Естественные и искусственные заземлители

Заземление. Искусственные заземлители.

Что представляет собой искусственный заземлитель?

В большинстве случаев в роли искусственного заземлителя выступает проводник, изготовленный из стали и помещенный в грунт в горизонтальной или вертикальной плоскости. В некоторых случаях используют целую группу подобных проводников, которые соединяют между собой. В таком случае заземлитель получается сложным. Если же электроды образуют контур, то это уже будет заземляющий контур.

Чем отличаются друг от друга вертикальные и горизонтальные заземлители?

Фактически эти понятия достаточно условны, так как, например, во втором случае, совершенно необязательно, чтобы положение заземлителя в грунте было строго горизонтальным. Однако очень важно, чтобы проводники, образующие собой заземлитель или заземляющий контур, находились на требуемой глубине. Это необходимо для того, чтобы в случае земляных работ они не получили никаких механических повреждений.

Из-за того что поверхность земли на различных ее участках не является достаточно ровной, горизонтальные заземлители должны следовать рельефу поверхности, по возможности в точности повторяя его.

Точно так же вертикальные электроды могут быть установлены не совсем вертикально, а под незначительным наклоном, который, впрочем, не будет оказывать существенного влияния на их работу.

На какую глубину помещают горизонтальный заземлитель?

Горизонтальные заземлители лучше всего прокладывать на глубине приблизительно 0,5 м. Если же земли пахотные, то глубину лучше всего увеличить приблизительно до 1 м. Их следует использовать в тех случаях, когда верхний слой грунта в состоянии обеспечить требуемую проводимость электрического тока.

Как правило, подобные заземлители устанавливаются с помощью специальных аппаратов, поэтому ручной труд здесь практически не задействуется. Следует отметить, что верхние слои почвы зачастую способны сильнее сопротивляться электрическому току по сравнению с более глубокими.

Если же заложить горизонтальный заземлитель слишком близко к поверхности земли, то в этом случае растекание электрического тока по почве будет проходить не слишком равномерно, а на более значительной глубине такой эффект достигается без лишних затрат и усилий.

У горизонтально заложенных проводников сопротивление значительно выше по сравнению с аналогичным проводником, установленным в вертикальное положение. Именно по этой причине чаще всего при проведении электромонтажных работ пользуются вертикальными проводниками.

Лучше всего для этой цели использовать глубинные вертикальные электроды, так как они способны добраться до хорошо проводящих электрический ток слоев грунта.

Как подобрать размеры искусственных заземлителей?

Заземляющие электроды, установленные в почве, а также выводы от них и любые перемычки, должны иметь следующие минимально допустимые размеры:

— круглая сталь — диаметр 10 мм;

— круглая оцинкованная сталь — диаметр 6 мм;

— угловая сталь — толщина полки 4 мм;

— общее сечение для заземлителей с присоединенной к ним системой защиты от молний — 160 мм2;

— полосовая сталь — 4 мм, в случае, если сечение составляет 48 мм2 (при изготовлении магистрали заземления сечение должно составлять не менее 100 мм2, а для заземления с молниезащитой — 160 мм2);

— отбракованные трубы — толщина стенок труб 3,5 мм.

Исходя из чего вычисляются минимальные размеры?

Указанные выше минимальные размеры для электродов в искусственной системе заземления берутся, главным образом, для их использования во временных установках, где условиями коррозии можно пренебречь, так как они не будут иметь решающей роли.

Если же необходимо соорудить систему заземления для постоянной установки, то в этом случае сечение заземлителей нужно выбирать таким образом, чтобы был еще и запас на коррозионное разрушение материалов. Лучше всего способна сопротивляться негативному воздействию коррозионный процессов круглая сталь. Дело в том, что разъедание металла ржавчиной напрямую зависит от поверхности металла, которая будет непосредственно соприкасаться с землей. Из-за того что площадь круглой стали наименьшая, она значительно медленнее разрушается.

Для того чтобы заземлитель надежно функционировал достаточно долгое время, например 40—50 лет, для его изготовления нужно брать материал гораздо большей толщины, чем указанное минимальное значение. Например, если фунтовые условия достаточно благоприятные, то есть не слишком влажные, то диаметр заземлителя должен быть больше всего на 2—3 мм. Если же грунт влажный, то диаметр должен быть больше минимального значения в два раза.

