Как рассчитать заземляющее устройство

В грозу все наружные объекты подвержены риску разрушающего действия молнии, которая представляет собой чрезвычайно мощный поток высокоионизированной плазмы. Возможное поражение электротоком усугубляется повышенной влажностью окружающего воздуха, что делает последствия разряда смертельными для человека. Жителям многоэтажных домов особо ничего не грозит, поскольку молниезащита уже предусмотрена проектом здания. Но, если вы заканчиваете строительство собственного жилья, самое время побеспокоиться об установке надёжных заземляющих устройств.

Что такое заземление и зачем оно необходимо

Человеческое тело имеет шансы серьезного повреждения, если электрический ток силой всего 5 миллиампер проходит через него в течение короткого промежутка времени. Таким образом, если человек прикоснется к электроприбору, через который течёт сильный ток, высока вероятность летального исхода. Почему так происходит?

Электрический потенциал Земли считается равным нулю. Следовательно, при соединении электрических каналов любого прибора с землей его потенциал тоже станет равным нулю. Это основная концепция, на которой строится принцип заземления. Он представляет собой процесс соединения находящихся под током частей электрического устройства с землей через провода, обладающие незначительным сопротивлением.

Правильный расчёт заземляющего устройства решает следующие задачи:

• Гарантирует, что все заземляемые электроприборы имеют нулевой потенциал. Тем самым исключается поражение электротоком при случайном прямом контакте с ними.
• Защита электрических приборов от повреждений значительными токами, протекающими по питающей линии.
• Обеспечение стабильного напряжения в трёхфазных сетях даже при нестабильной нагрузке
• Защита высотных частей здания (шпилей, антенн и пр.) от поражения молнией. Остаток мощности при этом легко рассеивается в почве.

Варианты устройства заземления

Заземление электрического оборудования и линий подразделяется на два типа:

• заземление систем;
• заземление объектов.

Расчёт заземления систем сводится к определению размеров проводников, по которым постоянно протекает электроток. Это важно, поскольку в процессе передачи могут возникать так называемые перетоки мощности по разным направлениям. В быту такой тип заземления применяется редко и только тогда, когда дом питается от различных подстанций электроснабжения.

Заземление объектов — это организация защиты для домов и других сооружений. При этом обеспечивается защита бытовой аппаратуры, не имеющей токоведущих частей, а также металлических проводников. Такой тип заземления выполняет двойную функцию — защищает пользователя прибора от удара электрическим током и одновременно защищает прибор от повреждения.

В зависимости от местоположения дома, типа и количества заземляемых приборов, финансовых возможностей домовладельца и прочих факторов используется несколько распространенных видов, для каждого из которых проводится расчёт сопротивления заземления (потом эти данные согласуются с нормами ПУЭ–7, гл 7.1):

• Пластинчатое. В земле выкапывается яма глубиной 2.5–2.6 м, внутри которой размещается пластина из оцинкованного железа. Туда же (для поддержания низкого сопротивления вокруг пластины) помещают некоторое количество древесного угля и песка. Заземлитель (обычно медный) присоединяется к пластине. Провод должен проходить через трубу. Он подключается к точке заземления розетки, после чего закрывается от случайного воздействия внешней влаги.
• Трубчатое. В котлован вместе с песком и древесным углем закапывают трубу длиной 2.5–2.6 м и диаметром 35–75 мм. Трубу снабжают несколькими перфорационными отверстиями, через которые происходит периодическое увлажнение окружающего грунта. Тем самым поддерживается его необходимая проводимость. К верхнему краю заземлителя прикрепляется провод. Летом в трубу можно наливать воду, что повышает безопасность устройства.
• Стержневое. В грунт вводят не менее трёх (на обе фазы и на ноль) медных или алюминиевых стержней длиной около 1–1.5 м и диаметром 12–20 мм. Стержни соединяются, заземляющий провод прикрепляется к вершине.
• Заземление через водопровод. Используется, когда для извлечения воды из подземного водяного русла используются ручные насосы. К патрубку ручного насоса присоединяется и фиксируется заземляющий стержень. Недостаток способа заключается в том, что при нестабильном контакте через неизолированные части насоса может проходить ток, способный поразить человека при случайном его прикосновении к стальному корпусу насоса.

