Заземляющее устройство из вертикальных штырей и соединительной полосы

Виды заземления

Что такое заземление и для чего нужно; строительство заземляющих устройств с сопутствующими видеороликами, их виды и метод расчёта

 
Краткое содержание статьи:
Файл формата Excel для расчёта сопротивления заземляющего устройства из нескольких горизонтальных штырей, стержней, уголков или труб и горизонтальной соединительной полосы.
 
 

Что такое заземление

Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством (по пункту 1.7.28 седьмого издания «Правил устройства электроустановок»). Ток с заземляющего устройства «стекает» в грунт (земля «впитывает» электрический ток).
Защитное заземление необходимо для протекции людей и животных от поражения током при повреждении изоляции. С этого момента подробнее на конкретном примере:
 
Путь тока
  глухозаземлённая
нейтраль
фазная обмотка
трансформатора подстанции
глухозаземлённая
нейтраль
 
           
      одна из трёх фаз
в домашней розетке
     
               
      при повреждении изоляции
фаза попала на
корпус стиральной машины*
     
             
    есть
заземление
  нет
заземления
   
      ↙                      ↘        
  защитный PE-проводник   тело человека
(случайное
соприкосновение)
тело человека
(случайное
соприкосновение)
   
           
  распределительный
щиток
  для тока
путь не выгодный
из-за высокого
сопротивления
для тока
единственный путь
несмотря
на сопротивление
   
           
  заземляющее
устройство
  через кафель,
бетонный пол,
стену и фундамент
через кафель,
бетонный пол,
стену и фундамент
   
           
  земля   земля земля    
       
* при этом понимаем, что установка устройств защитного отключения (аббревиатура УЗО) – это дополнительная мера для повышения безопасности (по пункту 1.7.51 ПУЭ-7). УЗО работает при наличии и отсутствии заземления, так как измеряет разницу между током протекающем по фазе и нулевому рабочему проводнику. В исправной сети ток протекающий по фазе равен току протекающему по нулевому рабочему проводнику (сколько вошло, столько и ушло). При утечке появляется разница, УЗО её фиксирует и вызывает мгновенное защитное отключение.
 
 

Назначение

Заземление бывает рабочим (функциональным) и защитным. В первом случае заземление необходимо для нормальной работы электроустановки (по пункту 1.7.30), во втором – для обеспечения безопасности (по пункту 1.7.29).
Нам интересно защитное заземление – совокупность работ для:
  • протекции людей и животных от опасных токов, которые могут возникнуть:
    • при механическом или термическом повреждении изоляции;
    • при не верном применении электроустройств;
    • при разряде молнии;
  • защиты точной аппаратуры от электромагнитных помех, которые могут возникнуть:
    • при переключении мощных потребителей на стороне источника;
    • при работе соседнего оборудования.
Защитное заземление включает в состав:
  • системы молниезащиты;
  • системы защиты от импульсных перенапряжений;
  • системы электроснабжения.
 
 

Система молниезащиты

Схематическое изображение системы молниезащитыМолния – это электрический разряд между грозовой тучей и землёй. Воздушное пространство имеет высокое сопротивление (диэлектрик). Из-за высокого напряжения разряд вынужден преодолеть расстояние через воздух с учётом: кратчайшего пути (возвышающиеся элементы зданий, деревья) сквозь участки низкого сопротивления (взвешенные капли воды, мокрая кора дерева, водосточные трубы).
 
Молниезащита имеет приёмник и проводники (молниеотводы), через которые разряд «сбрасывается» на заземлитель, а там «стекает» в грунт. Молния делает нужный нам выбор, благодаря низкому сопротивлению промежуточных проводников от приёмника к электродам и заземляющего устройства в целом. При этом токи не распространяются вглубь здания, не причиняя вреда людям и оборудованию.
 
 

Система защиты от импульсных перенапряжений

Такая система включает в себя устройство защиты от импульсных перенапряжений (аббревиатура УЗИП), которое реагирует на прямой либо косвенный грозовой разряд, а также на перенапряжения связанные с коммутацией мощных энергопотребителей. Кратковременные броски напряжения могут привести к пробою изоляции и короткому замыканию.
Один контактный вывод УЗИП подключается к фазе, а второй контактный вывод к заземляющему устройству, при превышении заданного порога происходит пробой внутри устройства, за счёт которого снимается перенапряжение. Здесь также необходимо заземление, так как оно обеспечивает нулевой потенциал на контактном выводе.
 
