Молниезащита измерить как заземлен контур заземления

Обновлено: 16.05.2024

Контур заземления, что собой представляет и как он работает

В соответствие с действующими техническими нормами (ПУЭ, в частности) основной элемент, обеспечивающий безопасные условия эксплуатации электроустановок – это заземляющее устройство (ЗУ). Большинство специальных приборов защиты, устанавливаемых в цепях питания электросетей, гарантированно срабатывают лишь при его наличии. Поэтому так важно рассмотреть вопрос, что собой представляет типовой контур заземления (ЗК) и как он работает.

Содержание

Что является заземляющим контуром

Чтобы понять, что такое контурный заземлитель – следует представить его как систему, состоящую из металлических стержней, связывающих их полос и набора медных соединительных проводников. Такая сборная конструкция обеспечивает надежный контакт токопроводящего корпуса электроустановки с фактической землей (почвой).

При выяснении вопроса о том, что является заземляющими контурами, следует понимать, что основной их компонент – это одиночный электрод подходящего размера и сечения, забиваемый в грунт на определенную глубину. Для создания распределенной контурной системы согласно действующим техническим требованиям должна использоваться группа штырей, соединенных между собой металлическими полосами.

Как это работает

Чтобы всем было понятно, для чего нужны контуры заземления – рассмотрим принцип действия составной конструкции. Защитный заземляющий контур работает следующим образом:

• За счет качественного монтажа заземляющих жил и хорошего контакта с грунтом металлическая распределенная система обеспечивает идеальные условия для стекания аварийных токов в землю.
• Благодаря этому опасный для человека потенциал, появившийся на корпусе электрооборудования во внештатном режиме (при нарушении изоляции фазного провода, например), резко снижается.
• Надежное стекание тока в землю обеспечивается низким переходным сопротивлением заземлителя, который является частью защитного контура.

Появление значительных по величине аварийных токов приводит к срабатыванию установленных в питающих цепях устройств защиты (как автоматов, так и предохранителей).

В результате питающая сеть полностью отключается, предотвращая возможные негативные последствия. При подключении контура заземления основное внимание уделяется созданию условий, обеспечивающих эффективный контакт как штырей, так и полос с грунтом.

Из чего состоит заземление

В состав заземляющей системы согласно ее определению (смотрите ПУЭ) входят такие обязательные элементы, как:

1. Сам ЗК, обустраиваемый на основе металлических уголков площадью поперечного сечения не менее 100 мм квадратных или отдельных штырей диаметром порядка 20 мм.
2. Комплект специальных проводников (медных шин), позволяющих в жилых домах заземлять электрические приборы.

Обратите внимание: Иногда как отдельный элемент рассматривается заземляющий спуск, обустраиваемый вдоль стены здания (в устройствах защиты от молний, например).

В зависимости от своего расположения относительно здания защитные конструкции могут быть внешними и внутренними. Рассмотрим как нужно обустраивать каждый из представленных видов контуров, чтобы добиться наилучших результатов.

Внешний контур

При обустройстве наружного контура заземления необходимо учитывать качество и состав грунта в месте расположения его элементов. Хозяева самостоятельно отстроенного дома обычно знают, на какой почве он стоит, и сразу могут определить, как она влияет на проводимость. В противном случае потребуется помощь специалистов по геодезии.

При самостоятельном проведении работ важно знать, что грунты бывают:

• чисто глинистыми;
• суглинистыми;
• торфяными;
• черноземными;
• гравийными и скалистыми.

В реальных условиях в пределах домашнего участка чаще всего встречаются первые два класса почв или их разновидности (суглинок пластичный, глинистые сланцы и подобные им). Для различных типов грунтов их удельные сопротивления имеют следующие значения:

• Глина пластичная и мягкий торф – 20-30 Ом·/метр.
• Для суглинка с содержанием золы и пепла, а также простой садовой земли этот показатель составляет 30-40 Ом/метр.
• Черноземные земли и глинистые сланцы, а также глина полутвердая имеют сопротивление, близкое к значениям 50-60 Ом/метр.

С точки зрения организации внешнего контура заземления эти почвы – самые подходящие, поскольку в них сопротивление растеканию имеет небольшую величину.

Грунты с большими значениями сопротивлений представлены такими видами, как:

1. Полутвердый суглинок, иногда определяемый как смесь глины и песка, а также так называемая «влажная супесь», имеющая средний показатель 100-150 Ом/·метр.
2. Содержащий глину гравий и влажный песок – 300-500 Ом/·метр.

А такие «жесткие» грунты, как скала, гравий и сухой песок совершенно неспособны обеспечить надежное заземление. В этих условиях принимаются специальные меры, позволяющие понизить сопротивление заземляющих контуров в месте расположения штырей.

Дополнительная информация: Они чаще всего сводятся к искусственному изменению состава почвы. Как пример – добавление в нее раствора поваренной соли.