Как устанавливать в грунте искусственный заземлитель?

От заземляемой части электроустановки горизонтальные лучи заземляющего устройства должны расходиться в противоположных направлениях. Если же этих лучей не два, а больше, то лучше всего их располагать под углом друг к другу.

Это делают с той целью, чтобы как можно большая площадь земли использовалась рационально. Если же установить заземлители рядом друг с другом, то они будут экранироваться друг другом, следовательно, их эффективность будет в значительной степени снижена. По такой же причине на значительном расстоянии друг от друга устанавливают и вертикальные заземлители. Вертикальные заземлители лучше всего установить на расстояние, равное как минимум длине самого заземлителя.

Из-за того что потенциалы на поверхности земли могут распределиться не слишком равномерно, вокруг заземлителя будут создаваться опасные напряжения. Для того чтобы выровнять разные потенциалы, заземлитель изготавливают в форме сетки, которая должна быть сделана из горизонтальных элементов. В почве их нужно уложить вдоль и поперек места электроустановки. Также их следует соединить друг с другом с помощью сварки. Как правило, размер одной ячейки полученной сетки составляет от 6 х 6 до 10 х 10 м.

Кроме того, в некоторых случаях потенциалы выравнивают с помощью заземлителя, который изготавливают в форме концентрических колец. Их необходимо поместить в почву и соединить с заземляемым устройством.

Напряжение на поверхности можно снизить за счет сетчатого заземлителя, только в этом случае все равно высока вероятность того, что за пределами этой сетки возможность поражения электрическим током будет сохраняться. В связи с этим нужно уложить дополнительные заземлители, глубина закладки которых должна постепенно увеличиваться. Такие дополнительные конструкции также нужно соединить с основными заземлителями.

Как дополнительно обезопасить участок заземления?

Площадь заземлителя и расход металла можно сократить за счет сооружения специального изолирующего заграждения, которое устанавливается по периметру заземлителя. Следует отметить, что ограждение должно быть изготовлено из диэлектрика. Такой подход позволяет не допустить растекания электрического тока по земной поверхности. Кроме того, ограждение из диэлектрика позволяет выровнять потенциал за пределами заземлителя.

Из чего лучше всего изготовить заграждение?

Для сооружения данной конструкции можно использовать любой материал, не пропускающий электрический ток, также он должен быть весьма прочным с механической точки зрения, а электрическая прочность его должна составлять не меньше 1 МВ/м. Для этой цели лучше всего подойдут изоляторы, которые изготавливают на битумной основе. Например, к ним относят бризол, производимый из отходов производства. Его электрическая прочность обычно бывает не менее 20 МВ/м.

Какие трудности могут возникнуть при изготовлении заземлителя?

Зачастую заземлители, изготовленные из профильной стали, не в состоянии удовлетворить те требования, которые предъявляют к заземляющим конструкциям. Допустим, в засушливой местности достаточно проблематично добиться того, чтобы данный вид заземлителя имел необходимую проводимость электрического тока. В скальных породах затруднен монтаж данного типа заземлителей, а в агрессивной среде очень сложно защитить их от коррозии и одновременно добиться необходимого уровня проводимости электрического тока. Для подобных случаев разработаны специальные конструкции искусственных заземлителей.

Из чего делают заземлитель в районах с засушливыми почвами?

Для засушливых районов чаще всего используется следующая конструкция. Заземлитель представляет собой емкость, изготовленную из железобетона. Ее размещают ниже поверхности земли. Водой такая емкость наполняется через специальный съемный люк.

Такая конструкция оборудуется водораспределительной системой. Она представляет собой отрезки стальных труб, в которых имеются отверстия для стока воды, располагающиеся равномерно по всей длине трубы. Трубы покрывают слоем материала, способного поглощать влагу, например бетоном или цементом. Скорость фильтрации влаги, с которой вода будет просачиваться через бетон и уходить в почву, напрямую зависит от марки бетона. Правильно подобранный бетон позволит сократить затраты усилий, направленных на регулярное увлажнение. Вывод от железобетонной емкости соединяется со стальными стержнями.

Какие отличительные черты иностранной конструкции заземлителя современного образца?