 

Система электроснабжения

Следующий пример эксплуатации заземления для безопасности человека в случае утечки тока на элементы, которые в нормальном режиме его не проводят.
 
Например, это корпус стиральной машины, распределительного щита либо другого устройства. Человек при касании (через своё тело) создаёт новую электрическую цепь. Протекающий ток опасен параличём дыхания, повреждениями внутренних органов, вплоть до остановки сердца (в зависимости от силы тока и времени его воздействия).
Для предотвращения таких последствий применяется соединение корпусов с заземлителем и установка устройств защитного отключения (аббревиатура УЗО), которые срабатывают в течение 40 мс.
 
 

Качество заземления, нормы и расчёт сопротивления

 

Качественный показатель заземления – его электрическое сопротивление

Чем ниже значение сопротивления, тем легче току уйти в землю. В идеале оно равняется нулю, в реальности имеет конкретное значение.
 
На электрическое сопротивление заземлителя наибольшее влияние оказывают два фактора:
  • общая площадь контакта электродов с грунтом;
  • удельное электрическое сопротивление грунта.
 
С возрастанием площади контакта увеличивается способность проведения тока в землю. Для увеличения площади забивают большее количество электродов с большими габаритами.
Например, с возрастанием суммарной площади траков танка (составляющие гусеницы) снижается удельное давление на грунт (масса в несколько десятков тонн распределяется по выделенной площади). Таким же образом ток распределяется по выделенной площади и чем она выше, тем меньшее количество электронов «претендует» на пересечение границы между электродом и землёй в точечном месте.
 
Со снижением удельного сопротивления грунта (обозначается ρ), увеличивается способность «принять» поступивший ток.
В течение года сопротивление меняется – резкие колебания наблюдают зимой (при промерзании) и летом (при высыхании). В зимнее время при снижении температуры от 0°С до -10°С сопротивление на глубине 0.3 метра повышается в 10 раз, на глубине 0.5 метра – в 3 раза (пункт 2.4 источника 2). В северных районах (например, в Сибири) на глубине более 0.8 метра температура положительная (в южных районах – с 0.1-0.5 метра, например территория Украины), поэтому заземлители закладывают на глубине 0.5-0.8 метра.
 
Сопротивление грунта измеряют, если такой возможности нет (исключительные случаи), то расчётное значение принимают равным ρ = 1.75·ρср (пункт 2.8 источника 2).
В таблице приведены ориентировочные усреднённые значения удельного сопротивления различных грунтов:
 
Руды и различные виды почвы ρср, Ом·м
галенит (свинцовая руда) 0.01
серный и медный колчедан 0.1
магнитный железняк 1.0
кокс измельчённый и прессованный 2.5
торф 25
чернозём, садовая земля 30-50
глина 10-60
пахотная земля с глиной 50
суглинок (содержит глину и песок) 80
смешанный грунт, бетон во влажной почве 100
каменный уголь 130
пористый известняк 180
дно реки 200
сухой лёсс (светло-жёлтая рыхлая почва с пылью) 250
супесок речной, влажный, грязный лёд 300
каменный уголь 350
песок влажный 100-500
песок сухой, песчаник 1000-2500
гранит 1100
гравий, щебень 2000
плотный известняк 3000
каменистая почва, сухой бетон 4000
кварц 15000
Воспроизведение таблицы 2.3 на странице 13 источника 2 с дополнениями.
 
Удельное сопротивление грунта меняется в зависимости от содержания влаги, температуры окружающей среды, содержания солей.
 
Содержание влаги, в % от массы 2.5 5.0 7.5 10 15 20 25 30
ρ, Ом·м 2500 1650 1000 530 190 120 85 64
На основании этой таблицы сделаем вывод – при погружении электрода в грунт на глубину свыше 5 метров, сопротивление земли снижается из-за появления грунтовых вод и роста плотности.
 
Температура при влажности 15%, °С +20 +10 0 (вода) 0 (лёд) -5 -15
ρ, Ом·м 72 99 138 300 790 3300
 
Содержание соли
при влажности 15% и температуре +17°С, %
0 0.1 1 5 10 20
ρ, Ом·м 107 18 4.6 1.9 1.3 1.0
При превышении отметки в 5% насыщение грунта солью (NaCl) становится не целесообразным.
 
