Однією з найбільш важливих причин розрахунку заземлення і установки є те, що воно захищає людей, прилади в будинку від підвищеної напруги. Якщо раптом блискавка вдарить в будинок або з якоїсь причини відбудеться стрибок потужності в мережі, але при цьому електрична система заземлена, все це надмірне електрика піде в землю, а інакше станеться вибух, який може знищити все на своєму шляху.
Обладнання електрозахисту
Зростання споживання електроенергії у всіх сферах життя, вдома і на роботі, вимагає чітких правил безпеки для життєдіяльності людини. Численні національні та міжнародні стандарти регулюють вимоги до будівництва електричних систем для забезпечення безпеки людей, домашніх тварин та майна при використанні електроприладів.
Обладнання електрозахисту, яке встановлюється під час будівництва житлових і громадських об’єктів, повинна регулярно перевірятися, щоб забезпечити надійну роботу протягом багатьох років. Порушення правил безпеки в електричних системах можуть мати негативні наслідки: загроза життю людей, руйнування майна або знищення проводки.
Нормами безпеки встановлені наступні верхні межі для безпечного торкання людиною струмопровідних поверхонь: 36 В змінного струму в сухих будівлях і 12 В змінного струму у вологих приміщеннях.
Заземляюча система
Заземляюча система – абсолютно необхідне технічне обладнання для кожної будівлі, тому це перший компонент електроустановки, який монтується на новому об’єкті. Термін «система» використовується в електротехніці для цілеспрямованого підключення електричних компонентів до землі.
Захисне заземлення оберігає людей від удару електрострумом при торканні електрообладнання в разі несправності. Щогли, паркани, інженерні мережі, такі як водопровідні труби чи газопроводи в обов’язковому порядку повинні бути підключені захисним кабелем за допомогою приєднання до клеми або заземлюючої планки.
Завдання функціональної захисту
Функціональне заземлення не забезпечує безпеку, як випливає з назви, замість цього воно створює безперебійну роботу електричних систем і обладнання. Функціональне заземлення розсіює струми та джерела перешкод на земні тестові адаптери, антени і інші пристрої, які приймають радіохвилі.
Вони визначають загальні опорні потенціали між електроустаткуванням і пристроями і, таким чином, запобігають різні збої в приватних будинках, наприклад, такі як мерехтіння телевізора або світла. Функціональне заземлення ніколи не може виконувати завдання захисного.
Всі вимоги по захисту від ураження електричним струмом можна знайти в державних стандартах. Створення захисного заземлення є життєво важливим і тому завжди має пріоритет над функціональним.
Граничний опір захисних пристроїв
У безпечною для людей системі захисні пристрої повинні спрацьовувати, як тільки напруга несправності в системі досягає значення, яке може бути небезпечним для них. Для розрахунку цього параметра можна використовувати зазначені вище дані граничного напруги, виберемо середню величину U = 25 В змінного струму.
Вимикачі залишкового струму, встановлені в житлових приміщеннях, зазвичай не спрацюють на землю, поки струм короткого замикання не досягне 500 мА. Тому відповідно до закону Ома, з U = R1 R = 25 / 0,5 А = 50 Ом. У зв’язку з чим для відповідного захисту безпеки людей і майна земля повинна мати опір менше 50 Ом, або R earth<50.
Фактори надійності електродів
Згідно державним стандартам, в якості електродів можна розглядати такі елементи:
- вертикально вставлені сталеві палі або труби;
- горизонтально покладені сталеві смуги або проводу;
- поглиблені металеві пластини;
- металеві кільця, розташовані навколо фундаменту або вбудовані в підстави.
Водопровідні труби і інші підземні сталеві інженерні мережі (якщо є погодження з власниками).
