Системи заземлення: види, опис, монтаж

Кучер В.Г.

Основна причина необхідності заземлення в електричних мережах — це безпека. Коли всі металеві частини електрообладнання заземлені, тоді, навіть у випадку з порушеною ізоляцією, на його корпусі не будуть створюватися небезпечні напруги, їм перешкодять надійні системи заземлення.

Завдання для заземлюючих систем

Головні задачі систем безпеки, що працюють на принципі заземлення:

  • Безпека для життя людини, з метою захисту від ураження електричним струмом. Передбачає альтернативний шлях проходження аварійного струму, щоб він не завдав пошкодження користувачеві.
  • Захисту будівель, машин і обладнання в умовах збою в електромережі, щоб відкриті струмопровідні частини обладнання не досягли смертельного потенціалу.
  • Захист від перенапруги з-за удару блискавки, який може призвести до небезпечних високих напруг електричної розподільної системи або від ненавмисного контакту людини з лініями високої напруги.
  • Стабілізація напруги. Існує багато джерел електроенергії. Кожен трансформатор можна розглядати, як окреме джерело. У них повинна бути загальна доступна точка скидання негативної енергії. Земля є єдиною такий струмопровідної поверхнею для всіх джерел енергії, тому вона була прийнята в якості універсального стандарту для скидання струму і напруги. Якщо б не було такої спільної точки, то надзвичайно важко було б забезпечити безпеку в енергосистемі в цілому.

    • Вимоги до системи заземлення:

    • Вона повинна мати альтернативний шлях для протікання небезпечного струму.
    • Відсутність небезпечного потенціалу на відкритих струмопровідних частинах обладнання.
    • Повинна мати низький імпеданс, достатній для забезпечення необхідного струму через запобіжний пристрій, щоб він відключив живлення (<0,4 сек).
    • Повинна мати гарну корозійну стійкість.
    • Повинна бути здатна розсіювати великий струм короткого замикання.

    Опис систем заземлення

    Процес з’єднання металевих частин електричних апаратів і обладнання з масою землі металевим пристроєм, що має незначний опір, називається заземленням. При заземленні струмоведучі частини приладів безпосередньо з’єднані з землею. Заземлення забезпечує зворотний шлях для струму витоку і, отже, захищає обладнання енергосистеми від пошкоджень.

    Коли несправність виникає в обладнанні, у всіх трьох фазах утворюється дисбаланс струму. Заземлення розряджає струм ушкодження на землю і, отже, відновлює робочий баланс системи. У цих захисних систем є кілька переваг, таких як усунення перенапруження через розрядку її на землю. Заземлення забезпечує безпеку обладнання і підвищує надійність обслуговування.

    Метод занулення

    Занулення означає підключення несучої частини устаткування до землі. Коли несправність виникає в системі, що створюється небезпечний потенціал на зовнішньої поверхні обладнання, і будь-яка людина або тварина, випадково доторкнувшись до поверхні, можуть отримати удар струмом. Занулення скидає небезпечні струми на землю і, отже, нейтралізує струмовий удар.

    Воно також захищає обладнання від блискавичних ударів і забезпечує шлях від розряду розрядників та інших гасять пристроїв. Це досягається шляхом з’єднання частин установки з землею заземлюючим провідником або електродом в тісному контакті з грунтом, розміщеної на деякій відстані нижче рівня грунту.

    Різниця між заземленням і занулення

    Одним з основних відмінностей між заземленням і занулення є те, що при заземленні несуча струмопровідна частина з’єднана з землею, тоді як при занулении поверхню приладів з’єднуються з землею. Інші відмінності між ними пояснюються нижче у вигляді порівняльної таблиці.

