Расчет заземляющих устройств

Сопротивление, которое оказывает току в земле участок почвы от заземлителя до точек с нулевым потенциалом называют, сопротивлением растеканию тока.

Сопротивление растеканию заземлителя определяется как отношение напряжения между заземлителем и точками земли с нулевым потенциалом Uз, В, к току замыкания Iз, А:

Rа=Uз/Iз 

Поскольку человек практически не может одновременно касаться заземленного корпуса оборудования или заземляющих проводников (их сопротивлением, как незначительным, пренебрегают) и точки на почве с нулевым потенциалом, которая находится на расстоянии 20 м, то напряжение прикосновения Uпр всегда меньше Uз. Если бы даже такое прикосновение оказалось возможным, то и в этом случае благодаря сопротивлению обуви и одежды напряжение, под которым оказался человек, всегда было бы меньше UзUпр = Кпр×Iз

Uпр = Кпр×Iз

Между двумя точками поверхности земли на участке растекания тока также имеет место разность потенциалов. Человек, проходя по участку растекания, сделав шаг, условно принятый 0.8 м, попадает под некоторую разность потенциалов, называемую шаговым напряжением (Uш). При этом через тело человека (в основном через ноги) протекает ток поражения, который может достигать значений опасных для человека.где, Кпр – коэффициент прикосновения, имеющий значение меньше единицы.

По мере удаления от заземлителя шаговое напряжение уменьшается. Снижение напряжения прикосновения и шагового напряжения достигается уменьшением сопротивления заземлителя, следовательно, и тока, протекающего через тело человека. В установках напряжением выше 1 кВ применяются замкнутые контуры заземлителей, состоящие из одного или нескольких рядов стальных стержней, забитых в землю, соединенных на сварке стальной полосой и расположенных в пределах защищаемого объекта. Таким образом, выравниваются потенциалы смежных точек поверхности.

Выше были указаны сопротивления растеканию в электроустановках напряжением до 1 кВ. Здесь отметим требуемые сопротивления растеканию в электроустановках напряжением выше 1 кВ. Так, в установках с большими токами замыкания на землю (выше 500 А) сопротивление растеканию заземляющего устройства должно быть не более 0.5 Ом. В сетях с малыми токами замыкания на землю (6, 10, 20 кВ) значения сопротивления растеканию должны быть не более:

  • при общем заземляющем устройстве для установок напряжением до 1 кВ и более:

Rз≤125/Iз

  • при использовании заземляющего устройства только для установок напряжением выше 1 кВ:


Rз≤250/Iз

где Iз – расчетный ток однофазного замыкания на землю, Rз не должно быть больше 10 Ом.

Значения Iз обычно задаются энергоснабжающими организациями при выдаче технических условий на присоединение к их сетям. Приближенное значение расчетного тока Iз может быть определено из следующих выражений:

    • для кабельной сети: Iз=UI/10
    • для воздушной сети: Iз=UI/350

где U - напряжение сети, кВ; l – общая длина сети, км.

Как уже было сказано, для заземления используются естественные и искусственные заземлители.

Сопротивление растеканию тока заземлителя в первую очередь зависит от удельного сопротивления грунта ρ, приведенного в табл. 1. Наиболее удобно и экономично в качестве естественных заземлителей использовать железобетонные фундаменты и конструкции зданий и сооружений

Таблица 1. Удельные сопротивления грунта.

Сопротивление растеканию тока железобетонных фундаментов Rф можно определять по формуле, Ом,


где ρ – удельное электрическое сопротивление грунта, Ом*м; Sф – площадь ограниченная периметром здания на уровне дневной поверхности земли, м2.Сопротивление растеканию тока железобетонных фундаментов Rф можно определять по формуле, Ом,

Стальные водопроводные трубы без антикоррозийного покрытия со сварными стыками и свинцовые оболочки кабелей (если они имеются) тоже следует использовать в качестве естественных заземлителей. Кабели с алюминиевой оболочкой использовать в качестве заземлителя не разрешается.

