромагнитного поля | + | + | - | + | + | Подсоединение PEN к металлоконструкциям здания ведет к непрерывной генерации электромагнитных полей |
Переходная неэквипотенциальность PE | + | - | - | + | - | РЕ не эквипотенциален при высоком токе повреждения (КЗ) |
Бесперебойность питания | ||||||
Отключение при первом замыкании на землю | - | - | - | + | + | Только система IT продолжает работать при первом замыкании на землю |
Понижение напряжения при однофазном замыкании | + | - | - | + | - | Системы TN-S, TNC и IT (двойное замыкание) вызывают высокие токи повреждения (КЗ), которые могут привести к понижению фазного напряжения |
| ||||||
Специальные устройства | - | + | + | - | - | Система TT требует использования УЗО. Система IT требует использования устройств контроля изоляции |
Число заземляющих устройств | - | + | + | -/+ | -/+ | Система TT требует два отдельных заземляющих устройства. Система IT обеспечивает выбор между одним или двумя заземляющими устройствами. |
Число проводников | - | - | + | - | - | Только система TN-C обеспечивает (в определенных случаях) сокращение числа проводников |
Техобслуживание |
|
|
|
|
|
|
Стоимость ремонтных работ | - | - - | - - | - | - - | Стоимость ремонтных работ зависит от степени повреждения, вызванного токами повреждения |
Повреждение установки | + | - | - | ++ | - | Системы, вызывающие высокие токи повреждения (КЗ), требуют проверки после устранения повреждения |
Рис. E16: Сравнение систем заземления электрических сетей
Когда СЗС не предписывается нормами, она выбирается по уровню рабочих характеристик (бесперебойность питания, которая требуется по соображениям безопасности или необходима для обеспечения производительности, и т.д.).
Независимо от СЗС, вероятность повреждения изоляции повышается при увеличении протяженности сети. Может потребоваться разделить сеть, чтобы облегчить локализацию повреждений и позволить реализовать систему, рекомендованную выше, для каждого типа установки.
Риск дугового разряда на ограничителе перенапряжений превращает изолированную нейтраль в заземленную нейтраль. Эти риски повышены для районов с частыми грозами или для установок с питанием через воздушную сеть. Если система IT выбирается для обеспечения повышенного уровня бесперебойности питания, разработчик системы должен точно рассчитать режим отключения при втором повреждении (КЗ).
Риск излишних отключений УЗО.
Независимо от СЗС, идеальное решение состоит в изоляции проблемной секции, если ее можно легко определить.
Риск однофазных КЗ на землю, нарушающих эквипотенциальность.
Фактор неопределенности, связанный с изоляцией, из-за влажности и проводящей пыли.
Система TN не рекомендуется из-за риска повреждения генератора в случае внутреннего отказа (КЗ). Более того, если генераторы питают защитное оборудование, система не должна срабатывать при первом замыкании.
Ток между фазой и землей может в несколько раз превышать In с риском повреждения обмоток двигателей или повреждения магнитопровода.
Чтобы обеспечить бесперебойное питание и безопасность, необходимо (и настоятельно рекомендуется) отделить эти нагрузки от остальных нагрузок установки (трансформаторы с местным соединением нейтрали), независимо от СЗС.
Если обеспечение качества оборудования не является приоритетной задачей при проектировании, существует риск быстрого снижения сопротивления изоляции. Система TT с УЗО представляет оптимальное решение этих проблем.
Необходимо учитывать, что подвижность нагрузки этого типа приводит к частым повреждениям. Независимо от системы СЗС, рекомендуется запитывать эти цепи через трансформаторы с местным соединением нейтрали.
Требует использования трансформаторов с местной системой TN для предотвращения эксплуатационных рисков и излишних отключений при первом повреждении (КЗ) (ТТ) или двойном повреждении (КЗ) (IT).
(12 bis) С двойным разрывом в цепи управления.
Чрезмерное ограничение тока однофазного КЗ из-за высокого значения сопротивления нулевой последовательности (в 4-15 раз больше сопротивления прямой последовательности). Эта система должна заменяться схемой «звезда-треугольник».