    Порівняльна таблиця

    Основи для порівняння

    Заземлення

    Занулення

    Визначення

    Струмопровідна частина з’єднана з землею

    Корпус обладнання підключено до землі

    Місцезнаходження

    Між нейтраллю обладнання і землею

    Між корпусом обладнання і землею, який поміщений під земну поверхню

    Нульовий потенціал

    Не має

    Є

    Захист

    Захистити обладнання енергосистеми

    Захистити людину від ураження електричним струмом

    Шлях

    Вказується шлях повернення до поточного заземлення

    Розряджає електричну енергію на землю

    Типи

    Три (суцільне опір)

    П’ять (труба, плита, заземлення електрода, заземлення і занулення)

    Колір дроту

    Чорний

    Зелений

    Використання

    Для балансування навантаження

    Для запобігання ураження електричним струмом

    Приклади

    Нейтраль генератора і силового трансформатора підключена до землі

    Корпус трансформатора, генератора, двигуна і т. д. підключений до землі

    Захисні дроти TN

    Дані типи систем заземлення мають одну або кілька безпосередньо заземлених точок від джерела енергії. Відкриті провідні частини установки підключаються до цих точок з допомогою захисних проводів.

    У світовій практиці використовується дволітерний код.

    Використовуються букви:

    • T (французьке слово Terre означає «земля») – пряме з’єднання точки з землею.
    • I – жодна точка не підключена до землі з-за високого імпедансу.
    • N – пряме підключення до нейтралі джерела, який, у свою чергу, підключений до землі.

    Базуючись на поєднанні цих трьох букв, існують види систем заземлення: TN, TN-S, TN-C, TN-CS . Що це означає?

    У системі заземлення типу TN одна з точок джерела (генератора або трансформатора) підключається до землі. Ця точка зазвичай є точкою зірки в трифазній системі. Корпус підключеного електричного пристрою підключається до землі через цю точку заземлення з боку джерела.

    На малюнку вище: PE – Акронім для Protective Earth – це провідник, який з’єднує відкриті металеві частини електричної установки споживача з землею. N називається нейтральним. Це провідник, який з’єднує зірку в трифазній системі з землею. За цим позначенням на схемі, відразу зрозуміло, яка система заземлення належить до системи TN.

    Нейтральна лінія TN-S

    Це система, що має окремі нейтральні і захисні провідники по всій схемі електроустановок.

    Захисний провідник (РЕ) являє собою металеве покриття кабелю, що живить установки або окремий провідник.

    Всі відкриті провідні частини з установкою підключені до цього захисному провіднику через основну клему установки.

    Система TN-C-S

    Це типи систем заземлення система, у яких нейтральні і захисні функції об’єднані в один провідник системи.

    У системі заземлення нейтралі TN-CS, також відомої як Protective Multiple Earthing, провідник PEN називається об’єднаним провідником заземленою нейтральною і частин.

    Провідник PEN системи живлення заземлений в декількох точках, а заземлюючий електрод розташований на місці установки споживача або поруч з ним.

    Всі відкриті провідні частини з установкою з’єднані провідником PEN за допомогою головної заземлювальної клеми і нейтральної клеми і пов’язані один з одним.

    Захисна схема TT

    Це система захисного заземлення, має одну точку джерела енергії.

    Всі відкриті провідні частини з установкою, які з’єднані з заземленим електродом, електрично не залежать від джерела землі.

    Ізолююча система IT

    Система захисного заземлення, не має прямого з’єднання між струмоведучими частинами і землею.

    Всі відкриті провідні частини з установкою, які з’єднані з заземленим електродом.

    Джерело небудь підключений до землі через свідомо введений імпеданс системи, або ізольований від землі.

    Конструкції захисних систем

    З’єднання між електроприладами і пристроями з заземлюючою пластиною або електродом через товстий дріт з низьким опором для забезпечення безпеки називається заземленням або занулення.

    Система заземлення або занулення в електричній мережі працює в якості міри безпеки для захисту життя людей, а також устаткування. Основна мета — забезпечити альтернативний шлях для проходження небезпечних потоків, щоб можна було уникнути нещасні випадки через ураження електричним струмом та пошкодження обладнання.

    Металеві частини обладнання заземлені або підключені до землі, і якщо з якої-небудь причини ізоляція обладнання не спрацьовує, то високі напруги, які можуть бути присутніми у зовнішньому покритті обладнання, будуть мати шлях скидання на землю. Якщо обладнання не заземлено, це небезпечна напруга може бути передано будь-кому, хто його торкнеться, що призведе до поразки електричним струмом. Ланцюг замикається, і запобіжник спрацьовує негайно, якщо струмоведучий кабель стосується заземленого корпусу.