Надійне заземлення з опором не менше 50 Ом залежить від трьох факторів:
Розрахунок пристрою заземлення потрібно починати з визначення питомого опору грунту. Воно залежить від форми електродів. Питомий опір землі r (грецька буква Rho) виражається в ом-метрах. Це відповідає теоретичному опору заземлюючого циліндра площею 1 м2, у якого перетин і висота дорівнюють 1 м. Опір Землі сильно варіюється в залежності від природи ґрунту, вологості і температури (у разі мороза чи посухи воно стає вище). Приклади питомої опір грунту, Ом-м:
- болотистий грунт від 1 до 30;
- лесовий грунт від 20 до 100;
- гумус від 10 до 150;
- кварцовий пісок від 200 до 3000;
- м’який вапняк від 1500 до 3000;
- трав’янистий грунт від 100 до 300;
- скеляста земля без рослинності – 5.
Монтаж заземлюючого пристрою
Заземлюючий контур монтується з конструкції, що складається із сталевих електродів і з’єднують планок. Пристрій після занурення в грунт підключається з домового електрощитка дротом або аналогічної металевою смугою. Вологість ґрунту впливає на рівень розміщення конструкції.
Існує обернено пропорційна залежність довжини арматури і рівня підземних вод. Граничне відстань від об’єкта будівництва коливається від 1 м до 10 м Електроди для розрахунку заземлення повинні входити в землю нижче лінії промерзання грунту. Для котеджів контур монтується з використанням металовиробів: труб, гладкої арматури, сталевого кутника, двотавра.
Форма їх повинна бути пристосованою для глибокого входження в грунт, площа перерізу арматури понад 1,5 см2. Арматура розміщується в рядку або у формі різноманітних фігур, які безпосередньо залежать від фактичного місцезнаходження майданчика і можливості монтажу захисного пристрою. Часто застосовується схема по периметру об’єкта, тим не менш трикутна модель заземлення поки залишається самою поширеною.
Незважаючи на те, що захисну систему можна виготовити самостійно, використовуючи наявної матеріал, багато домобудівники набувають заводські комплекти. Хоча вони недешеві, але прості в установці і довговічні в застосуванні. Зазвичай такий комплект складається з омедненных електродів довжиною 1 м, обладнаних різьбовим з’єднанням для монтажу.
Загальний розрахунок смуг
Немає загального правила для розрахунку точної кількості ям і розмірів заземлювальної смуги, але розряд струму витоку безумовно залежить від площі поперечного перерізу матеріалу, тому для будь-якого обладнання розмір заземлювальної смуги розраховується на струм, який повинен буде переноситися цією смугою.
Для розрахунку контуру заземлення спочатку розраховується струм витоку, і визначається розмір смуги.
Для більшої частини електрообладнання, такого як трансформатор, дизель-генератор і т. д розмір нейтральною заземлювальної смуги повинен бути таким, щоб витримувати нейтральний струм цього обладнання.
Наприклад, для трансформатора 100 кВА, повний струм навантаження становить близько 140 A.
Підключена смуга повинна бути здатна витримувати не менше 70 А (нейтральний струм), це означає, що смуга 25×3 мм достатня для перенесення струму.
Для заземлення корпусу використовують смугу меншого розміру, яка може нести струм 35 А, за умови використання 2-х земляних ям для кожного об’єкта у вигляді резервної захисту. Якщо одна смужка стає непридатною із-за корозії, що порушує цілісність ланцюга, струм витоку протікає через іншу систему, забезпечуючи захист.
Розрахунок кількості труб захисту
Опір заземлення одиночного стрижня або труби електрода розраховується відповідно:
R = ρ / 2 × 3,14 × L (log (8xL / d) -1)
Де:
ρ = Опір грунту (Омметр), L = Довжина електрода (метр), D = Діаметр електрода (метр).
Розрахунок заземлення (приклад):
Обчислити опір ізолюючого стрижня заземлення. Він має довжину 4 метри і діаметр 12,2 мм, питома вага 500 Ом.
R = 500 / (2 × 3,14 × 4) x (Log (8 × 4 / 0,0125) -1) = 156,19 Ом.