 

Нормы сопротивления заземляющего устройства

 
Объект Сопротивление
заземляющего устройства R,
не более Ом
Источник –
пункт ПУЭ-7
электроустановки на напряжение более 1 кВ
в сетях с эффективно заземлённой нейтралью
0.5 1.7.90
генераторы или трансформаторы на напряжение до 1 кВ
в сетях с глухозаземлённой нейтралью (система TN)
при линейном напряжении (межфазное выше в 1.732 раза), вольт
660 2 1.7.101
380 4
220 8
повторные заземляющие устройства на напряжение до 1 кВ
в сетях с глухозаземлённой нейтралью (например, система TN-C-S)
при линейном напряжении (межфазное выше в 1.732 раза), вольт*
660 15 1.7.103
380 30
220 60
заземляющие устройства на напряжение до 1 кВ
в сетях с глухозаземлённой нейтралью (например, система TT,
когда открытые части заземлены при помощи заземляющего устройства,
электрически независимого от глухозаземлённой нейтрали источника), в которых
установлено вводное УЗО с дифтоком Iдиф, А**
0.030 1666 1.7.59
0.100 500

* данный пункт относится к повторным заземлителям частных домов, коттеджей, указанные нормы допускается увеличивать в 0.01·ρ раз в случае, если удельное сопротивление грунта ρ > 100 Ом·м (но не более чем в 10 раз);
** данный пункт относится к заземлителям частных домов, коттеджей, которые электрически независимы от глухозаземлённой нейтрали источника. Значения определены их формулы R = 50В / Iдиф, где 50В – безопасное сверхнизкое напряжение.
 
 

Расчёт сопротивления заземляющего устройства

На этапе проектирования число и геометрию электродов «прикидывают» по расчётным формулам. После строительства заземляющего устройства его сопротивление оказывается ниже расчётного, что лучше чем наоборот. Неточности расчётов прежде всего связаны с неоднородностью почвы в трёхмерном пространстве – электроды равные по геометрии и глубине проникновения имеют разное фактическое сопротивление. Это вызвано разным содержанием химических веществ, солей, влаги не только с изменением глубины, но и с изменением местоположения на поверхности.
Для более точных расчётов нужно брать пробы грунта, проектировать трёхмерную карту, что является дорогостоящими процедурами. Дешевле сделать с «запасом» чем скрупулёзно рассчитать (условно – вбить 30 уголков или штырей, вместо 27, которые получаться при основательных исчислениях).
 
Общее сопротивление складывается из сопротивления:
  • нескольких одиночных вертикальных стержней, труб или уголков;
  • соединительной полосы или стержня.
Автоматический расчёт с учётом удельного сопротивления грунта и геометрии электродов по представленным ниже формулам в файле формата Excel.
 
 
формула для расчёта сопротивления одиночного вертикального электрода (по пункту 2.9 источника 2):
Формула расчёта электрического сопротивления вертикального электрода заземляющего устройства
 
При увеличении диаметра трубы или стержня более 50 мм = 0.05 м сопротивление электрода снижается незначительно. Поэтому его снижение с помощью увеличения диаметра нецелесообразно (смотрите зависимости ниже). Аналогичный вывод сделаем для уголка (по пункту 2.12 источника 2).
 
Зависимость сопротивления вертикального трубчатого электрода от его диаметра, длины и удельного сопротивления грунтаНа кликабельном рисунке слева (воспроизведение рис. 2.3 на странице 15 источника 2) показана зависимость сопротивления трубчатого электрода (вертикальные оси слева) в зависимости от его длины l (горизонтальная ось справа), диаметра (подписаны четыре графика) и удельного сопротивления грунта ρ (горизонтальная ось слева) при его закапывании на глубину 0.7 метра.
Например (показано зелёными стрелками), при длине трубы l = 2.3 м, её диаметре d = 5 см, а также удельном сопротивлении суглинка ρ = 80 Ом·м сопротивление трубчатого электрода составит 28-30 Ом.
 