    Існує кілька способів виконання системи заземлення електроустановок, таких як заземлення проводу або смуги, пластини або штока, заземлення та занулення або через водопровід. Найбільш поширеними методами є занулення і пристрій пластини.

    Заземлюючий мат

    Заземлюючий мат виготовляється шляхом з’єднання кількості стрижнів через мідні дроти. Це зменшує загальний опір схеми. Ці системи електричних заземлень допомагають обмежити потенціал землі. Заземлюючий мат в основному використовується в місці, де повинен бути випробуваний великий струм ушкодження.

    При проектуванні заземлюючого мата приймаються до уваги такі вимоги:

  • У разі несправності напруга не повинна бути небезпечним для людини при торканні струмопровідної поверхні обладнання електричної системи.
  • Постійний струм короткого замикання, який може протікати в заземлюючий мат, повинен бути досить великим для роботи захисного реле.
  • Опір грунту низьке, щоб струм витоку протікав через нього.
  • Конструкція заземлюючого мата повинна бути такою, щоб ступеневу напруга була менше допустимого значення, яке буде залежати від питомого опору грунту, необхідної для ізоляції несправної установки від людини і тварин.

    • Електродна противотоковая захист

    При такій системі заземлення будівлі будь провід, стрижень, труба або пучок провідників поміщається горизонтально або вертикально в грунт поруч із захисним об’єктом. У розподільних системах заземлюючий електрод може складатися з стрижня довжиною близько 1 метра і розташовуватися у вертикальному положенні в землі. При виготовленні підстанцій використовується заземлюючий мат, а не окремі стрижні.

    Трубний контур токозащиты

    Це найбільш поширена і краща система заземлення електроустановок у порівнянні з іншими системами, придатними для тих же умов землі і вологи. У цьому способі оцинкована сталь і перфорована труба з розрахунковою довжиною і діаметром розташовані вертикально на постійно вологому грунті, як показано нижче. Розмір труби залежить від поточного струму і типу грунту.

    Цікаве:  Що таке фіміам? Що означає вираз: курити фіміам

    Як правило, розмір труби для системи заземлення будинку має діаметр 40 мм і 2,5 метра в довжину для звичайної грунту або більшої довжини у разі сухий і кам’янистого грунту. Глибина, при якій труба повинна бути зарита, залежить від вологості грунту. Зазвичай труба розташовується вглиб на 3,75 метра. Дно труби оточене невеликими шматками коксу або деревного вугілля на відстані близько 15 див.

    Альтернативні рівні вугілля і солі використовуються для збільшення ефективної площі землі і, відповідно, для зменшення опору. Інша труба діаметром 19 мм і мінімальною довжиною 1,25 метра з’єднана у верхній частині труби GI через редуктор. Влітку зменшується вологість ґрунту, що призводить до збільшення опору землі.

    Таким чином, виконуються роботи по цементному бетонированному основи, щоб підтримувати доступність води влітку і мати землю з необхідними захисними параметрами. Через воронку, з’єднану з трубою діаметром 19 мм, можна додати 3 або 4 відра води. Провід заземлення або GI, або смуга проводу GI з достатнім поперечним перерізом для безпечного видалення струму переноситься в трубу GI діаметром 12 мм на глибині близько 60 см від землі.

    Пластинчасте заземлення

    У цьому пристрої системи заземлення заземляюча пластина з міді розміром 60 см × 60 см × 3 м і оцинкованого заліза розміром 60 см × 60 см × 6 мм занурюється в землю з вертикальною поверхнею на глибині не менше 3 м від рівня землі

    Захисна плита вставляється у допоміжні шари деревного вугілля і солі з мінімальною товщиною 15 див. Провід заземлення (GI або мідний дріт) щільно кріпиться болтами до заземлювальної пластині.

    Мідна пластина і мідний дріт зазвичай не використовуються в захисних схемах з їх більш високою вартістю.

    Підключення заземлення через водопровід

    У цьому типі GI або мідний дріт з’єднуються з водопровідною мережею з допомогою сталевої сполучною дроту, який закріплюється на мідному свинці, як показано нижче.