На точность работы электроприводных устройств способ заземления никакого влияния не оказывает.

Что такое заземляющий контур

Сквозное заземление в доме устраняет все риски повреждения электрическим током не только от удара молнии, но и в случае перегрузки сети. Но только при условии, что правильно проложен контур заземления.

Одной из распространенных ошибок является неправильное подключение нейтральных (нулевых) проводов к заземляющим шинам или заземление проводов к нейтральным шинам. Эта ошибка позволяет нейтральным токам течь по связанной системе, создавая тем самым переходные процессы напряжения. Нейтральные провода разрешается подключать к связанной системе только на служебном входе или на понижающий трансформатор.

Контур заземления — это состояние в электрической системе, которое содержит несколько проводящих путей для протекания тока между двумя узлами. Несколько путей обычно связаны с точкой заземления или нулевым потенциалом цепи. Для бытовой сети контуры заземления обычно не имеют серьезных негативных последствий, а иногда даже неизбежны. Например, дополнительное сопротивление заземления помогает защитить чувствительные сигналы от шума. Для этого несколько проводников прокладываются параллельно без размещения проводящего экранирующего материала между параллельными заземлениями. Но по возможности контуров заземления следует избегать. Наиболее чувствительными к образованию контуров заземления оказываются компьютеры, бытовая аудиоаппаратура, устройства мобильной связи, мощные электроплиты.

Вред от контура заземления проявляется по-разному. Один из видов негативного воздействия — электромагнитно-индуцированный эффект в виде шума или импульса переменного тока. Как видно из рассеянных магнитных полей переменного тока, улавливаемых рамочной антенной, параллельные проводящие пути образуют электрическую петлю, которая действует как антенна для сбора электромагнитной энергии.

Относительно небольшая электромагнитная энергия может исходить от переменного тока в близлежащем силовом кабеле или от радиочастотной энергии, передаваемой по воздуху. Она вызывает помехи, которые либо искажают аналоговый сигнал, либо нарушают цифровую связь. Большая электромагнитная энергия имеет более разрушительный эффект, когда поблизости протекает сильный ток. Создание электромагнитного импульса может вызвать скачок напряжения, способный навредить подключенным электронным устройствам.

Негативное влияние контуров заземления проявляется также в том, что они позволяют току заземления протекать между устройствами. Это может быть эффект постоянного или переменного тока. По разным причинам потенциал напряжения между двумя разными точками на поверхности земли не всегда равен нулю. Поэтому, когда два электрических устройства подключены к местному заземлению, может существовать разница напряжений между этими устройствами, что становится причиной возникновения тока утечки.

Наиболее серьёзные последствия постоянного наличия токов утечки:

• Появление ошибок смещения напряжения в аналоговых измерениях.
• Уменьшение динамического диапазона цифровых сигналов.
• Возникновение повреждений клемм электронных устройств.

Разорвать контур заземления можно несколькими способами:

• Подключением экранирующего провода сигнального кабеля к земле только одним концом.
• Не использовать заземляющий провод для заземления сигнала или питания.
• Применять механическую опорную конструкцию только в качестве соединения для защитного заземления.

Гарантированно избежать возникновения контура заземления можно лишь при использовании устройств оптической или гальванической развязки.

Как проектируются элементы системы заземления

Ключевым пунктом считается расчёт заземляющих устройств, что решается определением диаметра проводников. Их количество зависит от уже проложенной к дому электролинии. Если есть две фазы и ноль, то стержней должно быть три. Расположить их нужно треугольником.

Назначение заземляющего провода — обеспечить обратный путь к источнику электрического тока, т. е., к главному электрическому щиту. Этого тока должно быть достаточно, чтобы сработал выключатель или сгорел предохранитель.