 
Формула для расчёта сопротивления горизонтальной соединительной полосы (по пункту 2.14 источника 2):
Формула расчёта электрического сопротивления горизонтального соединительного электрода заземляющего устройства
 
Соединительную полосу выбирают шириной 20-40 мм и закладывают на глубине 0.5-0.7 метра.
 
 
Формула расчёта общего сопротивления заземляющего устройства (по пункту 2.21 источника 2):
Формула для расчёта общего сопротивления заземляющего устройства, которое складывается из нескольких вертикальных электродов и соединительной полосы
 
Коэффициенты промерзания грунта, которые учитывают сезонные колебания температуры земли, определяем по таблице:
 
Климатическая
зона
Средняя низшая температура
за январь, °C
Средняя высшая температура
за июль, °C
Среднегодовое
количество осадков, см
Продолжительность
замерзания воды, дни
Коэффициент промерзания
k1 k2
1 от -20 до -15 от +16 до +18 ≈40 190-170 1.9 5.6
2 от -14 до -10 от +18 до +22 ≈50 ≈150 1.7 4.0
3 от -10 до 0 от +22 до +24 ≈50 ≈100 1.5 2.2
4 от 0 до +5 от +24 до +26 от 30 до 50 0 1.3 1.8
где k1 – для стержневых вертикальных электродов длиной 2-3 м с глубиной закладки 0.5-0.8 м;
 k2 – для протяжённых горизонтальных электродов с глубиной закладки 0.8 м.
 
Для получения требуемого сопротивление заземляющее устройство делают многоэлектродным, в нём присутствует несколько вертикальных стержней, труб или уголков. Ввиду взаимного влияния единичных электродов друг на друга вводят понижающие коэффициенты, которые учитывают эффект экранирования («затенения»). Экранирование сказывается тем больше, чем ближе вбиты вертикальные электроды друг относительно друга (в таблице это расстояние принимается кратным длине электрода). Причём коэффициенты для контурного расположения ниже коэффициентов для рядного расположения (в этом можно убедится сравнив соответствующие значения в таблицах ниже).
 
Коэффициент использования вертикальных электродов η1, выстроенных в ряд
Число стержней (труб, уголков) n Отношение расстояния между стержнями (трубами, уголками) к их длине a/L
1 2 3
2 0.84-0.87 0.90-0.92 0.93-0.95
3 0.76-0.80 0.85-0.88 0.90-0.92
5 0.67-0.72 0.79-0.83 0.85-0.88
10 0.56-0.62 0.72-0.77 0.79-0.83
15 0.51-0.56 0.66-0.73 0.76-0.80
20 0.47-0.52 0.65-0.70 0.74-0.79
 
Коэффициент использования вертикальных электродов η1, выстроенных по контуру
Число стержней (труб, уголков) n Отношение расстояния между стержнями (трубами, уголками) к их длине a/L
1 2 3
4 0.66-0.72 0.76-0.80 0.84-0.86
6 0.58-0.65 0.71-0.75 0.78-0.82
10 0.52-0.58 0.66-0.71 0.74-0.78
20 0.44-0.50 0.61-0.66 0.68-0.73
40 0.38-0.44 0.55-0.61 0.64-0.69
60 0.36-0.42 0.52-0.58 0.62-0.67
100 0.33-0.39 0.49-0.55 0.59-0.65

Коэффициенты использования соединительной полосы η2 при числе стержней (труб, уголков), выстроенных в ряд
Отношение расстояния
между стержнями (трубами, уголками)
к их длине a/L
4 5 8 10 20 30 50 65
1 0.77 0.74 0.67 0.62 0.42 0.31 0.21 0.20
2 0.89 0.86 0.79 0.75 0.56 0.46 0.36 0.34
3 0.92 0.90 0.85 0.82 0.68 0.58 0.49 0.47
 
Коэффициенты использования соединительной полосы η2 при числе стержней (труб, уголков), выстроенных по контуру
Отношение расстояния
между стержнями (трубами, уголками)
к их длине a/L
4 5 8 10 20 30 50 70 100
1 0.45 0.40 0.36 0.34 0.27 0.24 0.21 0.20 0.19
2 0.55 0.48 0.43 0.40 0.32 0.30 0.28 0.26 0.24
3 0.70 0.64 0.60 0.56 0.45 0.41 0.37 0.35 0.33
Четыре представленные таблице соответствуют таблицам 2.4; 2.5; 2.7 и 2.8 источника 2 соответственно.
 