Основная цель данной конструкции состоит в уменьшении металлоемкости и облегчении помещения этого устройства в грунт. Заземлитель в этом случае оснащен тонкостенной металлической трубкой (толщина ее стенок равна 1—2 мм). При этом в нее установлен полужесткий стержень, изготовленный из пластичного материала. Однако его жесткость достаточна для того, чтобы служить опорой для упругой трубки с не слишком толстыми стенками. Данное свойство позволяет заземлителю обходить препятствия, которые встречаются на его пути. Для того чтобы максимально увеличить срок службы данного заземлителя, трубку изготавливают из нержавеющей стали.

На конце, этой трубки имеется конусообразный стальной наконечник, изготовленный из обычной стали. Он предназначен для того, чтобы трубку можно было как можно легче забивать в землю. Если же наконечника нет, то трубку можно попросту обжать в тисках.

Диаметр данной трубки обычно составляет 15 см. При этом диаметр сердечника, который впрессовывают в такую трубку, обычно больше его. Трубку иногда заполняют не полужестким сердечником, а текучим материалом, затвердевающим после заполнения. Чаще всего для этой цели используют эпоксидную смолу, полиуретан или эластомер.

Однако не следует использовать для этой цели слишком пластичные материалы, так как они не способны создать достаточную прочность для стенок трубки, ведь ее придется забивать на относительно большую глубину — приблизительно 2,3 м. Для того чтобы забить такую конструкцию в почву, используют специальную съемную наковальню. В ее конструкции предусмотрено плечо, которое упирается в конец трубки, а также выступ, который соединяется не только с внутренним диаметром самой трубки, но и пластичным сердечником.

Заземляющие проводники представляют собой обязательную часть электроустановок любого типа, от небольших бытовых приборов до трансформаторов. Необходимы как защитные элементы от случайного соприкосновения с деталями, находящимися под высоким напряжением.

Их правильный выбор и установка очень важны не только для обеспечения бесперебойной работы, но и для улучшения качества ее безопасности во время эксплуатации.

Немного теории

Чтобы действовать максимально эффективно, необходимо знать некоторую терминологию. Так, глухозаземленная нейтраль — общая точка обмоток для электрического оборудования, которая присоединяется к заземлителю напрямую или с использованием малого сопротивления.

Важно знать следующую информацию:

  1. Основных схем для подключения нейтрали оборудования насчитывается пять. Здесь электрические приборы подключают в звезду (начала обмотки присоединяют к фазным проводам).
  2. В областях соединения обмоток потенциал будет равен нулю при идеальных условиях, как и у почвы. Из-за этого заземление нейтрального кабеля необходимо производить с использованием шины.
  3. Нулевой провод — тот, что подключен к нейтрали. Как правило, его принято обозначать буквой N.
  4. Нулевой защитный проводник заземления обозначается символом РЕ. Его подсоединяют к земле и непосредственно к оборудованию, благодаря чему оказывается возможным получение нулевого потенциала.

Существует три основных типа подключения:

  1. TN-S. К нейтрали соединяют нулевой рабочий проводник и кабель защитного заземления, которые не соединяются до конечного потребителя.
  2. TN-C. Заземляющий проводник и нейтраль соединяются в одной области, образовав сплошной проводник. Такой тип обозначают символом REN.
  3. TN-C-S. Совмещает в себе два предыдущих. Для подключения к нейтрали используется один проводник, который впоследствии разделяется на два — зануления и заземления.

В сетях выше тысячи, требующих специальных знаний, применяется тип IT с применением изолированной нейтрали.

Общие требования к проводам заземления

Любой провод заземления должен снижать потенциал на электрооборудовании до близкого к нулю показателя. У него должна быть возможность пропускать такой же ток, значение которого в установке равно значению тока в коротком замыкании.