Следовательно, назначение заземляющего провода не заключается в том, чтобы обеспечивать путь к земле или к какому-либо стержню, закопанному в нее. Необходимо помнить, что электричество всегда будет пытаться замкнуть цепь, поэтому захочет вернуться туда, откуда пришло — от сетевого трансформатора.

Если система электропитания в доме не заземлена, то человек, прикоснувшись к корпусу прибора, может получить удар током. Весь ток будет проходить через тело, причём автоматический выключатель не сработает — ведь через него не протекает электрический ток. Поскольку электричество всегда пытается замкнуть цепь, ток короткого замыкания попытается вернуться к заземленной стороне трансформатора.

При заземлении потребителя заземляющий зеленый провод возвращается к нулевой шине, которая расположена в электрическом щите. Провод имеет очень низкое сопротивление, поэтому по нему легко проходит электрический ток. Это также создает благоприятные условия для короткого замыкания, которое потребляет большой ток и таким образом отключает выключатель. Автоматический выключатель сработает, но тело по-прежнему будет являться частью цепи, правда, параллельной заземляющему проводу с низким сопротивлением, поэтому большая часть тока будет течь через этот провод.

Заземление системы электропитания не на нейтральную шину, а на землю, создает ситуацию, когда электроток пытается пройти через землю обратно к трансформатору. Поэтому при ударе током тело становится частью параллельного электрического пути. Так как земля имеет слишком большое сопротивление, то выключатель не сработает, и ток будет продолжать течь через тело.

Подводя итог, следует отметить, что путь замыкания на землю должен иметь очень низкое сопротивление, чтобы по нему быстро проходил большой ток, необходимый для срабатывания выключателя. Единственный способ сделать это — использование провода, идущего обратно к нулевой шине.

Определение материала, размеров и сечения заземлителей

Схема заземления может быть:

• треугольной;
• линейной;
• по контуру.

Самой распространенной является треугольная конструкция. Стержни следует забивать в землю так, чтобы их нижний конец размещался ниже уровня промерзания грунта на 50 см и более. Их сопротивление зависит от длины и диаметра поперечного сечения.

Сопротивление одиночного стержня можно рассчитать по формуле:

Если защитная конструкция будет находиться в разнородном (двухслойном) грунте, тогда следует сначала найти сопротивление грунта, используя формулу:

Сопротивление горизонтального электрода определяется так:

Полное сопротивление заземляющей конструкции:

Чтобы избежать сложных расчётов, можно воспользоваться онлайн калькулятором. Например, https://clck.ru/y6Xkx.

Следует еще запомнить правило: диаметр заземляющего проводника должен быть на один размер меньше, чем провода, находящегося под напряжением. Например, для проводов сечением 4 кв. мм нужно использовать заземляющий провод сечением 2.5 кв. мм², для 6 кв. мм — 4 кв. мм и т. д.

Причина использования провода меньшего сечения заключается в том, что заземляющий провод не проводит электроток, если нет замыкания на землю. В отличие от проводов «фаза-ноль» они при длительном использовании не нагреваются, поэтому просто должны выдерживать большой ток на протяжении очень короткого периода времени, пока не сработает автоматический выключатель.

Если сечение фазных проводов находится в диапазоне от 16 до 35 кв. мм, сечение жилы заземления должно быть 16 кв. мм. Для фазных проводников сечением более 35 кв. мм выбирают сечение заземляющего проводника вдвое меньше.

Длину заземляющего проводника или полосы следует рассчитать так, чтобы она была не менее 15 м. При необходимости эта длина может быть соответственно увеличена на основе имеющихся данных об электрическом сопротивлении грунта.

Рекомендации по выбору материала элементов заземления приведены в таблице:

Обустройство правильно рассчитанного заземления гарантирует отвод электротока в землю, что практически исключает вероятность получения электротравмы человеком. При его отсутствии любой контакт с корпусом поврежденной электроустановки сравним с прикосновением к оголенному фазному проводу.

Видео по теме