Пример расчёта
Почва, в которой расположен заземлитель – суглинок со средним удельным сопротивлением ρ = 80 Ом·м.
Глубина закладки h = 0.7 м.
Условно забиваем стержни длиной L1 = 2 м и диаметром d = 0.05 м в количестве n = 10 штук.
Соединяем их между собой полосой общей длиной L2 = 18 м и шириной b = 0.04 м.
При отношении расстояния между стержнями к их длине а/L1 = 1 (то есть а = L1 = 2 м):
  • коэффициент использования вертикальных электродов η1 = 0.56-0.62 при расположении в ряд (выберем η1 = 0.56);
  • коэффициент использования соединительной полосы η2 = 0.62 при расположении в ряд.
Коэффициенты промерзания для низшей температуры в январь от -14°С до -10°С:
  • k1 = 1.7;
  • k2 = 4.0.
Подставив указанные значения в формулы (они же введены в таблицу формата Excel) получаем:
  • R1 = 102.05 Ом – сопротивление одного вертикального стержня;
  • R2 = 50.34 Ом – сопротивление соединительной полосы;
  • R = 14.88 Ом – общее сопротивление заземляющего устройства (10 двухметровых вбитых стержней на расстоянии 2 метра друг от друга + 18-метровая соединительная полоса).

Общие принципы получения минимального сопротивления:
  • не эффективно использовать вертикальные электроды диаметром или шириной более 50 мм;
  • если получиться «добраться» до глубины более 5 метров, то из-за высокой влажности глубинных слоёв расчётное сопротивление окажется завышенным;
  • рядный заземлитель эффективнее контурного (по периметру здания), станет ясным после сравнения коэффициентов экранирования;
  • чем больше расстояние между соседними вертикальными электродами, тем лучше (также из-за коэффициента «затенения»);
 
 

Строительство устройств заземления

 
Методы строительства устройств заземления (от простого к сложному):
Несколько вертикальных электродов и соединительная полосаПервый метод.
 
Несколько вертикальных
3-4 метровых электродов
(трубы, штыри, стержни, уголки)
+ горизонтальная соединительная полоса
Один длинный вертикальный электрод и соединительная полосаВторой метод.
 
Один длинный вертикальный
электрод (труба)
длиной до 30-40 метров
Несколько вертикальных электродов в засыпанном грунте либо засоленной почвеЧетвёртый метод.
 
Несколько вертикальных
3-4 метровых электродов,
которые заложены в подсыпной грунт
либо одновременно засоленный грунт
Модульный метод соединения нескольких штырей в общий электродТретий метод.
 
Вертикальный электрод
поэтапно собирается при заглублении
из 1.5-2.0 метровых частей
 
Достоинства и недостатки методов
Первый метод.
Плюсы:
  • дешёвые и доступные материалы,
  • простота монтажа.
Минусы:
  • тяжёлый ручной труд;
  • большая занимаемая площадь;
  • ограниченность ресурса (5-15 лет);
  • относительно большое сопротивление
Второй метод.
Плюсы:
  • минимальная площадь;
  • низкое сопротивление из-за влажных глубинных слоёв;
  • сопротивление не зависит от времени года.
Минусы:
  • заказ дорогостоящей буровой установки;
  • ограниченность ресурса (5-15 лет).
Четвёртый метод.
Плюсы:
  • низкое сопротивление;
  • меньшее количество вертикальных электродов.
Минусы:
  • за счёт вымывания соли удельное сопротивление грунта возвращается к прежнему уровню за 2-4 года;
  • регулярное добавление соли.
Третий метод.
Плюсы:
  • простота сборки;
  • низкое сопротивление из-за большой глубины;
  • сопротивление не зависит от времени года;
  • минимальные размеры площадки для работы (вплоть до монтажа в условиях подвала).
Минусы:
  • диаметр электрода до 20 мм (нужна протекция от коррозии в виде нанесения цинкового или медного слоя), отсюда недолговечность при окислении всего цинка или механическом повреждении медного защитного слоя;
  • при механической поломке соединяющей муфты потеря забитых электродов.
Если положительные и отрицательные стороны не ясны по таблице, обратитесь к тексту ниже.
 