Еще один вариант, позволяющий найти выход из сложившейся ситуации – обустройство глубинных заземлителей, достающих до слоев более «легкого» состава. Но этот подход к тому, как обустроить наружное заземление, достаточно трудоемок и обойдется недешево.

Контур заземления внутри объекта

При расчете элементов внутреннего контура заземления необходимо учитывать, что смонтированная внутри здания токопроводящая полоса должна охватывать периметр каждого из имеющихся в нем помещений. К открыто проложенной вдоль стен и вблизи от пола заземляющей шине подсоединяются все установленные в них электроустановки и приборы.

Обратите внимание: В небольших по размеру помещениях (в жилых квартирах или частных домах) вместо ЗК монтируется типовой щиток со специальной планкой. Ее принято называть главной заземляющей шиной (ГЗШ).

В этих условиях особое внимание уделяется таким составляющим, как заземляющие проводники (соединители, предназначенные для подключения бытовых приборов и ванны непосредственно к заземлению).

Отдельный контакт щитка (планка заземления) соединяется либо с обустроенным в пределах строения внутренним контуром, либо посредством длинного медного проводника – с внешней системой заземления (как это изображено на первом фото данной статьи). Прямо от него медные шины в виде проводников отводятся в сторону различных защищаемых электроустановок и приборов. Нередко вместо полноценного щитка применяется отдельная контактная планка «PE», оборудованная непосредственно на входе в частный дом (рейка ГЗШ приведена на фото ниже).

Техника монтажных работ

Грамотный подход к обустройству ЗК состоит в правильности выбора места под него, а также в соблюдении требований действующих нормативов в части проведения основных монтажных работ.

Выбор места под ЗК

Перед устройством контура заземления важно подобрать место для размещения его элементов. Желательно – неподалеку от дома (его обычно рассчитывают устанавливать на удаление не более 2-х метров, что позволит выиграть на длине проводников).
Дополнительная информация: При выборе участка под заземление в первую очередь следует учесть, чтобы эта площадка располагалась на контролируемой хозяином территории.

Для этих целей подойдут такие зоны, как:

• участок огорода (кроме грядок с картофелем);
• палисадник или клумба;
• парковая зона, непосредственно примыкающая к дому.

Если грунт на прилегающей к строению местности имеет высокое удельное сопротивление – допускается установка системы штырей КЗ на более удаленной дистанции.

Обратите внимание: В этом случае придется смириться с излишними расходами на приобретение медных шин.

В любом из рассмотренных случаев при выборе места под ЗК следует предусмотреть все возможные варианты его использования в будущем (пусть даже и в очень отдаленной перспективе). Это позволит избежать ненужных издержек на перенос конструкции в ситуации, когда в данной зоне потребуется разбить детскую площадку, например.

Монтаж контура заземления

В зависимости от выбранной площадки (ее формы и размеров) при монтаже ЗК могут применяться различные схемы. Штыри в нем могут располагаться как в линию, так и в виде треугольника.

Важно! Независимо от используемой схемы, количество вертикально вбиваемых заземлителей должно быть не менее трех штук.

В том случае, когда выбрана треугольная конструкция, порядок обустройства ЗК выглядит следующим образом:

1. Сначала на этом месте размечается площадка соответствующей конфигурации со сторонами примерно 2,5-3 метра.
2. Затем вырывается котлован с размерами чуть большими, чем это обозначено разметкой.
3. Вырытый в земле приямок должен повторять форму равнобедренного треугольника и иметь глубину не менее полуметра (при ширине порядка 50-70 см.).
4. После этого по углам треугольного котлована с небольшим отступлением от стенок вбиваются три стальных штыря (отрезка арматуры) на глубину не менее 2-х метров.
5. И, в завершении все они соединятся между собой стальными полосами (делается это посредством сварки, которой в данной ситуации следует отдать предпочтение).

В результате должна получиться конструкция, похожая на приведенную ниже.

Сечения проводов заземления от контура не должно быть менее 12-16 мм квадратных.

Для экономии сил и времени вырывать приямок под штыри можно не полностью. Достаточно будет выбрать землю только из канавок, в которые укладываются затем стальные соединительные полосы. На заключительной стадии сварных работ уже готовый заземлитель присыпается составом с низким удельным сопротивлением (золой или пеплом, например). Со временем содержащиеся в добавках соли растворятся в земле, что обеспечивает снижение сопротивления растеканию аварийного тока.

Параметры заземлителей (вертикальное расположение)

При проведении расчетов контуров заземления вертикального типа необходимо руководствоваться следующей формулой:

Приведенные в ней величины расшифровываются, как указано ниже:

R0 – величина расчетного сопротивления одиночного электрода в Омах.

Рэкв – значение удельного сопротивления почвы, уже рассмотренное ранее в главе о наружном ЗК.

L – длина отдельного электрода, входящего в состав системы заземления.

D – диаметр или соответствующий сечению размер штыря.

Т – расчетное расстояние от условного центра каждого из электродов до земной поверхности.