Опір заземлення одиночного стрижневого або трубного електрода розраховується так:
R = 100xρ / 2 × 3, 14 × L (log (4xL / d))
Де:
ρ = Опір грунту (Омметр), L = Довжина електрода (см), D = Діаметр електрода (см).
Визначення заземлювальної конструкції
Розрахунок заземлення електроустановки починають з визначення кількості заземлюючої труби діаметром 100 мм, довжиною 3 метри. Система має струм ушкодження 50 KA протягом 1 секунди, а питомий опір грунту – 72,44 Ом.
Поточна щільність на поверхні земної електрода:
Мак. допустима щільність струму I = 7,57 × 1000 / (√ρxt) A / m2
Мак. допустима щільність струму = 7,57 × 1000 / (√72,44X1) = 889,419 A / м2
Площа поверхні одного діаметра 100 мм 3-метрова труба = 2 x 3,14 L = 2 x 3,14 x 0,05 x 3 = 0,942 м2
Мак. струм, розсіюється однієї заземлювальної трубою = Поточна щільність x Площа поверхні електрода.
Максим. струм, розсіюється однієї заземлювальної трубою = 889,419 x 0,942 = 838 А,
Кількість необхідної заземлюючої труби = Струм ушкодження / Макс.
Кількість необхідної заземлюючої труби = 50000/838 = 60 штук.
Опір заземлюючої труби (ізольовано) R = 100xρ / 2 × 3,14 xLx (log (4XL / d))
Опір заземлюючої труби (ізольовано) R = 100 × 72,44 / 2 × 3 × 14 × 300 × (log (4X300 / 10)) = 7,99 Ом / Труба
Загальний опір 60 штук заземлення = 7.99 / 60 = 0.133 Ом.
Опір смуги заземлення
Опір заземлювальної смуги (R):
R = ρ / 2 × 3,14 xLx (log (2xLxL / wt))
Приклад розрахунку контурного заземлення наведено нижче.
Розрахувати смугу шириною 12 мм, довжиною 2200 метрів, заглибленою в землю на глибині 200 мм, питомий опір грунту становить 72,44 Ом.
Опір заземлювальної смуги (Re) = 72,44 / 2 × 3,14x2200x (log (2x2200x2200 / .2x.012)) = 0,050 Ω
З наведеного вище загального опору 60 штук заземлюючих труб (Rp) = 0,133 Ом. І це пов’язано з грубої заземлювальної смугою. Тут чисте опір заземлення = (RpxRe) / (Rp + Re)
Чисте опір = (0,133 × 0,05) / (0,133 + 0,05) = 0,036 Ом
Повне опір заземлення і кількість електродів для групи (паралельне з’єднання). У випадках, коли одного електрода недостатньо для забезпечення необхідного опору заземлення, має використовуватися більше одного електрода. Поділ електродів повинно складати близько 4 м. Сукупна опір паралельних електродів є складною функцією декількох факторів, таких як кількість та конфігурація електрода. Загальний опір групи електродів в різних конфігураціях згідно:
Ra = R (1 + λa / n),
де a = ρ / 2X3.14xRxS
Де: S = Відстань між регулювальним стрижнем (метр).
λ = Чинник, наведений у таблиці нижче.
n = Кількість електродів.
ρ = Опір грунту (Омметр).
R = Опір одиночного стрижня в ізоляції (Ω).