 

Первый метод «кувалда + уголки» (дёшево и просто)

Вырываем траншею глубиной 0.5-0.8 метра и шириной до 0.5 метра (отдаление от здания на 1 метр). Такая глубина нужна для того, чтобы в зимний период из-за промерзания верхних слоёв удельное сопротивление грунта, а с ним и общее сопротивление заземлителя возрастало, но не на много.
Выносливый монтажник и его сменщик в землю с помощью кувалды забивают чёрный металлопрокат (уголки, стержни или трубы длиной 3-4 метра). Применяем сталь без покраски по пункту 1.7.111 источника 1. Для более лёгкого забивания предварительно затачиваем электроды с помощью болгарки, а также навариваем на нижний конец утолщение (позволяет снизить трение электрода по всей длине, так как утолщённый нижний конец пробивает широкое отверстие). Потребуется деревянный помост («козёл») или лестница, с которых наносят удары.
Расстояние между электродами выбираем кратным их длине из ряда 1, 2 или 3. При длине уголка 2.5 метра. их следует располагать на расстоянии 2.5; 5.0 или 7.5 метра друг от друга. Чем больше расстояние, тем ниже коэффициент использования (негативное взаимное влияние, называют «затенением»).
Общее сопротивление заземлителя снижают, увеличивая площадь контакта за счёт количества вбитых электродов. Так как увеличить площадь контакта за счёт глубокого проникновения не получится, из-за ограниченности физических возможностей человека. Перфоратор тут не пригодится, нужно махать кувалдой.
Далее привариваем соединительную полосу 40х4 или 50х5. Места сварки промазываем битумом (для защиты от коррозии).
Часть написанного увидите в 19-минутном ролике:
 

 
Расчёт сопротивления на примере ролика
Условно почва – суглинок со средним удельным сопротивлением ρ = 80 Ом·м.
Глубина закладки h = 0.5 м.
Забивают уголки длиной L1 = 2.5 м и шириной b = 0.05 м в количестве n = 4 штук.
Соединяют полосой общей длиной L2 = 9 м и шириной b = 0.05 м.
При округлённом отношении расстояния между стержнями к их длине а/L1 = 1:
  • коэффициент использования η1 = 0.76-0.80 при расположении в ряд (выберем η1 = 0.80);
  • коэффициент использования η2 = 0.77 при расположении в ряд.
Коэффициенты промерзания для низшей температуре в январе от -14°С до -10°С:
  • k1 = 1.7;
  • k2 = 4.0.
Подставив указанные значения в формулы (они же введены в таблицу формата Excel) получаем:
  • R1 = 86.42 Ом – сопротивление одного вертикального стержня;
  • R2 = 88.08 Ом – сопротивление соединительной полосы;
  • R = 21.85 Ом – общее сопротивление заземляющего устройства (4 уголка на расстоянии 3 метра друг от друга + 9-метровая соединительная полоса, без учёта забора).
 
Усовершенствование описанного метода:
  • применение оцинкованных или омеднённых стержней для увеличения срока службы (такое есть в методе 3);
  • рытьё 2-3 метровой скважины для каждого штыря, засыпка покупного грунта, чтобы снизить удельное сопротивление почвы и тем самым общее сопротивление заземляющего устройства (например, коксовая мелочь имеет ρср = 2.5 Ом·м в отличии от повсеместного суглинка с ρср = 80 Ом·м, сопротивление снизится в 80/2.5 = 32 раза);
  • насыщение почвы обычной солью (не более 5%), но эту операцию нужно повторять каждые 2-4 года, так как из-за талых вод и дождей она (NaCl) вымывается (такое есть в методе 4).
 
  

Второй метод «скважина» (дороже, но 1 электрод)

Буровая установка на базе грузового автомобиляРоем траншею глубиной 0.5-0.8 метра перпендикулярно стене здания к месту, где запланировано бурить скважину (не менее трёх метров для подъезда машины).
Заказываем буровую установку, закладываем одну стальную трубу диаметром 0.1-0.2 метра, которая будет являться вертикальным и единственным электродом длиной 30-40 метров.
В этом методе низкое сопротивление обеспечивается:
- большой площадью контакта за счёт глубокого проникновения;
- низким удельным сопротивлением земли на глубине более 5 метров за счёт повышенной влажности и плотности (более 80% трубы в таких условиях).
По траншее прокладываем стальную полосу 40х4 или 50х5 и привариваем её к трубе. Место сварного шва защищаем о коррозии битумом.
Толщина стенки трубы влияет на ресурс, выбирают из диапазона 3.5-6.0 мм.
 
