Заземляющие устройства (ЗУ) являются одним из наиболее распространённых защитных средств и используются не только для обеспечения электробезопасности и нормального режима работы электроустановки, но и при защите от атмосферных и коммутационных перенапряжений, а также, в ряде случаев, для обеспечения электромагнитной совместимости. Система заземления используется также во вторичных цепях трансформаторов тока и напряжения для целей релейной защиты и автоматики. Так же защитное заземление предназначено для защиты людей от поражения электрическим поражающим током при косвенном прикосновении с открытыми проводящими частями электроустановки и сторонними проводящими частями, не являющимися частями электроустановки (например, металлоконструкции здания, металлические газовые сети, водопровод, трубы отопления и т.п. и неэлектрические аппараты, полы и стены из неизоляционного материала), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.
Сопротивление заземления и сопротивление грунта
Защитное заземление представляет собой преднамеренное электрическое соединение с землей или её эквивалентом, например, с неизолированным от земли водоемом (в дальнейшее - землей), открытых проводящих частей электроустановки и сторонних проводящих частей, не являющихся частями электроустановки (в дальнейшем – открытых проводящих частей), которые могут оказаться под напряжением в случае повреждения.
Заземлитель - проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду
Качество контакта с землей напрямую влияет на эффективность заземлителя, которая, в свою очередь, зависит от удельного электрического сопротивления окружающего грунта. Удельное сопротивление грунта - это главный параметр, который влияет на конструкцию заземляющего устройства: количество и длину заземляющих электродов. Физически оно равняется электрическому сопротивлению, которое грунт оказывает току при прохождении им расстояния между противоположными гранями условного куба объёмом 1 куб. м.; размерность Ом*м. Удельное сопротивление зависит от многих факторов: состава и структуры грунта, его плотности, влажности, температуры, наличия примесей – солей, кислот, щелочей. Все эти параметры изменяются в течение года, поэтому соответствующим образом меняется и сопротивление грунта. Данный факт нужно учитывать при проведении замеров, расчётов, а также при измерении сопротивления растеканию смонтированного заземляющего устройства. Для заземлителей существует еще один значимый фактор - переходное электрическое сопротивление электрод - грунт. Данная характеристика важна, так как это показатель эффективности заземлителя, как в составе молниезащиты зданий и оборудования, так и функционального заземления (например, телекоммуникационного оборудования), а также защитного (рабочего, рабоче-защитного, линейно-защитного) заземления.
Такие объекты, как жилой дом и линия электропередачи не требуют столь низкого сопротивления заземления, как, например, подстанции и сооружения с большим объёмом информационного и коммуникационного оборудования: ЦОД, медицинские центры и объекты связи. Чем сложнее оборудование, тем более чувствительным оно оказывается к внешним электрическим воздействиям. В связи с этим возрастают требования и к заземлению. Более низкое сопротивление заземляющего устройства можно обеспечить растеканием тока с большего количества электродов, при том что высокое сопротивления грунта приводит к ещё большему увеличению габаритов заземлителя.
Норма сопротивления заземляющего устройства определяется ПУЭ 7 изд. раздел 1.7. - для электроустановок разных классов напряжения, пункты 2.5.116-2.5.134 - для линий электропередачи, а также другими отраслевыми стандартами и документацией к аппаратам и приборам.
Удельное сопротивление преимущественно зависит от типа грунта. Так, «хорошие» грунты, обладающие низким сопротивлением - это глина, чернозём (80 Ом*м), суглинок (100 Ом*м). Сопротивление песка сильно зависит от содержания влаги и колеблется от 10 до 4000 Ом*м. У каменистых грунтов оно легко может достигать нескольких тысяч Ом*м: у щебенистых — 3000-5000 Ом*м, а у гранита и других горных пород — 20000 Ом*м.
Решения по достижению необходимого сопротивления
Для достижения нормативных значений контура заземления в настоящее время используется множество способов.