В связи с этим необходимо обратить внимание на следующие требования:

  1. Сечение проводников заземления не должно быть больше, чем у фазных проводников. Последние должны обеспечивать постоянное протекание тока, защита находится в работе не более двух-трех секунд.
  2. Все кабели должны иметь сечение и маркировки по ГОСТу.
  3. Отдельный расчет показателя проводника заземления возможен. Следует применить формулу, содержащую ток короткого замыкания, способ укладки кабеля, тип проводника.
  4. Нулевой провод, как правило, обозначают голубым цветом, заземление — желтым.
  5. Качество заземления рассчитывают по измерению сопротивления. Как правило, параметр должен составить не больше 4 Ом. Число зависит от сопротивления только внутри проводника.
  6. Наиболее качественного заземления можно добиться при использовании винтовых зажимов. Не рекомендуется делать нулевые проводники и заземление длиннее стандарта длины.
  7. У медного провода для заземления минимальное сечение составит 4 квадратных миллиметров без защиты от повреждений и не менее 2,5 — при ее наличии.

Требования к переносным заземлениям

Переносные заземления должны соответствовать совсем другим требованиям, поскольку применяются к передвижным механизмам для обеспечения безопасных условий эксплуатации и работы.

Основные правила их использования выглядят следующим образом:

  1. Данный тип проводников не оснащается изоляцией. Это необходимо, чтобы можно было легко обнаружить возможные механические повреждения или убедиться в их полной целостности. К устройствам контур заземления прикрепляется при помощи струбцины. Ее присоединение к заземлителю производится с использованием сварки.
  2. Материал для проводника — медь. Такая продукция должна быть многожильной, а ее отдельные проводки — содержать не более пяти процентов брака.
  3. Сечение данных заземлений должно быть не менее 16 квадратных мм, если применяется для механизмов с напряжением меньше 1000 В, и не менее 25 квадратных миллиметров, если больше.

Перед наложением заземления необходимо провести зачистку металлической поверхности. Можно достигнуть максимально доступного качества. Проверить его обычными способами достаточно сложно, поэтому чаще всего выполняют только экспериментальным путем.

Цвет и сечение провода для заземления

Какого цвета провод заземления

Цвета жил трехжильного кабеля

Для однофазной сети трехжильный медный кабель имеет цвета проводов для;

— фазы красный или коричневый цвет;— для нуля N синий или голубой цвет;— для обозначения цвета защитного заземления PE используется желто — зеленый окрас изоляции.

Различие в цветах нулевого провода N, заземляющего PE и совмещенного нулевого с защитным проводом PEN

Обозначение провода может быть PEN- это обозначения используется в электроустановках с глухозаземленной нейтралью, где нейтраль N заземлена. Цвет этого провода также желто-зеленый с синим цветом на концах проводника.

Некоторые импортные кабели могут иметь желтый или зеленый окрас изоляции провода заземления и сечение провода заземления может быть меньше, чем сечение фазных проводов. На изоляции провода заземления возможна маркировка PE, сечения провода и марка.

Обозначение цветами жесткости проводов

Сечение провода для заземления

Величина сечения провода для заземления играет большую роль в обеспечении электробезопасности. Неправильно выбранное сечение провода заземления не пропустит необходимую силу тока и не выполнит свое назначение.

Посмотрим, что говорится в ПУЭ о сечении проводов для заземления. ПУЭ глава 7.1.45 Сечение проводов для заземления в однофазных сетях выбирается равное сечению фазных проводов, если сечение фазовых проводов меньше 16 мм².

Т. е. если на розетку заведен кабель сечением 2,5 мм², то и на защитное заземление нужно заводить провод сечением 2,5 мм². Это когда провод заземления имеет изоляцию, если используется голый провод без механической защиты, то он должен иметь сечение 4 мм².

Когда на вводе в дом используются фазовые медные провода сечением 6 мм ², то и сечение медных многожильных проводников заземления должны быть не менее 6 мм².

10.2. Основные принципы выполнения заземления и прокладки кабелей

Правила выполнения заземления и прокладки кабелей. Во всех последую­щих разделах, посвященных выполнению заземления и прокладки кабелей, будут использоваться основные принципы, изло­женные в гл. 2, 4, 7. Приведем основные положения:

  • цепи заземления должны иметь, по возможности, больше взаимных связей. За исключением некоторых ситуаций следует без колебаний увеличивать число связей оборудования с заземляющим устройством, а не увеличивать их сечение;