Усовершенствование описанного метода:
  • чтобы снизить цену – убейте «двух зайцев»: заземление и одновременно скважина для забора воды с обсадной трубой (допускается пунктами 1.7.54 и 1.7.109 ПУЭ-7 или источника 1);
  • применение оцинкованной трубы для увеличения срока службы.
 

Третий метод «конструктор» (упрощённый монтаж)

Для модульного штыревого заземления выбрали одиночный глубинный (до 40 метров) электрод, но закладывают не цельную трубу, а по очереди забивают 1.5-2.0 метровые стержни диаметром до 0.02 метра (это всего 20 мм). После заглубления первого стержня, на нём с помощью соединительной муфты фиксируют второй и так далее (на штырях и муфте нарезана резьба). До тех пор, пока измеренное сопротивление заземляющего устройства не окажется удовлетворительным.
Чтобы забитые штыри не превратились в «труху» за 2-3 года их нужно защитить от коррозии:
  • наносят цинковое покрытие толщиной до 30 мкм (его хватает на 15-25 лет) – в паре железо-цинк в первую очередь окисляется последний (то есть пока вся масса Zn не окислится, сталь не корродирует);
  • наносят покрытие их меди толщиной до 250 мкм (его хватает на 30-100 лет в зависимости от агрессивности грунта) – в паре медь-железо в первую очередь должно окисляться железо, но медь создаёт герметичный слой, который не допускает к железу воду (следовательно, реакции окисления не происходит);
  • производят из нержавеющей стали (её хватает на 50-100 лет).
Здесь и кроется минус: если при заглублении омеднённого штыря встретится прочный камень, то стержень пытаясь «обойти» препятствие изогнётся и слой меди начнёт «слизываться». Если таких камней окажется несколько, то может нарушится герметичность покрытия и после разрушении стержня от коррозии, вся глубинная часть заземлителя выйдет из строя. Поэтому такой метод не подходит для каменистых почв.
 
Для заглубления применяют:
  • тяжёлый перфоратор (при глубине до 6 метров);
  • отбойный молоток (при глубине до 30 метров).
Соединительная муфта в большинстве случаях латунная (сплав меди и цинка), чтобы обеспечить надёжный электрический контакт. Правильное соединение – стержни впритык друг к другу, муфта работает только на удержание осей в вертикальном положении. То есть ударные нагрузки от отбойного молотка передаются от стержня к стержню, муфта не участвует. Чем больше глубина, тем большие ударные нагрузки испытывают стержни. В случае не верного соединения рискуете поломать муфту, потерять электрический контакт и безвозвратно вывести из строя забитые штыри.
 
Хитрость: в муфту заливается антикоррозионная токопроводящая паста или закладываются кусочки цинка (можно изъять из батареек), свинца.
 
Ниже в видеоролике заземляющее устройство строится из оцинкованных стержней, которые соединяются при помощи муфт:
 

 
Расчёт сопротивления по данным ролика
Условно почва – суглинок со средним удельным сопротивлением ρ = 80 Ом·м.
Глубина закладки h = 0.5 м.
Забивают стержни длиной L1 = 4 м и диаметром d = 0.02 м в количестве n = 3 штук.
Соединяют полосой общей длиной L2 = 12 м и шириной b = 0.04 м.
При отношении расстояния между стержнями к их длине а/L1 = 1 (то есть а = L1 = 4 м):
  • коэффициент использования η1 = 0.76-0.80 при расположении в ряд (выберем η1 = 0.76);
  • коэффициент использования η2 = 0.77 при расположении в ряд.
Коэффициенты промерзания для низшей температуре в январе от -14°С до -10°С:
  • k1 = 1.7;
  • k2 = 4.0.
Подставив указанные значения в формулы (они же введены в таблицу формата Excel) получаем:
  • R1 = 67.83 Ом – сопротивление одного вертикального стержня;
  • R2 = 71.99 Ом – сопротивление соединительной полосы;
  • R = 22.57 Ом – общее сопротивление заземляющего устройства (3 четырёхметровых стержней на расстоянии 4 метра друг от друга + 12-метровая соединительная полоса).
 