Высокие токи повреждения делают опасной систему TN. Система TN-C запрещена.
Независимо от системы, УЗО должно устанавливаться на In < 500 мА.
На установке с низковольтным питанием должна использоваться система ТТ. Использование этой системы допускает только минимальное количество изменений существующей сети (не должны прокладываться дополнительные кабели, не должны изменяться устройства защиты).
Для использования не требуется высококвалифицированный обслуживающий персонал.
Установка этого типа требует особого внимания к обеспечению безопасности при техобслуживании. Необходимо профилактическое обслуживание системы TN, в ином случае со временем потребуется высококвалифицированный персонал для обеспечения безопасности.
Риски разрыва проводников (питание, защита) могут привести к потере эквипотенциальности открытых проводящих частей. Рекомендуется и часто обязательна система TT или TN-S с УЗО на 30 мА. Система IT может использоваться только в специальных случаях.
Это решение позволяет избежать излишних отключений при случайных утечках на землю.
Рис. E17: Влияние сети и нагрузок на выбор системы заземления
1.5 Выбор метода заземления и его реализация
После ознакомления с действующими нормами рис. Е16 и Е17 могут использоваться при принятии решения относительно разделения и гальванической развязки соответствующих секций предлагаемой установки.
Разделение источника
Это метод использования нескольких трансформаторов вместо одного большой мощности. В этом
случае нагрузка, являющаяся источником сетевых нарушений (мощные двигатели, печи и т.д.),
может запитываться через отдельный трансформатор.
Тем самым повышается качество и бесперебойность питания всей установки.
Стоимость распределительного устройства снижается (уровень тока КЗ ниже).
Экономические аспекты использования отдельных трансформаторов должны определяться в каждом
конкретном случае.
Секционирование сети
Создание гальванически разделенных секций посредством трансформаторов высокого/низкого напряжения позволяет оптимизировать выбор методов заземления с учетом конкретных требований (см. рис. E18 и рис. E19).
Рис. E18: Секция TN-S в системе IT
Рис. E19: Секция IT в системе TN-S
Заключение
Оптимизация характеристик всей установки определяет выбор системы заземления. Необходимо учитывать:
Начальные капиталовложения.
E10
Будущие эксплуатационные расходы, которые трудно оценить, связанные с недостаточной надежностью, качеством оборудования, безопасностью, бесперебойностью питания и т.д. Идеальная система должна включать в себя основные источники питания, местные резервные источники питания (см. п.1.4 в главе Е) и соответствующие устройства заземления.
Эффективный метод обеспечения малого сопротивления заземления состоит в заглублении замкнутого контура в грунт дна котлована под фундамент здания.
Сопротивление R такого контура (в однородном грунте) составляет (приблизительно),
, где:
L = длина заглубленного проводника; р = удельное сопротивление грунта, Омм.
1.6 Монтаж заземляющих устройств и замеры
Качество заземляющего устройства (как можно меньшее сопротивление) зависит в основном от двух факторов:
Метод монтажа
Тип грунта
Методы монтажа
Ниже описаны три общепринятых метода монтажа: Заглубленная кольцевая цепь (см. рис. E20)
Это решение настоятельно рекомендуется, особенно в случае нового здания. Электроды должны заглубляться по периметру выемки под фундаменты. Необходимо, чтобы неизолированный проводник находился в непосредственном контакте с грунтом (и не находился в гравии или заполнителе, часто образующем основание для укладки бетона). Для монтажа соединений необходимо обеспечить как минимум четыре проводника от электрода, которые широко разнесены по вертикали. При возможности, каждый арматурный стержень в бетоне должен подсоединяться к электроду. Проводник, образующий заземляющий контур, особенно если он расположен в котловане под фундамент, должен заглубляться не менее чем на 50 см под заполнитель для бетонного основания. Заземляющий контур и вертикальные проводники к нижнему этажу не должны находиться в контакте с бетоном фундамента.
Для существующих зданий заземляющий контур должен заглубляться около наружной стены помещений на глубину не менее 1 м. Как правило, все вертикальные выводы от него к поверхности должны быть изолированы на номинальное напряжение (600-1000 В).