    Водопровід складається з металу і розташований нижче від поверхні землі, тобто безпосередньо з’єднаний з землею. Потік струму через GI або мідний провід безпосередньо заземлюється через водопровід.

    Розрахунок опору заземлюючого контуру

    Опір одиночної смуги стрижня, заритого в землю, становить:

    R = 100xρ / 2 × 3,14 × L (loge (2 x L x L / W x t)), де:

    ρ – стійкість ґрунту (Ω ом),

    L – довжина смуги або провідника (см),

    w – ширина смуги або діаметра провідника (см),

    t – глибина поховання (см).

    Приклад: Розрахуйте опір заземлювальної смуги. Провід діаметром 36 мм завдовжки 262 метри на глибині 500 мм у грунті, опір землі становить 65 Ом.

    R – опір заземлюючого стрижня в Вт.

    r – Опір грунту (Омметр) = 65 Ом.

    Вимірювач l – довжина стрижня (см) = 262 м = 26200 див.

    d – внутрішній діаметр стержня (см) = 36 мм = 3,6 див.

    h – глибина прихованої смуги / стержня (см) = 500 мм = 50 див.

    Опір заземлювальної смуги / провідника (R) = ρ / 2 × 3,14 x L (loge (2 x L x L / Wt))

    Опір заземлювальної смуги / провідника (R) = 65 / 2 × 3,14 x 26200 x ln (2 x 26200 x 26200 / 3,6 × 50)

    Опір заземлювальної смуги / провідника (R) = 1,7 Ом.

    Для обчислення кількості заземлюючого стрижня можна застосовувати правило великого пальця.

    Зразкове опір електродів Rod / Pipe можна розрахувати, використовуючи опір стрижневих/трубних електродів:

    R = K x ρ / L, де:

    ρ – опір землі в Омметре,

    L – довжина електрода у вимірювачі,

    d – діаметр електрода у вимірювачі,

    K = 0,75, якщо 25

    K = 1, якщо 100

    K = 1,2 o / L, якщо 600

    Число електродів, якщо знайти формулу R (d) = (1,5 / N) x R, де:

    R (d) – необхідний опір.

    R – опір одного електрода

    N – кількість електродів, встановлених паралельно на відстані від 3 до 4 метрів.

    Приклад: розрахувати опір заземлюючої труби і кількість електродів для отримання опір 1 Ом, резистивность від грунту ρ = 40, довжина = 2,5 метра, діаметр труби = 38 мм

    L / d = 2,5 / 0,038 = 65,78, так що K = 0,75.

    Опір електродів труби R = K x ρ / L = 0,75 × 65,78 = 12 Ω

    Один електрод — опір – 12 Ом.

    Для отримання опір 1 Ом загальна кількість необхідних електродів = (1,5 × 12) / 1 = 18

    Фактори, що впливають на опір землі

    Код NEC вимагає мінімальної довжини заземлюючого електрода довжиною 2,5 метра для контакту з грунтом. Але є деякі фактори, які впливають на опір землі захисної системи:

  • Довжина/глибина заземлюючого електрода. Збільшення довжини вдвічі знижує опір поверхні до 40 %.
  • Діаметр заземлюючого електрода. Подвоєне збільшення діаметра заземлювача знижує опір грунту лише на 10 %.
  • Кількість заземлюючих електродів. Для підвищення ефективності встановлюються додаткові електроди на глибину основних заземлюючих електродів.

    • Будівництво захисних електросистем житлового будинку

    В даний час земляні конструкції є кращим методом заземлення, особливо для електричних мереж. Електрика завжди йде по шляху найменшого опору і відводить максимальний струм від ланцюга в заземлюючі ями, призначені для зменшення опору, в ідеалі до 1 Ом.

    Для досягнення цієї мети:

  • Площа 1,5 м х 1,5 м викопується на глибину до 3 м., Яма наполовину заповнюється сумішшю деревного вугільного порошку, піску та солі.
  • GI-пластина 500 мм х 500 мм х 10 мм поміщається в середину.
  • Встановлюють з’єднання між заземлювальної пластиною для системи заземлення приватного будинку.
  • Інша частина ями заповнюється сумішшю вугілля, піску, солі.
  • Для підключення заземлюючого пластини до поверхні можна використати дві смуги GI з поперечним перерізом 30 мм х 10 мм, але кращою є 2,5-дюймова труба GI з фланцем у верхній частині.
  • Крім того, верхня частина труби може бути покрита особливим пристроєм, щоб запобігти проникненню бруду і пилу і засмічення заземлюючої труби.