Для того чтобы получить требуемое значение сопротивления R0 (согласно ПУЭ оно не должно превышать 30 Ом) следует подбирать входящие в формулу переменные величины.

Обратите внимание: В случае если из-за особенностей грунта в данной местности установка вертикальных стержней невозможна – расчет величины сопротивления производится по формуле для горизонтальных заземлителей.

Перед тем как рассчитать ЗК следует учитывать, что для монтажа горизонтальной конструкции потребуется намного больше усилий и затрат по времени (а также значительных расходов медного материала). Кроме того, обустроенное таким способом заземление очень чувствительно к погодным условиям.

Именно поэтому считается, что лучше потратиться на обустройство вертикальных стержней, чем пытаться преодолеть недостатки горизонтальных заземляющих систем.

Тестирование

По завершении монтажных работ необходимо протестировать контур заземления на нормируемые показатели. Для испытания потребуются точные измерительные приборы, не всегда имеющиеся в распоряжении пользователя.

Проверка контура заземления

В отсутствие требуемого оборудования следует воспользоваться простейшими способами, один из которых описан ниже (он подходит только для частного дома).

Во-первых, нужно взять достаточно мощную нагрузку (такую как утюг, например, с потреблением порядка 2-4 кВт). Во-вторых, необходим специальный переходник с обычной розеткой на одном из концов (второй из них выполняется в виде двух отдельных проводов). Далее, один из них следует оформить в виде изолированного одиночного контакта, а на конце второй сделать толстую петлю.

После этого необходимо подсоединить полученную петлю к свободной колодке на заземляющей шине в щитке. Одиночный изолированный контакт следует воткнуть в фазную клемму розетки, ближайшей к нему (нарушать порядок подключения концов переходника к фазе и земле ни в коем случае нельзя). После всех этих манипуляций нагревательный прибор окажется включенным в питающую цепь через сопротивление самодельного контура заземления. Затем нужно измерить напряжение в сети посредством мультиметра при включенном утюге и без него.

Небольшая разница в показаниях двух описанных измерений означает, что изготовленный заземлитель вполне работоспособен. Если же они отличаются очень намного – контур придется доработать (увеличить количество штырей, например).

О том, как проверить наличие правильного заземления мультиметром, мы рассказывали в соответствующей статье!

Подводя итог всему сказанному, обратим внимание на рекомендации, которыми делятся опытные мастера:

После ознакомления со всеми тонкостями процесса сборки и тестирования ЗК, попытаться изготовить его своими руками может каждый желающий.

Видео по теме

Для того чтобы в совершенстве освоить процесс обустройства систем заземления специалисты советуют ознакомиться с примерами расчета ЗК, которые в большом количестве представлены в Интернете. Помимо информационных сайтов рекомендуется просмотреть видео по теме,представленные ниже:

После ознакомления с этими материалами будет понятно, как произвести расчет посредством онлайн калькулятора, а также как изготовить и проверить защитное сооружение.

Измеряем сопротивление заземления

Это полагается делать в процессе завершения монтажных работ и перед каждым грозовым сезоном. Принцип работы любого измерительного прибора сводится к методу амперметра и вольтметра. Встроенный генератор прибора нагружает контролируемый заземлитель током известной величины I, а вольтметр измеряет напряжение на заземлителе U_З относительно бесконечно удаленной точки. По закону Ома частное от деления этих величин дает сопротивление заземления. R_З = U_З/I. Проблема организации измерений связана только с монтажом схемы. Для ввода тока надо поместить в грунт вспомогательный токовый электрод, а для измерения напряжения следует найти "бесконечно далекую" точку нулевого потенциала, чтобы ввести в неё ещё один вспомогательный электрод для подключения вольтметра. Всё это требует немалого свободного пространства. Иначе никак не исключить взаимного влияния между электродами и искажений ими режима растекания тока. Вот как рекомендуется размещать элементы измерительной цепи в существующих руководствах (рис. 10).

Здесь все опять определяется максимальным габаритным размером заземляющего устройства. Чем он больше, тем медленнее снижается потенциал в грунте при растекании тока. До нуля он снизится в бесконечности и туда с измерительными проводами не добраться. Приходится соглашаться на некоторую ошибку, скажем, в пределах 10% (для молниезащитных дел вполне приличная точность). Расчетные зависимости на рис. 11 и 12 показывают, как снижается потенциал на поверхности земли в окрестности протяженной горизонтальной шины радиусом 10 мм и в окрестности контура заземления с ячейками 10х10 м из таких же шин. В первом случае для требуемого снижения потенциала надо удалиться от заземлителя примерно на длину шины, во втором – на две диагонали контура. Это могут быть совсем не малые расстояния, потому что контур заземления с диагональю в 200 м и более в технике не редкость. Тем не менее, в руководствах рекомендуются ещё более значительные расстояния. Они необходимы, чтобы устранить мешающее влияние вспомогательного электрода, через который замыкается ток нагрузки заземлителя.