Возможные типы проводников:
Медь: неизолированный (> 25 мм2) или многоленточный (> 25 мм2, толщина > 2 мм) кабель.
Алюминий, со свинцовой оболочкой: кабель (> 35 мм2).
Оцинкованная сталь: неизолированный (> 95 мм2) или многоленточный (> 100 мм2, толщина > 3 мм) кабель.
Приблизительное сопротивление растекания электрода R, Ом:
где:
L = длина проводника, р = удельное сопротивление грунта, Ом.м (см. "Влияние типа грунта" на следующей странице).
Заземляющие стержневые электроды (см. рис. E21)
Вертикально расположенные заземляющие стержни часто используются для существующих зданий и для улучшения существующих заземляющих контуров (т.е. снижения сопротивления). Возможные типы стержней:
Для n стержней: r = - £ .
n L
Медь или (чаще) сталь с медным покрытием. Стержни из последнего материала имеют, как правило, длину 1 или 2 метра и обеспечиваются резьбой на концах и втулками для размещения на значительной глубине (например, уровень грунтовых вод в зонах с высоким удельным сопротивлением грунта).
Рис. E20: Проводник, заглубленный ниже (не в бетоне)
Трубка из оцинкованной стали (см. примечание (1) на следующей странице) диаметром > 25 мм или стержень диаметром > 15 мм, длиной > 2 м в каждом случае.
Рис. E21: Заземляющие стержневые электроды
Часто необходимо использовать несколько стержней. В этом случае интервал между ними должен в 2-3 раза превышать их длину.
Общее сопротивление (в гомогенном грунте) равно сопротивлению одного стержня, разделенному на число стержней. Приблизительное сопротивление R:
если интервал между стержнями > 4L,
где:
L = длина стержня, м
р = удельное сопротивление грунта, Ом.м (см. «Влияние типа грунта» ниже) n = число стержней
Вертикальные пластины (см. рис. E22)
Прямоугольные пластины, каждая сторона которых должна быть > 0,5 м, обычно используются в качестве заземляющих электродов, заглубляемых в вертикальной плоскости таким образом, что центр пластины находится минимум на 1 м ниже поверхности грунта. Возможные типы пластин:
Медь, толщина 2 мм
Оцинкованная * сталь, толщина 3 мм Сопротивление R, Ом, равно (приблизительно):
, где:
L = периметр пластины, м
Для вертикального пластинчатого электрода:
р = удельное сопротивление грунта, Ом.м (см. «Влияние типа грунта» ниже)
Рис. £23: Удельное сопротивление (Омм) разных типов грунта
Влияние типа грунта
Замеры на заземляющих электродах в аналогичных грунтах полезны для определения удельного сопротивления, используемого при расчете системы заземляющих электродов.
Тип грунта | Среднее значение удельного |
| сопротивления, Ом |
Заболоченная почва | 1 - 30 |
Илистый наносной слой | 20 - 100 |
Дерновая земля, гнилая листва | 10 - 150 |
Торф | 5 - 100 |
Мягкая глина | 50 |
Глинистый известняк и уплотненная глина | 100 - 200 |
Юрский известняк с содержанием глины | 30 - 40 |
Глинистый песок | 50 - 500 |
Кремнистый песок | 200 - 300 |
Каменистый грунт | 1500 - 3000 |
Задернованный каменистый грунт | 300 - 500 |
Известняковый грунт | 100 - 300 |
Известняк | 1000 - 5000 |
Трещиноватый известняк | 500 - 1000 |
Аспидный сланец | 50 - 300 |
Слюдистый сланец | 800 |
Гранит и песчаник | 1500 - 10000 |
Измененный гранит и песчаник | 100 - 600 |
Тип грунта | Среднее значение удельного сопротивления, Ом |
Плодородная почва, уплотненный насыпной грунт | 50 |
Засушливая почва, гравий, неуплотненный неоднородный грунт | 500 |
Каменистый грунт, открытый сухой песок, трещиноватые породы | 3000 |
Рис. £22: Вертикальная пластина
Рис. £24: Среднее удельное сопротивление (Ом м) для разных грунтов
Измерение сопротивления растекания заземляющего контура Сопротивление заземляющего устройства редко остается постоянным
Некоторые основные факторы, влияющие на такое сопротивление:
Влажность грунта
Сезонные изменения содержания влаги в грунте могут быть значительными на глубине до 2 метров. На глубине 1 метра удельное сопротивление (и, следовательно, сопротивление) может изменяться в 1-3 раза между влажной зимой и сухим летом в регионах с умеренным климатом.