    • Монтаж системи заземлення та переваги:

  • Деревний, вугільний порошок є відмінним провідником і запобігає корозії металевих деталей.
  • Сіль розчиняється у воді, що значно збільшує провідність.
  • Пісок дозволяє пропускати воду через всю яму.

    • Щоб перевірити ефективність ями, переконайтеся, що різниця напруг між ямою і нейтраллю мережевого живлення становить менше 2 вольт.

    Опір ями повинна підтримуватися на рівні менше 1 Ом, відстань до 15 м від захисного провідника.

    Електричний удар

    Електричний удар (електрошок) виникає, коли дві частини тіла людини контактують з електричними провідниками ланцюга, яка має різні потенціали і створює різницю потенціалів по всьому тілу. Тіло людини має опір, і коли воно з’єднане між двома провідниками при різному потенціал, ланцюг утворюється через тіло, і буде надходити струм. Коли людина контактує тільки з одним провідником, ланцюг не утворюється, і нічого не відбувається. Коли людина контактує з провідниками ланцюга, незалежно від того, яке в ньому є напруга, завжди є ймовірність отримання травми від електроструму.

    Оцінка ризику удару блискавки для житлових будинків

    Деякі будинки мають більше шансів залучити блискавку, ніж інші. Вони збільшуються в залежності від висоти будівлі і близькості до інших будинків. Близькість визначається як потрійне відстань від висоти будинку.

    Для того, щоб визначити, наскільки вразливою є житловий будинок для ударів блискавки, можна використовувати такі дані:

  • Низький ризик. Однорівневі приватні житлові будинки в близькому оточенні інших будинків однакової висоти.
  • Середній ризик. Дворівневий приватний будинок, оточений будинками з подібними висотами або оточений будинками менших висот.
  • Високий ризик. Ізольовані будинки, які не оточені іншими структурами, двоповерховими будинками або будинками з меншою висотою.

    • Незалежно від ймовірності удару блискавки, правильне використання важливих компонентів блискавкозахисту допоможе захистити будь-житловий будинок від таких пошкоджень. Системи блискавкозахисту і заземлення потрібні в житловому будинку, щоб удар блискавки відводився в землю. Система зазвичай включає в себе заземлений стрижень з мідним з’єднанням, який встановлений в грунті.

    При встановленні схеми блискавкозахисту в будинку виконайте наступні вимоги:

  • Наземні електроди повинні мати довжину не менше половини 12 мм і на 2,5 м в довжину.
  • Рекомендується використовувати мідні з’єднання.
  • Якщо на ділянці системи кам’янистий грунт або розташовані інженерні підземні лінії, забороняється використання вертикального електрода, необхідний тільки горизонтальний провідник.
  • Він повинен бути заглиблений на відстані не менше 50 см від землі і сягати не менше ніж на 2,5 м від будинку.
  • Системи заземлення приватного будинку повинні бути взаємопов’язані з використанням провідника того ж розміру.
  • З’єднувальні елементи для всіх підземних систем металевих трубопроводів, таких як водопровідні або газові труби, повинні бути розташовані в межах 8 м від будинку.
  • Якщо всі системи вже були з’єднані до встановлення блискавкозахисту, потрібно лише прив’язати найближчий електрод до системи водопроводів.

    • Всі люди, що живуть або працюють у житлових, громадських будинках постійно знаходяться в тісному контакті з електричними системами і устаткуванням повинні бути надійно захищені від небезпечних явищ, які можуть виникнути із-за коротких замикань або дуже високих напруг від розряду блискавки.

    Для досягнення цієї системи захисту заземлення електричних мереж повинні бути спроектовані і встановлені у відповідності зі стандартними державними вимогами. По мірі розвитку електротехнічних матеріалів вимоги надійності захисних пристроїв підвищуються.