Рисунок 11

Рисунок 12

Коррекция методической погрешности измерений

В статье уже упоминалось о полной аналогии полей электрических зарядов и постоянного тока. Если расположить на каком-то расстоянии электрические точечные заряды противоположного знака, на прямой между ними всегда найдется точка нулевого потенциала, потому что разнополярные заряды создают различные по знаку потенциалы. Электроды с током в земле подобны таким зарядам. С одного электрода ток стекает в землю (пусть он будет условно положительным), а у другого собирается из земли (электрод с отрицательным током). Может не стоит уходить в бесконечность, а поискать точку нулевого потенциала на прямой между электродами? Так родилась более компактная схема с расположением всех электродов на одной прямой (рис. 13)

Если электроды действительно точечные (или, как показано на рисунке, полусферические) точку нулевого потенциала нечего искать – в силу симметрии она будет расположена точно по середине между электродами. Но оказывается, что для точного измерения сопротивления заземления потенциальный электрод надо погрузить в грунт не в ней, а совсем в другом месте. Теперь для доказательства не избежать вычислений, хотя и предельно простых.

Аналогия с уравнениями электростатики ставит формальное тождество между электрическим зарядом q и током I, а аналогом диэлектрической проницаемости ε становится проводимость грунта γ =1/ρ. При такой аналогии напряжение на уединенной полусфере радиуса r₀ относительно точки нулевого потенциала равно

что приводит к известному выражению для сопротивления заземления полусферы в однородном грунте

Во время измерений на обозримом расстоянии друг от друга r_tok находятся два электрода с токами различного направления I и –I. Теперь должен быть принят во внимание принцип наложения, по которому в линейной среде потенциал любой точки определяется как сумма потенциалов от всех существующих источников и потому измеренное напряжение окажется меньше

Второе слагаемое в этой формуле определяет ошибку, занижающую величину измеренного сопротивления по отношению к истинному значению на величину

Чтобы скомпенсировать эту ошибку, измерение напряжения на заземлителе надо производить не относительно точки нулевого потенциала, а относительно некоторой точки на расстоянии rpot, где потенциал φ(r_pot) отрицательный, вследствие чего измеренное напряжение U_reg = φ_reg(r₀) - φ(r_pot) увеличится.

Естественно, что потенциал в точке r_pot также определяется двумя токами:

Ошибки в измерениях не будет в случае выполнения равенства

Предлагаю читателю подставить в последнюю формулу все найденные значения, сделать приведение подобных членов и, получив в итоге выражение

разрешить его относительно искомого расстояния rpot, куда надо устанавливать потенциальный электрод. У тех, кто не забыл школьную алгебру, получится

Рекомендации в отечественных нормативных документах

Соблазнительная рекомендация, не задумываясь, устанавливать потенциальный электрод на расстоянии 0,62r_tok от измеряемого заземлителя любой конструкции в России не прижилась. Отечественные специалисты не увидели каких-либо весомых оснований для распространения частного вывода на заземлитель любой конструкции. Но сама методика размещения всех электродов на одной прямой фактически узаконена (РД 153-34.0-20-525-00). Расстояние от заземлителя до вспомогательного токового электрода рекомендуется выбирать из условия r_tok ≥ 3D, где D – максимальный габаритный размер заземляющего устройства. Потенциальный электрод последовательно, с шагом ∆d = 0,1r_tok размещают на прямой, соединяющей заземлитель с токовым электродом и измеряют либо напряжение между заземлителем и потенциальным электродом, либо сразу сопротивление заземления (если прибор градуирован в омах). Далее строится зависимость измеренных значений от положения потенциального электрода (рис. 14). Если измерения в точках r_pot = 0,4r_tok и r_pot = 0,6r_tok отличаются в пределах 10%, принимается, что истинное значение сопротивления заземления соответствует расположению потенциального электрода в точке r_pot = 0,5r_tok.

Рисунок 14

Методика заметно усложняется, когда кривая на рис. 14 не имеет явно выраженного плоского участка. Тогда рекомендованные измерения и построение графика следует повторить для r_tok = 2D. Далее принимается, что точка пересечения построенных кривых (в относительных координатах r_pot/r_tok на оси абсцисс) определяет "правильное" место установки потенциального электрода.

Рекомендованная процедура построения не вызывает особых проблем для одиночных горизонтальных шин или вертикальных стержневых электродов. Измерения здесь дают картину, очень похожую на рис. 14, условие с 10%-ным расхождением результатов в точках r_pot = 0,4r_tok и r_pot = 0,6r_tok обычно выполняется и потому удается четко определить точку нулевого потенциала. К тому же одиночные горизонтальные электроды, а тем более вертикальные, редко бывают особо большой длины, что позволяет выполнить условие r_tok ≥ 3D. Ситуация для контуров заземления большой площади заметно сложнее. Их диагональ вполне может превысить 200 – 300 м. Найти свободное почти километровое пространство в районе городской или промышленной застройки можно считать исключительно большим везением. К тому же контур заземления даже не слишком больших размеров перестает вписываться в требования методических указаний.