Замерзание
Мерзлая земля может повышать удельное сопротивление грунта на несколько порядков. Это одна из причин, по которой рекомендуется монтировать электроды на большой глубине, особенно в районах с холодным климатом.
Старение
Характеристики материалов, используемых для изготовления электродов, ухудшаются в той или иной мере по разным причинам, например:
Химические реакции (в кислых или щелочных грунтах).
Гальванический эффект: из-за блуждающих постоянных токов в земле, например, от электрических железных дорог и т.д., или из-за разнородности металлов, составляющих первичные элементы. Разные грунты, действующие на участки одного проводника, могут также образовывать катодные и анодные зоны с последующей потерей поверхностного слоя металла. К сожалению, наиболее благоприятные условия для низкого сопротивления между землей и электродом (например, низкое удельное сопротивление грунта) также благоприятствуют образованию гальванических токов.
Окисление
Паяные и сварные швы и соединения являются местами, наиболее чувствительными к окислению. Для предупреждения окисления обычно используется тщательная очистка выполненного шва или соединения и обмотка промасленной лентой.
Измерение сопротивления между электродом и землей
Необходимо обеспечить съемные перемычки, которые позволяют изолировать заземляющий контур от электроустановки для периодической проверки сопротивления заземления. Для проведения таких проверок требуются два вспомогательных электрода.
При постоянном напряжении источника U (с одинаковой поправкой для каждой проверки):
Измерение с помощью амперметра (см. рис. E25):
Рис. E25: Измерение сопротивления заземляющего устройства с помощью амперметра
Чтобы устранить погрешности из-за блуждающих токов земли (гальванические постоянные токи или токи утечки от силовых сетей, сетей связи и т.д.), испытательный ток должен быть переменным с частотой, отличной от частоты энергосистемы или ее гармоник. Приборы, использующие генераторы с ручным приводом для выполнения этих измерений, обычно генерируют напряжение переменного тока при частоте 85-135 Гц.
Расстояния между электродами при данном способе измерения не имеют большого значения и могут измеряться в разных направлениях от проверяемого электрода в зависимости от местных условий. Как правило, выполняется ряд проверок при разных интервалах и направлениях для сверки результатов проверок.
■ Использование омметра с прямым считыванием для измерения сопротивления заземления. Этот прибор использует генератор с ручным приводом или электронный генератор переменного тока и два вспомогательных электрода, интервал между которыми должен быть таким, что зона влияния проверяемого электрода не перекрывает зону влияния контрольного электрода. Контрольный электрод С, самый дальний от проверяемого электрода Х, проводит ток через землю и проверяемый электрод, а второй контрольный электрод Р принимает напряжение. Это напряжение, измеренное между Х и Р, вызвано испытательным током и является мерой сопротивления (проверяемого электрода) в контакте с землей. Необходимо тщательно выбрать расстояние между Х и Р для обеспечения точных результатов. При увеличении расстояния между Х и С зоны растекания электродов Х и С удаляются друг от друга, и кривая потенциала (напряжения) становится все более горизонтальной около точки О.
a) Принцип измерения основан на предположении об однородности грунта. В случае перекрывания зон влияния электродов С и Х трудно определить положение контрольного электрода Р для получения удовлетворительных результатов.
b) Показывает эффект широкого разноса Х и С на градиент потенциала. Положение контрольного электрода Р не имеет большого значения и может быть легко определено.
Рис. E26: Измерение сопротивления растекания с помощью омметра
Поэтому, при проверках расстояние между Х и С увеличивается до получения аналогичных показаний, снимаемых с помощью электрода Р в трех различных точках, например, в точке Р и на расстоянии около 5 метров от точки Р. Как правило, расстояние между Х и Р составляет около 0,68 расстояния между Х и С.