 

Четвёртый метод «модифицируем землю» (для каменистых и вечномёрзлых грунтов)

Несколько электродов закладывают к землю, при этом в траншею или скважину:
  • либо засыпают покупной материал (например, коксовую мелочь), который имеет низкое удельное сопротивление;
  • либо засыпают обыкновенную поваренную соль, которая снижает удельное сопротивление исходного грунта.
Данный метод подходит для каменных и вечномёрзлых грунтов.
 
Засыпка нового грунта
В первом случае при подсыпке коксовой мелочи её удельное сопротивление ρср = 2.5 Ом·м сравним с той же величиной для камня и щебня ρср = 2000 Ом·м и с той же величиной для промёрзшего грунта ρср = 300-3300 Ом·м (при температуре 0 и -15°С соответственно). В таких же пропорциях снижается сопротивление заземляющего устройства.
Горизонтальный электрод должен лежать на слое 0.15 м и засыпан слоем 0.10 м, причём расстояние от поверхности земли до нижней точки подсыпки 1.2 м (по рис. 2.18 на странице 47 источника 2).
Вертикальные 2.5 метровые электроды на глубине не менее 0.7 м с подсыпкой снизу 0.15 м и по бокам 0.125 м. Расстояние между электродами равно 5 м (по рис. 2.19 на странице 47 источника 2).

Засыпка соли
Соль добавляют двумя способами:
  • непосредственно сам электрод является полым и в него добавляют соль, которая вместе с влагой растворяется в окружающем грунте;
  • непосредственно саму почву пропитывают солевым раствором.
В любом случае соль постепенно вымывается, поэтому добавление новой порции NaCl проводят регулярно с интервалом 2-4 года (по пункту 2.51 источника 2).
 
 
Для любителей указывать на новшество методов 3 и 4 (придуманные в конце 20 века в европейских странах, а в СССР «в лесу жили»), советую обратить внимание на источник 2 издания 1971 года, в котором пунктами 2.55 и 3.22 чётко описано применение этих «современных» методов.
 
 

Термины

Элемент Изображение элемента Определение «простым» языком Определение из 7 издания
«Правил устройства электроустановок»
Заземляющее устройство Совокупность электродов в грунте, полос для соединения электродов и распределительного щита в здании Устройство, которое создаёт надёжный электрический контакт с грунтом (землёй) По пункту 1.7.19 – совокупность заземлителя и заземляющих проводников.
Заземлитель Совокупность электродов в земле и полосы, которая их соединяет между собой Электроды + проводник = совокупность штырей, труб, полос или пластин вбитых в землю + полоса или пластина, соединяющая отдельные электроды.
Конфигурацию заземлителя (число, габариты и взаимное расположение электродов и проводников) определяет сопротивление грунта. Чем меньше сопротивление, тем лучше «впитывается» ток или «растекается» через электроды.
По пункту 1.7.15 – проводящая часть или совокупность соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду.
Заземляющие электроды Стальные или медные трубы, стержни или штыри, вбитые в землю Любые металлические элементы, любой конструкции, определённого сечения, которые находится в контакте с землёй.
Материал – сталь чёрная, сталь оцинкованная, омеднённая сталь, медь.
Конструкция – круглые или прямоугольные штыри, трубы, уголки, многопроволочные канаты.
Бывают горизонтальными и вертикальными (на рисунке последние).
 
Контур заземления Заземлитель вокруг здания Заземляющее устройство, которое смонтировано по периметру объекта.  
 
Сопротивление заземляющего устройства – отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю (по пункту 1.7.26). Основной показатель, который определяет качество строения. После измерения устройство допускается к эксплуатации.
 
Удельное электрическое сопротивление грунта – показатель, который определяет способность грунта проводить ток. Чем оно ниже, тем лучше. Сопротивление земли зависит:
  • от состава (песок, чернозём, глина, суглинок);
  • размера частиц и их прилегания друг к другу;
  • климатических факторов (температуры, влажности, давления);
  • концентрации растворённых солей, щелочей, кислот, продуктов гниения.
 
 
Список литературы:
  1. Седьмое издание «Правил устройства электроустановок»;
  2. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений в установках проводной связи и радиотрансляционных узлов. – М.: Связь, 1971 – 141с.