Рисунок 15

На рис. 15 компьютерное моделирование воспроизводит результаты для контура заземления, в роли которого выступает ленточный железобетонный фундамент здания площадью 50 х 50 м 2 . Фундамент заглублен в грунт на 3 м. Легко убедиться, что значения напряжения относительно точек r_pot = 0,4r_tok и r_pot = 0,6r_tok отличаются больше, чем на предписанные 10%. К тому же построенная кривая не имеет явно выраженного горизонтального участка. Если следовать "Методическим указаниям", здесь потребовалась бы еще одна серия измерений при r_tok = 2D.

Полезно помнить, что любые Методические указания носят рекомендательный характер. Есть смысл разобраться в таких рекомендациях. А начинать удобнее с подхода к определению точки нулевого потенциала. На построенной кривой она совпадает с точкой перегиба и определяется экстремумом первой производной. Не надо пугаться слегка позабытых слов. Ничего сложного делать не придется. Значения напряжения между заземлителем и потенциальным электродом при его перемещении с шагом ∆r = 0,1r_pot уже измерены. Достаточно из каждого очередного измеренного значения, например U_k, вычесть предыдущее измерение U_k-1 и отложить полученную величину ∆U = U_k – U_k-1 на графике для значения на оси абсцисс, отвечающего середине интервала, на котором стояли потенциальные электроды. Полученные таким образом точки опишут характерную кривую с минимумом. Положение минимума – это и есть точка нулевого потенциала (рис. 16).

Можно поступить ещё проще. Сразу измерять напряжение между парой потенциальных электродов, размещенных на расстоянии ∆r = 0,1r_pot друг от друга, последовательно смещаясь по прямой от изменяемого заземлителя к вспомогательному токовому электроду. Минимальное из этих значений определит положение точки нулевого потенциала. Она будет находиться примерно по середине между потенциальными электродами в "минимальном" измерении. Необязательно даже выбирать шаг смещения потенциальных электродов равным ∆r = 0,1r_pot. Важно, чтобы он был одинаковым.

Теперь, когда с точкой нулевого потенциала ясно, полезно осознать, нужна ли она для определения сопротивления заземления. Пожалуйста, не удивляйтесь возникшему вопросу. Относительно точки нулевого потенциала измеряется напряжение, задающее после деления на ток величину сопротивления заземления. Из всего сказанного выше явствует, что присутствие токового электрода за счет своего электрического поля снижает потенциал контролируемого заземлителя. В итоге измеренное сопротивление оказывается ниже (в определенных условиях заметно ниже) своего фактического значения. Вспомните, именно для компенсации методической ошибки подобного рода возникла рекомендация располагать потенциальный электрод не в точке нулевого потенциала, а на расстоянии r_pot = 0,62r_tok от заземлителя. Компьютерная модель позволяет провести серию численных экспериментов по проверке этого для заземлителей самой разной конструкции. Их результаты перед вами (рис. 17-20).

Рисунок 17

Рисунок 18

Как и следовало ожидать, измерения по точке нулевого потенциала дают заниженные значения сопротивления заземления, хотя относительная погрешность в случае предписанного удаления токового электрода на расстояние r_tok ≥ 3D не выходит за пределы 10-12%. Такое вполне допустимо для практики. Измерения при удалении потенциального электрода на расстояние 0,62r_tok следует признать перекомпенсированными, хотя при r_tok ≥ 3D погрешность также укладывается в 10%.

Рисунок 19

Рисунок 20

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Заземление в молниезащите - ответы на частые вопросы при проектировании

В лабораториях не раз пытались обнаружить влияние сопротивления заземления молниеотвода на его эффективность. Металлический стержень, имитирующий молниеотвод, связывали с заземленной плоскостью высоковольтного зала не наглухо, а через резистор. Однако при сопротивлении резистора даже в 1000 Ом стержень столь же эффективно перехватывал многометровую искру, моделирующую молнию, как и в случае глухой металлической связи. Тем не менее, сопротивление заземления обоснованно считают едва ни наиважнейшим параметром внешней и внутренней молниезащиты. Оснований для этого достаточно. Благодаря сопротивлению заземления ток молнии поднимает до мегавольтного уровня потенциал токоотводов и молниеприемника, создавая таким образом грозовые перенапряжения. Они едва ли не в равной степени опасны, как для воздушных линий электропередачи ультравысокого напряжения, так и для скромной "воздушки" 380/220 В, поставляющей электроэнергию в ваш дом. Подавляющее число тяжелых поражений людей и животных в грозу – результат воздействия на них не прямого удара молнии, а напряжений прикосновения и шага, напрямую зависящих от сопротивления заземления. Благодаря проводимости грунта устанавливается гальваническая связь между заземлителем молниеотвода и подземными коммуникациями, в ряде случаев исключительно опасная для ответственного и дорогостоящего оборудования современных промышленных объектов. Впрочем, для бытовой аппаратуры такую связь тоже не назовешь желаемой.