  • следует уменьшать площадь петли электрических (и электронных) цепей. По возможности для цепей, присоединенных к одному оборудованию, следует использо­вать один путь прокладки кабелей. Всегда в качестве прямого и обратных проводов сле­дует использовать жилы одного и того же кабеля. Следует избегать соединения более чем одной точки сигнальной цепи с землей (за исключением некоторых ВЧ-связей коаксиальными кабелями или в случае небольших цепей, построенных на качест­венно выполненной эквипотенциальной плоскости нулевого потенциала);

  • следует располагать все части (зазем­ленных) сигнальных цепей по возможности ближе к заземляющим проводникам с целью улучшения коэффициента ослабле­ния и уменьшения передаточных сопротив­лений;

  • не следует располагать в непосред­ственной близости цепи (заземления или сигнальные цепи), по которым передаются (или могут передаваться) токи или напряже­ния, сильно различающиеся по амплитуде.

Некоторые изложенные требования, могут иногда оказаться противоречащими Друг другу, особенно когда речь идет о сети заземления, по которой возможно проте­кание больших токов, например токов молнии.

С одной стороны, электрические цепи должны располагаться на определенном расстоянии от подобных заземляющих про­водников. С другой стороны, кабели сле­дует располагать максимально близко к заземляющим проводникам.

Причиной обоих этих требований явля­ется общий принцип уменьшения общего для двух цепей магнитного потока (рис. 10.3).

Противоречивыми также являются тре­бования располагать сигнальные цепи по возможности ближе к заземленным провод­никам и удалять сигнальные цепи от цепей, по которым передаются или могут переда­ваться токи или напряжения большой амп­литуды (уменьшение связи через общее сопротивление).

Компромисс между требованиями может быть достигнут посредством прокладки множества заземляющих проводников в целях уменьшения тока, протекающего по каждому отдельному проводнику, и обеспе­чения пути с низким сопротивлением для протекания наибольших токов.

На рис. 10.4, а, б данные основные пра­вила проиллюстрированы более подробно; на них приведены схемы для сравнения шести различных способов связи провод­ника тока молнии (например, приемное устройство антенны), идущего к заземляю­щему устройству электрической цепи.

На рис. 10.4, а цепь представляет собой вертикальную квадратную петлю, имею­щую относительно большую площадь:

  • 1 — часть петли располагается вблизи заземляющего проводника;

  • 2 — 2/3 тока молнии отводится непосредственно в землю;

  • 3 — ток молнии / протекает на рас­стоянии от сигнальной цепи.

При сравнении этих трех случаев видно, что уровень помех в системе, изоб­раженной на рис. 10.4, а (1) наибольший, а на рис. 10.4, a (3) — наименьший. Под­тверждение этого факта можно найти на рис. 4.6, где показаны форма и амплитуда токов измеренных импульсов и наведенных напряжений.

Рис. 10.3. Индуктивная связь между заземленным проводником, по которому протекает большой ток , и чувствительной цепью,J или ,:

Однако выгода прокладки всей цепи вблизи заземленных проводников стано­вится более очевидной.

На рис. 10.4, а (4) протекающий в зазем­ляющее устройство цепи ток молнии не создает никаких помех в петле, поскольку ток, разделенный на две части, может соз­давать в квадратной (или любой прямо­угольной) петле магнитные потоки одина­ковой амплитуды, но разного направления. На этом рисунке условно показано, что ток, протекающий по правой стороне заземлен­ной цепи в 2 раза больше тока, протекаю­щего по левой стороне, а длина его пути в полтора раза меньше. Следует отметить, что в данной ситуации, а также в боль­шинстве других практических ситуации, ток делится на части, обратно пропор­циональные длинам соответствующих про­водников (при этом делается допущение о приблизительно одинаковом поперечном сечении проводников). При неравенстве токов, а также вследствие наличия на рис. 10.4, а (4) горизонтального участка а ком­пенсация магнитного потока будет непол­ной, и в петле будет индуктироваться напряжение .

Схемы на рис. 10.4, а (5) и 10.4, а (6) менее предпочтительны для данной конк­ретной конфигурации, так как часть тока, попадающего непосредственно в заземлитель, образует петлю, магнитный поток которой не может быть скомпенсирован.

Очевидно, что показанные на рис. 10.4, а расположения цепей редко встречаются в действительности.