Традиционные способы
В хороших грунтах, как правило, устанавливается традиционное заземляющее устройство, состоящее из горизонтальных и вертикальных электродов. Использование вертикальных электродов (штыревые заземлители) несет важное преимущество. С увеличением глубины удельное сопротивление грунта «стабилизируется». В глубинных слоях оно в меньшей степени зависит от сезонных изменений, а также, благодаря повышенному содержанию влаги, имеет более низкое сопротивление. Такая особенность очень часто позволяет значительно снизить сопротивление заземляющего устройства. Горизонтальные электроды применяются для соединения вертикальных, также они способствуют ещё большему снижению сопротивления. Но могут использоваться и в качестве самостоятельного решения, когда монтаж вертикальных штырей сопряжен с трудностями, либо когда необходимо организовать заземляющее устройство определенного типа, например, сетку.
Нестандартные способы
В условиях высокоомных грунтов (каменистость, центральные улицы крупных городов, сверхплотное многоуровневое строительство) монтаж традиционного заземления сопряжен с рядом проблем, начиная сложностью монтажа из-за специфики местности и строительства, заканчивая огромными размерами заземляющего устройства (соответственно - большими объемами строительных работ), необходимыми для соответствия его сопротивления нормам.
Чтобы решить эти проблемы, специалисты часто прибегают к следующим мерам:
- Замена необходимых объёмов на грунт с низким удельным сопротивлением (несет ограниченную пользу). Объемы такого грунта часто очень велики, и не всегда приводят к ожидаемым результатам, т.к. зона действия заземлителя вглубь практически равна его горизонтальным размерам, поэтому влияние верхнего слоя может быть незначительным.- Организация выносного заземлителя в очагах с низким удельным сопротивлением, что позволяет установить заземлитель на удалении до 2 км.
- Применение специальных химических веществ – солей и электролитов, которые снижают удельное сопротивление грунта. Данное мероприятие необходимо проводить раз в несколько лет из-за процесса вымывания.
Одним из наиболее предпочтительных решений в тяжелых условиях является электролитическое заземление, оно сочетает химическое воздействие на грунт (снижение его удельного сопротивления) и замену грунта (уменьшение влияния промерзания). Электролитический электрод наполнен смесью минеральных солей, которые равномерно распределяются в рабочей области и снижают её удельное сопротивление. Данный процесс стабилизируется с помощью около электродного заполнителя, который делает процесс выщелачивания солей равномерным. Применение электролитического заземления позволяет избежать проблем организации традиционного заземляющего устройства, значительно уменьшает количество оборудования, габариты заземлителя и объёмы земляных работ.
Заключение
При проектировании заземляющего устройства необходимо иметь достоверные данные об удельном сопротивлении грунта на месте строительства. Точную информацию можно получить только с помощью изысканий и измерений на местности, но по разным причинам бывает, что возможности их провести нет. В таком случае можно воспользоваться справочными таблицами, но стоит принять во внимание, что расчёт будет носить ориентировочный характер.
Независимо от того, каким образом получены значения удельного сопротивления, нужно внимательно рассматривать все влияющие факторы. Важно учесть пределы, в которых удельное сопротивление может меняться, чтобы сопротивление заземляющего устройства никогда не превышало норму.
Библиографический список:
1. Правила устройств электроустановок: ПУЭ -7, М-во энергетики РФ – 7-е изд. – М.: Энергосервис
2. Бургсдорф В.В. и Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1987.
3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: Энергоатомиздат, 1984.
4. Колечицкий Е.С. Основы расчета заземляющих устройств: Учебное пособие – М.: Издательство МЭИ, 2001.
5. Целебровский Ю.В. Заземляющие устройства электроустановок высокого напряжения. Новосибирск, Изд-во НЭТИ, 1987.
6. Карякин Р.Н. Заземляющие устройства электроустановок. Справочник. –М.: ЗАО «Знергосервис», 1998.
7. Базуткин В.В., Ларионов В.П., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений: Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986.
8. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и
промышленных коммуникаций / СО 153-34.21.122-2003. – М.: МЭРФ. 2004.
Статью подготовил:
Начальник Отдела обследования инженерных сетей
ГБУ "ЦЭИИС" А.А. Сорокин.