Заземление – одна из основных мер предосторожности при использовании электроприборов. Если внутренняя изоляция изношена, внешний корпус оборудования может быть под напряжением, и при прикосновении может произойти поражение электрическим током. Именно для предотвращения таких аварий и организована установка заземления. А чтобы защитная конструкция была максимально эффективной, необходимо провести расчет заземления, который может отличаться в зависимости от многих исходных факторов.
Виды заземляющих конструкций
Для организации заземления используются токопроводящие жилы металлических конструкций различной формы (балка, труба, уголок и так далее). Эти базовые элементы могут использоваться в одной из трех основных систем:
- С использованием одиночного глубинного заземляющего электрода;
- Монтаж сложной модульной конструкции;
- Организация электролитического заземления.
Независимо от типа выбранной конструкции ее сопротивление должно укладываться в определенные рамки. Для трехфазной сети на 380 вольт сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. Самая распространенная однофазная сеть 220 Вольт потребует не более 8 Ом. К тому же предварительные расчеты позволяют заранее определить количество необходимых материалов, что позволяет существенно сэкономить.
Формула для расчета одиночного заземляющего электрода
Существует ряд факторов, влияющих на конечный результат расчета конструкции заземления, а именно:
- Форма электродных элементов (немного изменена);
- Используемые материалы (тип металла имеет решающее значение, но параметры электролита также могут иметь значение);
- Расстояние между элементами – электродами;
- Глубина погружения устанавливаемого контура.
Следует отметить, что для получения системы с сопротивлением 4-8 Ом используемые металлические элементы должны иметь некоторые минимальные параметры:
- Уголок – высота 4 мм
- Плоский брус – ширина 12 мм, высота 4 мм;
- Полюс – диаметр не менее 10 мм;
- Труба – не менее 3,5 мм.
Расчет защитного заземления можно произвести с помощью специализированного программного обеспечения или онлайн-калькуляторов. Но для их правильного использования необходимо знать общую формулу, по которой производятся вычисления, и значения всех переменных. Традиционно в рассматриваемой формуле используются следующие обозначения:
- L – длина заземляющего элемента-заземляющего электрода (м);
- R – расчетное заземление (Ом);
- d – диаметр элемента (м);
- ρ – сопротивление грунта (Ом × м). См. Таблицу.
- Т – глубина: расстояние от центра каждого заземляющего элемента до поверхности земли (м);
- – число Пи (3,14)
Расчет этого типа контура заземления проводится по следующей формуле:
Все перечисленные значения измерить несложно, кроме, пожалуй, параметра ρ. Вы можете выполнить эту процедуру самостоятельно с помощью омметра, но нужно понимать, что полученные данные могут существенно измениться при изменении температуры, влажности и других параметров окружающей среды. Поэтому использовать усредненные табличные данные будет намного удобнее:
| Тип местности | Параметр сопротивления грунта в диапазоне от -5 до -20 ° С |
| Песок | 5000-11000 |
| Песчаная почва | 1100-1500 |
| Мокрая глина | 550–3000 |
| Каменная глина | 1000–12000 |
| Известняк | 3000-12500 |
| Торф | 500–1000 |
| Верхний слой почвы | 1200-3500 |
Формула для расчета системы заземления
Для получения оптимального значения сопротивления создаваемой конструкции отдельные заземляющие электроды можно расположить в ряд или образовать из них замкнутый контур (круг, прямоугольник или любую другую фигуру). Для расчета такого заземления в приведенную выше формулу будут включены дополнительные параметры:
- R – сопротивление, рассчитанное по основной формуле (Ом);
- R1 – необходимое сопротивление (Ом);
- N – количество элементов системы заземления;
- Ki – коэффициент использования.
О последнем параметре стоит рассказать подробнее. Вокруг каждого электрода, используемого для заземления электрического тока, можно представить воображаемую зону, в которой его эффективность достигает 90%. Он образован всеми точками, удаленными от поверхности электрода на расстояние, равное его длине. При расчете заземления необходимо избегать пересечения этих зон, что позволяет добиться максимальной эффективности сформированной системы.
Для расчетов удобнее использовать табличные значения, полученные в результате практического применения формулы.
| Система заземления при последовательном размещении электродов | ||
| Расстояние между электродами (где L – длина используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Скорость использования |
| L | 5 | 0,7 |
| L | 10 | 0,6 |
| L | 15 | 0,53 |
| L | ветры | 0,5 |
| 2L | 5 | 0,81 |
| 2L | 10 | 0,75 |
| 2L | 15 | 0,7 |
| 2L | ветры | 0,67 |
| Система заземления при размещении электродов в замкнутом контуре | ||
| Расстояние между электродами (где L – длина используемого электрода) | Количество заземляющих элементов в системе | Скорость использования |
| L | 5 | 0,65 |
| L | 10 | 0,55 |
| L | 15 | 0,51 |
| L | ветры | 0,45 |
| 2L | 5 | 0,75 |
| 2L | 10 | 0,69 |
| 2L | 15 | 0,66 |
| 2L | ветры | 0,63 |
Сама формула выглядит так:
Следовательно, если вы сначала рассчитаете переменную и примете ее как константу, с помощью этой формулы вы сможете рассчитать оптимальный набор электродов, необходимых для создания заземляющей конструкции:
При этом следует учитывать, что полученное значение, скорее всего, будет дробным, поэтому его нужно будет округлить в большую сторону.
Формула для расчета электролитического заземления
В упрощенной модели систему электролитического заземления можно описать как металлическую трубку, заполненную электролитическим веществом. Это вещество увеличивает прочность всей конструкции и, прежде всего, способствует сохранению ее параметров с течением времени. Это достигается за счет того, что со временем электролит проникает в почву и накапливается в ней.
Помимо параметров, описанных выше, в формуле для расчета электролитического заземления используется параметр C, который описывает концентрацию электролита в почве. Его допустимые значения могут колебаться от 0,5 до 0,05. Чем дольше рассматриваемая система находится в земле, тем меньше становится значение этого параметра: если в начале установки он был равен 0,5, то через полгода он будет всего 0,125 (но его дальнейшее снижение прекратится).
В этом случае требуемая формула будет такой:
Если в установленной системе несколько электродов электролитического типа, ее сопротивление можно рассчитать по формуле из предыдущего раздела. Единственная разница в том, что коэффициент использования здесь будет немного другим:
| Система заземления при использовании электролитических электродов | |
| Количество электродов | Скорость использования |
| 2 | 1 |
| 5 | 0,99 |
| 10 | 0,93 |
| ветры | 0,8 |
В этой статье мы рассмотрели основные виды электрических заземлений и все формулы, необходимые для их расчета. Очевидно, что все расчеты основаны на расчете одного контура заземления, в то время как два основных типа получаются путем его расширения и уточнения. Стоит еще раз подчеркнуть, что одну из ключевых ролей в организации эффективного заземления играет расстояние между электродами, которое не должно быть меньше их индивидуальной длины. Все перечисленные выше расчеты можно значительно упростить, используя специализированное программное обеспечение или онлайн-инструменты. Имея минимум знаний о том, какие параметры учитываются при расчете заземления, эти утилиты значительно сократят рабочее время, обеспечив при этом достаточно высокую точность.