В этой статье будут рассмотрены особенности распространения в земле токов молнии и параметры заземляющих устройств, важные для практических приложений. Везде, где это возможно, трудоёмкие аналитические выкладки исключены, чтобы не усложнять чтение статьи. В такой ситуации следовало бы отдать предпочтение результатам натурного эксперимента. Однако, серьёзным препятствием здесь оказывались исключительная дороговизна, трудоёмкость и многомесячная продолжительность даже относительно простых полевых измерений. Вот почему их пришлось заменять компьютерным моделированием. Полагаю, численные эксперименты тоже заслуживают доверия. Теоретическое описание электрического поля постоянного тока целиком аналогично теории электростатических полей, давно и хорошо разработанной и в принципиальном отношении, и в методологии конкретных практических расчётов. Компьютерное моделирование, использованное в этой статье, базируется на вполне достоверной методологической основе.

Нужно сразу оговориться, что практика расчётов заземляющих устройств в статью не включена. Их предполагается рассмотреть особо.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты

1. Проводимость грунта

Эту величину никак не назовешь подходящей для среды, где растекается килоамперный ток молнии. Удельное сопротивления даже высоко проводящей земли примерно в миллиард раз больше удельного сопротивления обычной стали. При организации заземления специалистов выручает только практически неограниченный объём грунта, по которому распространяется ток.

Проводимость грунта на редкость нестабильна. Она сильно зависит не только от его минералогического состава, но также от влажности и температуры. Вот почему методические указания вынуждены давать очень приблизительные значения удельного сопротивления для различных грунтов.

Статья включает ответы на следующие вопросы:

2. Измеряем сопротивление заземления

Это полагается делать в процессе завершения монтажных работ и перед каждым грозовым сезоном. Принцип работы любого измерительного прибора сводится к методу амперметра и вольтметра. Встроенный генератор прибора нагружает контролируемый заземлитель током известной величины I, а вольтметр измеряет напряжение на заземлителе U_З относительно бесконечно удаленной точки. По закону Ома частное от деления этих величин дает сопротивление заземления. R_З = U_З/I. Проблема организации измерений связана только с монтажом схемы. Для ввода тока надо поместить в грунт вспомогательный токовый электрод, а для измерения напряжения следует найти "бесконечно далекую" точку нулевого потенциала, чтобы ввести в нее еще один вспомогательный электрод для подключения вольтметра. Все это требует немалого свободного пространства. Иначе никак не исключить взаимного влияния между электродами и искажений ими режима растекания тока.

Статья включает ответы на следующие вопросы:

3. Индивидуальный контур заземления – насколько это реально?

Требование собственного ни с чем не связанного контура заземления часто можно слышать от пользователей дорогой высоко чувствительной аппаратуры. Записано такое требование и в ПУЭ, например, там есть запрет размещения молниеотводов на ближайших порталах силовых трансформаторов. Можно ли реально изготовить заземлитель, не имеющий гальванической связи с другими подземными электродами? В общем случае ответ на этот вопрос безусловно отрицательный, потому что все подземные электроды связаны между собой через конечную проводимость грунта. Вопрос лишь в том, насколько сильна такая связь, в результате которой часть тока молнии от заземлителя молниеотвода может попасть в не предназначенный для этой цели заземлитель прецизионной аппаратуры.

4. Работа заземлителя в импульсном режиме

Любая горизонтальная заземляющая шина или вертикальный электрод обладают индуктивностью. Это значит, что ток не проникает в заземлитель мгновенно, но фактически загружает его элементы с вполне конкретной скоростью. В результате не весь заземлитель мгновенно включается в растекание быстро нарастающего тока молнии. Его участки вступают в работу постепенно и тем позднее, чем дальше находится конкретный участок от места ввода импульсного тока. В таких условиях бесполезно ориентироваться на измерения или расчет сопротивления заземления для постоянного (вернее – медленно меняющегося) тока. Реальные условия растекания тока молнии могут оказаться несопоставимо хуже и будут характеризоваться совершенно другими, многократно повышенными сопротивлениями заземления. Импульсные характеристики заземляющих устройств требуют, таким образом, самостоятельного анализа.

5. Как нормировать сопротивление заземления в молниезащите

Затрудняюсь дать обоснованный ответ на этот вопрос и не знаю специалиста, способного на такое. В начале статьи уже отмечалось, что изменение сопротивления заземления молниеотвода в сколько-нибудь разумных пределах даже на 2 порядка величины практически не сказывается на эффективности притяжения молний. Значит, ориентироваться надо на какой-то иной критерий, связанный, например. с электробезопасностью или с допустимым уровнем перенапряжений в электрических цепях объекта. Попытка формировать нормативные требования на такой основе не лишена смысла, но неизбежно будет связана с массой нерешенных проблем. Главная из них – предельно допустимый уровень напряжения прикосновения и шага для людей и животных в импульсном режиме.