Для предварительных расчетов можно пользоваться данными о сопротивлении растеканию водопроводных труб, приведенные в таблице 2 для ρ = 100 Ом*м и в таблице 3 для кабелей.

Таблица 2. Сопротивление растеканию тока металлических трубопроводов, проложенных на глубине 2 м при ρ = 100 Ом*м.

Таблица 3. Сопротивление растеканию тока свинцовых оболочек кабелей при ρ = 100 Ом*м, проложенных на глубине 0,7 м.

Значения удельного сопротивления, принятые по таблице 1, необходимо умножать на коэффициент сезонности (промерзания и увлажнения), приведенный в таблице 4 и зависящий от климатической зоны, где сооружается объект. Москва и Санкт-Петербург относятся к зоне 2.

Таблица 4. Коэффициент сезонности для заземлителя

Если оболочки кабелей являются единственным заземлителем и в траншее проложено несколько кабелей (их должно быть не менее двух), то общее сопротивление растеканию с учетом их взаимного экранирования:

Rз, к=Rо, k / nk

где Rо, k – сопротивление растеканию тока оболочки одного кабеля; nk - число кабелей в одной траншее.

В тех случаях, когда сопротивление растеканию естественных заземлителей превышает требуемое ПУЭ, необходимо создать дополнительно искусственное заземление с сопротивлением, равным:

где Rз,н - значение нормируемого сопротивления растеканию, Ом.

В тех случаях, когда элементы заземления погружаются в грунт ниже глубины промерзания, коэффициент сезонности не вводится и ρ принимается по таблице 1 без изменений.

Сопротивление растеканию тока неизолированного стального трубопровода Rс,тр наряду с показателями табл. 2 можно определять по формуле:

Сопротивление обсадной трубы Rо,с скважины равно:

где l – длина трубы, м, но не более 200 м; h – глубина заложения трубы от поверхности земли, м; d – диаметр трубы, м.Сопротивление обсадной трубы Rо,с скважины равно:

Формулы для определения сопротивления растеканию одиночных заземлителей (электродов) приведены в таблице 5.

Таблица 5. Сопротивления одиночных заземлителей, Ом.

Примечание. Условные обозначения: l – длина электрода, м; d – внешний диаметр электрода, м; h – глубина заложения от поверхности земли (для вертикального электрода расстояние от поверхности земли до середины электрода), м; b – ширина полосового электрода (для угловой стали – ширина полки), м.


Искусственные заземлители, как правило, устраиваются из нескольких электродов (иногда из довольно значительного их количества), соединенных стальной полосой. В этом случае приходится учитывать влияние взаимоэкранирования стержневых и протяженных заземлителей, которые как бы повышают сопротивление растеканию тока. Это обстоятельство учитывается введение в расчетные формулы коэффициентов использования, зависящих от количества стержневых электродов и их расположения.Примечание. Условные обозначения: l – длина электрода, м; d – внешний диаметр электрода, м; h – глубина заложения от поверхности земли (для вертикального электрода расстояние от поверхности земли до середины электрода), м; b – ширина полосового электрода (для угловой стали – ширина полки), м.

Задавшись предварительной длиной протяженного заземлителя, определяют его сопротивление:

Далее определяется требуемое общее сопротивление Rcт вертикальных электродов (стержней):

где ηст – количество стержней, Rс, о – сопротивление одиночного электрода; ηст, ηн – коэффициенты использования стержневых и протяженных заземлителей (см. табл. 6 и 7).

Таблица 6. Коэффициенты использования стержневых и протяженных заземлителей при размещении в ряд.


Примечание. При увеличении расстояния между стержнями коэффициенты использования возрастают, что объясняется уменьшением взаимоэкранирования.

Таблица 7. Коэффициенты использования стержневых и протяженных заземлителей при размещении их по периметру замкнутого контура.Примечание. При увеличении расстояния между стержнями коэффициенты использования возрастают, что объясняется уменьшением взаимоэкранирования.

Если число стержней сильно отличается от принятого предварительно, то расчет следует повторить.

Ниже приведен пример расчета заземляющего устройства