|
Фактори для паралельних електродів в лінії |
|
|
Кількість електродів (n) |
Фактор ( λ ) |
|
2 |
1,0 |
|
3 |
1,66 |
|
4 |
2,15 |
|
5 |
2,54 |
|
6 |
2,87 |
|
7 |
3.15 |
|
8 |
3,39 |
|
9 |
3,61 |
|
10 |
3,8 |
Для розрахунку заземлення електродів, рівномірно розташованих навколо порожнього квадрата, наприклад, по периметру будівлі, приведені вище рівняння використовуються зі значенням λ, узятим з наступної таблиці. Для трьох стержнів, розташованих у рівносторонньому трикутнику або в L-освіту, може бути прийняте значення λ = 1,66
|
Фактори для електродів підлогою квадраті |
|
|
Кількість електродів (n) |
Фактор ( λ ) |
|
2 |
2,71 |
|
3 |
4,51 |
|
4 |
5,48 |
|
5 |
6,13 |
|
6 |
6,63 |
|
7 |
7,03 |
|
8 |
7,36 |
|
9 |
7,65 |
|
10 |
7,9 |
|
12 |
8,3 |
|
14 |
8,6 |
|
16 |
8,9 |
|
18 |
9,2 |
|
20 |
9,4 |
Розрахунок контурного заземлення для порожніх квадратів проводять за формулою загальної кількості електродів (N) = (4n-1). Емпіричне правило полягає в тому, що паралельні стрижні повинні розташовуватися, як мінімум в два рази більше по довжині, щоб використовувати всі переваги додаткових електродів.
Якщо поділ електродів набагато більше їх довжини, і тільки кілька електродів знаходяться паралельно, то результуюче опір заземлення може бути розрахований з використанням звичайного рівняння для опору. На практиці ефективний опір заземлення звичайно буде вище, ніж розрахунковий.
Як правило, масив з 4 електродами може забезпечити поліпшення в 2,5-3 рази.
Масив 8 електродів зазвичай дає поліпшення, можливо, в 5-6 разів. Опір вихідного заземлюючого стрижня буде знижено на 40% для другої лінії, 60% для третьої лінії, 66% для четвертої.
Приклад розрахунку електрода
Обчислення загального опору заземлюючого стрижня 200 одиниць, розташованих паралельно, з інтервалом 4 м кожного, і якщо вони з’єднуються в квадрат. Заземлюючий стрижень має довжину 4 метри і діаметр 12,2 мм, опір поверхні 500 Ом. Спочатку обчислюється опір одиночного заземлюючого стрижня: R = 500 / (2 × 3,14 × 4) x (Log (8 × 4 / 0,0125) -1) = 136,23 Ом.
Далі загальний опір заземлюючого стрижня в кількості 200 одиниць в паралельному стані: a = 500 / (2 × 3,14x136x4) = 0,146 Ra (паралельна лінія) = x 136,23(1 + 10 × 0,146 / 200) = 1,67 Ом.
Якщо стрижень заземлення підключений до пустотілої площі 200 = (4N-1),
Ra (по порожньому квадрату) = x 136,23(1 + 9,4 × 0,146 / 200) = 1,61 Ом.
Калькулятор заземлення
Як видно, розрахунок заземлення – дуже складний процес, використовує багато чинників і складні емпіричні формули, доступні тільки підготовленим інженерам при наявності складних програмних комплексів.
Користувачеві можна зробити тільки приблизний розрахунок, використовуючи онлайн-сервіси, наприклад, Allcalc. Для більш точних розрахунків, все одно потрібно звернутися до проектної організації.
Онлайн-калькулятор Allcalc допоможе швидко і точно виконати розрахунок захисного заземлення у двошаровому грунті, що складається з вертикального заземлення.
Розрахунок параметрів системи:
Стійкість до горизонтального заземлення (Ом) – 202.07.
Розрахунок опору захисного заземлення завершений. Загальний опір поширення електричного струму (Ом) – 11.850.
Земля забезпечує загальну опорну точку для багатьох джерел напруги в електричній системі. Однією з причин, чому заземлення допомагає зберегти людини в безпеці є те, що земля — найбільший провідник у світі, а надлишкове електрика завжди йде по шляху найменшого опору. Заземляючи електричну систему будинку, людина дає можливість струму піти в землю, чим рятує своє життя та життя оточуючих.
Без правильно заземленою електричної системи будинку користувач ризикує не тільки домашніми побутовими приладами, але і своїм життям. Ось чому в кожному будинку потрібно не тільки створити заземлюючу мережу, але і щорічно контролювати її працездатність за допомогою спеціальних приладів вимірювання.