6. Что нужно знать о нелинейных свойствах грунта

Приходится еще раз повторить, что грунт очень плохой проводник. При удельном сопротивлении порядка 100 Ом м даже вполне умеренная плотность тока σ = 10 4 А/м 2 = 1 А/см 2 создает электрическое поле E_gr = ρσ = 10 6 В/м. Этого достаточно для начала ионизационных процессов в грунте. Классическое представление о последствиях ионизации сводится к тому, что у поверхности заземляющих электродов образуется хорошо проводящий плазменный чехол, который увеличивает площадь контакта электрода с грунтом. В результате сопротивление заземления электрода снижается тем в большей степени, чем сильнее ток и, соответственно, больше радиус образовавшейся плазменной области.

7. Некоторые итоги

Содержание этого раздела вряд ли привлечет специалиста, но может быть полезно инженеру-электрику, который стремится разобраться в методике проектных оценок заземляющих устройств. На первом этапе своей разработки целесообразно иметь в виду следующие соображения.

Проверка систем молниезащиты

Специалисты нашей электролаборатории проведут проверку молниезащиты дымовых труб, промышленных, административных или жилых зданий. Мы проверим состояние молниеприёмника, связи молниеприёмника с токоотводом и токоотвода с контуром заземления молниезащиты. Все работы выполняются качественно и в сжатые сроки. Очень важно проводить проверку молниезащиты с составлением «акта проверки молниезащиты» ежегодно, перед началом грозового периода. По всем вопросам обращайтесь к нам в офис.

1.Общие положения

Испытания систем молниезащиты зданий и сооружений проводятся с целью проверки их соответствия проектным решениям и требованиям ПУЭ (гл. 4.2), ПТЭЭП (гл. 2.8), инструкции по устройству молниезащиты зданий и сооружений (РД 34.21.122-87).

2. Технические мероприятия

Перечень необходимых технических мероприятий определяет допускающий совместно с производителем работ в соответствии с требованиями СНиП 12-03-99.

При осмотре и проверке состояния молниеприемников и токоотводов на крышах зданий и сооружений необходимо использовать пояса монтерские предохранительные. При недостаточной длине стропа пояса необходимо пользоваться страховочным канатом, предварительно закрепленным за конструкцию здания. При этом одно из лиц, проводящих испытания медленно опускает или натягивает страховочный канат. При проверке сварных соединений наружных токопроводов, конструкции молниеприемников инструмент (мо­лоток) необходимо привязывать во избежание падения. При приближении грозы все работы должны быть прекращены, бригада удалена с рабочего места.

3. Нормируемые величины

Защита от прямых ударов молний зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты к I категории должна выполняться отдельно стоящими стержневыми или тросовыми молниеотводам

Защита от прямых ударов молний зданий и сооружений, относимых по устройству молниезащиты ко II и III категориям, с неметаллической кровлей должна быть выполнена отдельно стоящими или установленными на защищаемом объекте стержневыми или тросовыми молниеотводами.

При уклоне кровли не более 1:8 в качестве молниеотвода можно использовать молниеприемную сетку, выполненную из стальной проволоки диаметром не менее 6 мм с шагом ячеек для II категории защиты не более 6х6 м и 12х12 м для II I проложены к заземлителям не реже, чем через 25 м по пе­риметру здания, располагать их следует не ближе 3 м от входов в здания и в местах недоступных прикосновению людей и животных. категории защиты. Токоотводы от метал­лической кровли или молниеприемной сетки должны быть

Во всех вышеизложенных случаях дополнительно в ка­честве естественных заземлителей систем молниезащиты следует использовать железобетонные фундаменты зданий.

Размеры молниеприемников, токоотводов и элементов заземлителей приведены в таблице 1.

Норма сопротивления контура заземления

Очень часто энергетики спорят на тему, какие должны быть нормы растекания тока контура заземления? Какова величина сопротивления контура заземления? Какое допустимое сопротивление контура заземления? Как правило, в таких спорах можно услышать разные цифры, одни называют 4 Ом, от других можно услышать 20 Ом, некоторые специалисты говорят, что сопротивление контура заземлителя не нормируется. Так какие же должны быть нормы и почему такая путаница?

Какие бывают испытания?

Начну с того, что поясню, какие бывают испытания. Электролаборатория проводит приёмо-сдаточные или эксплуатационные испытания. Приёмо-сдаточные испытания проводятся после окончания монтирования новой электроустановки, после того как, электроустановка смонтирована и сдана в эксплуатацию, с этого момента начинаются эксплуатационные испытания. Соответственно приёмо-сдаточные испытания проводятся только один раз, после окончания электромонтажных работ, а эксплуатационные испытания проводятся периодически, в процессе эксплуатации.

И так, существуют приёмо-сдаточные и эксплуатационные испытания. Приёмо-сдаточные испытания регламентируются Правилами Устройства Электроустановок (ПУЭ), а эксплуатационные Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП).

Почему спорят специалисты?

Наконец, мы подошли к самому главному. Почему спорят специалисты, почему такие разные цифры они называют?

Во первых, нужно понять о каких испытаниях идёт речь. Если разговор идёт о приёмо-сдаточных испытаниях, то ответ нужно смотреть в ПУЭ, Глава 1.8, Нормы приёмо-сдаточных испытаний, а если об эксплуатационных, то ответ ищем в ПТЭЭП, Приложение 3, Нормы испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей.

Во вторых нужно понять предназначение контура заземления. Контур заземления бывает для подстанций и распределительных пунктов выше 1000 Вольт, воздушных линий электропередач до 1000 Вольт и выше 1000 Вольт и электроустановок до 1000 Вольт.

Какие нормы?

1. Контур заземления для электроустановки напряжением до 1000 Вольт:

ПУЭ, п. 1.8.39, таблица 1.8.38, п. 3 гласит: при измерении в непосредственной близости к трансформаторной подстанции, сопротивление контура заземления должно быть: 15, 30 или 60 Ом, при измерении с учетом естественных заземлителей и повторных заземлителей отходящих линий: 2, 4 или 8 Ом соответственно для напряжений 660, 380 и 220 Вольт.

ПТЭЭП, Приложение № 3, таблица 36 гласит: сопротивление контура заземления - 15, 30 или 60 Ом для напряжений сети 660-380, 380-220 и 220-127 Вольт соответственно (трёхфазная/однофазная сеть), а при измерении с учётом присоединённых повторных заземлений должно быть не более 2, 4 и 8 Ом при напряжениях соответственно 660, 380 и 220 Вольт источника трехфазного тока и напряжениях 380, 220 и 127 Вольт источника однофазного тока.

2. Контур заземления для трансформаторной подстанции и распредпунктов напряжением больше 1000 Вольт:

ПУЭ, п. 1.8.39, таблица 1.8.38, п. 1 гласит: при измерении в электроустановке с глухозаземленной и эффективно заземленной нейтралью, должно быть не более 0,5 Ом.

ПТЭЭП, Приложение № 3, таблица 36 гласит: при измерении в электроустановке напряжением 110 кВ и выше, в сетях с эффективным заземлением нейтрали, сопротивление контура должно быть не более 0,5 Ом.

В электроустановке 3 - 35 кВ сетей с изолированной нейтралью - 250/Ip, но не более 10 Ом, где Ip - расчетный ток замыкания на землю.

3. Контур заземления воздушной линии электропередачи напряжением выше 1 кВ:

ПУЭ, п. 1.8.39, таблица 1.8.38, п. 2 гласит: Заземляющие устройства опор высоковольтной линии (ВЛ) при удельном сопротивлении грунта, ρ, Ом·м: 100/100-500/500-1000/1000-5000 – 10, 15, 20 и 30 Ом соответственно.

ПТЭЭП, Приложение № 31, таблица 35, п. 4 гласит:

А. Для воздушных линий электропередач на напряжение выше 1000 В: Опоры, имеющие грозозащитный трос или другие устройства грозозащиты, металлические и железобетонные опоры ВЛ 35 кВ и такие же опоры ВЛ 3 - 20 кВ в
населенной местности, заземлители оборудования на опорах 110 кВ и выше: 10, 15, 20 или 30 Ом при удельном сопротивлении грунта, соответственно: 100, 100-500, 500-1000, 1000-5000 Ом·м.

Б. Для воздушных линий электропередач на напряжение до 1000 Вольт: Опора ВЛ с грозозащитой – 30 Ом, Опоры с повторными заземлителями нулевого провода – 15, 30 и 60 Ом для напряжений питающей сети 660-380, 380-220 и 220-127 Вольт (трёхфазная/однофазная сеть) соответственно.

Подведём итог

Для электромонтажников, работающих в сетях напряжением ниже 1000 Вольт:

Сопротивление растекания контура заземления на вновь построенной электроустановке должно быть 15, 30 или 60 Ом или 2, 4 и 8 Ом при измерении с присоединёнными естественными заземлителями и повторными заземлителями отходящих линий для напряжений питающей сети 660-380, 380-220 или 220-127 Вольт (трёхфазная/однофазная сеть) соответственно.

Сопротивление растекания контура заземления на уже эксплуатирующейся электроустановке, тоже 15, 30 и 60 Ом или 2, 4, 8 Ом при измерении с присоединёнными естественными и повторными заземлителями для напряжений сети 660-380, 380-220 и 220-127 Вольт (трёхфазная/однофазная сеть) соответственно.

Как видим, значения сопротивления контура заземления одинаковы, не зависимо от вида испытаний, но разные в зависимости от назначения контура заземления!

Читайте также:

  
• Розетка ра16 297 стационарная открытой установки ip44 16а 220в 2p pe
  
• Узел крепления светильника к фасаду
  
• Светильники для наружного освещения типа жку15 400 101
  
• Розетка с заземлением и крышкой ip54 настенного монтажа серая viko palmiye
  
• Светильник светодиодный усс 32 220в крепление на скобе толщина скобы 4мм в тропическом исполнении