Рис. 10.4. Индуктивная связь между устройством молниезащиты:

а – чувствительной к помехам цепью; б – заземленной цепью через общее сопротивление с устройством молниезащиты

Наиболее общая ситуация расположе­ния приведена на рис. 10.4, б, где показано синфазное напряжение, появляющееся на одном конце цепи при заземлении другого ее конца.

Здесь важная часть цепи была наме­ренно установлена в непосредственном контакте с вертикальным заземляющим проводником, по которому может протекать весь ток или часть тока молнии.

В действительности на большинстве приведенных на рис. 10.4, б схем приемная цепь имеет общее сопротивление с провод­ником для тока молнии, и, следовательно, располагается очень близко к нему. Однако значения наведенных напряжений могут быть близкими к значениям напряжений, показанным на рис. 10.4, а.

а) б)

Рис. 10.5. Осциллограммы токов и напряжений в цепях, изображенных на рис. 10.4, а, б

Примеры осциллограмм токов и напря­жении в схемах, показанных на рис. 10.4, а, б приведены на рис. 10.5 (масштаб времени — 0,5 мкс/дел.).

Из изложенного материала можно сде­лать следующий вывод. Если существует возможность избежать протекания боль­ших токов в проводниках системы заземле­ния, то ей следует воспользоваться. Иногда это невозможно, например при ударе мол­нии в антенну. В этих случаях приемлемым решением является создание для тока наи­лучшего (обладающего наименьшим сопро­тивлением) пути в землю

С учетом этого всегда применяется принцип прокладки чувствительных цепей вблизи заземленных элементов. Если существуют сомнения по поводу отсут­ствия сильных токов в заземленных эле­ментах, рекомендуется прокладка цепей в индивидуальных экранах или трубах.

Применение параллельных заземлен­ных проводов. Большое значение имеет передаточное сопротивление между элект­рической цепью и заземленным проводом, включенным параллельно ей специально для снижения уровня помех.

Действие такого провода направлено на снижение уровня наведенного на кабель синфазного напряжения. Это снижение определяется передаточным сопротивле­нием провода по отношению к кабелю. Высокочастотная составляющая сопротив­ления сильно зависит от формы провода, и мало от площади поперечного сечения или свойств материала. На обоих концах про­вод следует подсоединять к тем заземлен­ным элементам корпусов оборудования, которые имеют похожее передаточное сопротивление (примерно одинаковую с проводником форму).

На рис. 10.6 показаны примеры взаим­ного расположения параллельных зазем­ленных проводов 1 и основного заземляю­щего провода 2.

Пример применения металлических труб в качестве параллельных заземленных проводников приведен на рис. 10.7. Такие решения могут быть реализованы на объек­тах энергетики, состояние заземляющего устройства которых вызывают сомнения.

Заметный эффект экранирования, дос­тигаемый за счет прокладки проводов вблизи экранированного кабеля, зависит от относительного распределения токов помехи в обеих цепях. Для простого зазем­ленного провода это распределение прак­тически обратно пропорционально сопро­тивлениям обеих цепей. Это означает, что для эффективного действия эквивалентное поперечное сечение провода всегда должно быть больше общего сечения экранов всех кабелей. При этом необходимо учитывать поверхностный эффект.

По этой же причине лучше использо­вать большое число относительно тонких проводников вместо одного с равной пло­щадью поперечного сечения.

Также очень важно отметить, что когда заземляющий провод оборудования (или экран кабеля) не располагается вблизи параллельного защитного провода, токи помехи разделятся между этим проводом и другими заземляющими проводами в соот­ветствии с их индуктивностями. Отсюда следует, что соответствующие им площади поперечного сечения играют второстепен­ную роль, по крайней мере, на высоких частотах.

Другой важной особенностью парал­лельных заземляющих проводов является способность выполнять роль внешнего экрана триаксиального кабеля, внутренний экран которого в силу различных причин не может быть заземлен с обеих сторон.

а) б) в) г)

Рис. 10.6. Различные виды расположения параллельного заземленного провода 1 и основного заземляющего провода 2 в порядке увеличения эффективности действия:

а — рядом с проводом защитного заземления; б — многожильный заземленный проводник, проложенный в траншее или рядом с экраном другой цепи; в — в кабельном лотке; г — в металлической трубе

Рис. 10.7. Применение металлических труб в качестве параллельных заземленных проводников

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *