Расчет сопротивления контура заземления в частных домах

Расчет сопротивления контура заземленияПри эксплуатации электроустановок в некоторых случаях возникает пробой изоляции. При этом происходит утечка тока на корпус двигателей, стальных труб, проводки и т. д. Результатом этой утечки является выход из строя оборудования или поражение электрическим током. Чтобы избежать этого, необходимо использовать заземление. Расчет его произвести несложно — для этого необходимо воспользоваться определенной методикой.

Общие сведения

Защитным заземлением (ЗЗ) называется заземление, необходимое для предотвращения поражения человека электрическим током на электроустановках с напряжением питания до 1000 В. ЗЗ необходимо в случае возможного пробоя изоляции различных электрических машин и утечки тока на токоведущие части, при касании к которым происходит поражение электрическим током.

Основы электробезопасности

Общие сведения о заземлении В отличие от других видов травм, электротравматизм происходит редко, но приводит к серьезным последствиям. Опасность поражения электрическим током заключается в том, что пострадавший практически во всех случаях не может оказать себе помощь, в результате чего вероятность смертельных исходов высока. Воздействие тока на организм человека происходит по нескольким направлениям.

Тепловое или термическое действие приводит к ожогам определенных участков кожи, перегреву органов, а также к разрыву нервных окончаний и кровеносных сосудов. При химическом воздействии происходит процесс электролиза крови, лимфы и других биологических растворов, которые содержатся в организме человека. Это приводит к нарушению ее физико-химического состава и нарушению функционирования организма.

При биологическом воздействии наблюдается возбуждение и гибель клеток организма, а также нарушение работы мышц, в результате чего может произойти остановка сердца, судорожные явления и остановка дыхания.

Уровень опасности поражения человека электричеством зависит от следующих факторов:

  • Параметров электричества.
  • Пути прохождения.
  • Времени воздействия на организм.
  • Внешней среды.
  • Сопротивления тела.

К параметрам электрического тока относятся его сила, величина напряжения, частота и вид тока, который классифицируется на постоянный и переменный.

Ток по закону Ома зависит от напряжения и сопротивления, однако эта зависимость является нелинейной при напряжениях свыше 100 В, поскольку происходит пробой верхнего слоя кожи и сопротивление тела резко уменьшается. При этом ток начинает расти. Опасным считается переменный ток при значениях напряжения меньше 300 В, а при значениях свыше 300 В постоянный ток становится опаснее переменного. Сопротивление тела человека уменьшается в интервале частот от 50 до 1 кГц. При росте частоты свыше 1 кГц опасность поражения уменьшается, при частотах 45-50 кГц эта вероятность поражения полностью исчезает.

Путь прохождения тока является его движением по организму человека. Наиболее опасным считается прохождение через сердце, поскольку ток способен нарушить его работу. Время воздействия на организм — это время, в течение которого организм подвергался вредному воздействию со стороны электричества.

Основы электробезопасностиВнешняя среда включает в себя влажность и температуру воздуха. Сопротивление тела (R) является переменной величиной, которая зависит от множества факторов: толщины кожи и ее влажности, состояния здоровья, температуры, возрастных характеристик и морально-психологического состояния.

Величина тока, протекающего через тело человека (I), зависит от напряжения, приложенного к нему, и значения его R. Верхний слой кожи обладает наибольшим R, в сухом состоянии равным значению до 400 кОм, а при повреждении этого слоя величина R может снизиться до 600 Ом. При расчетах R тела человека берется равной 1 кОм.

Электрические удары

Воздействие тока на организм человека характеризуется электрическими ударами, при которых судорожно сокращаются мышцы, и электротравмами, во время которых повреждаются ткани и органы. Среди электротравм самыми опасными являются ожоги при контакте с токоведущими частями оборудования и электрической дугой, при которой также возникает и металлизация кожи. Кроме того, возможны механические повреждения, возникающие при сокращении мышц, а также при падении.

При тяжелых травмах, полученных под воздействием тока, существует вероятность наступления клинической смерти, которая может перейти в биологическую при отсутствии медицинской квалифицированной помощи. Среди причин, приводящих к смертельному исходу, можно выделить остановку сердца и дыхания, а также электрический шок. При рефлекторной остановке сердца происходит влияние на нервную систему, что приводит к нарушению ритма из-за быстрых сокращений фибриллы. Кроме того, при прямом действии на сердце произойдет его остановка.

Воздействие тока на организм человека

Паралич дыхательной системы возникает при прохождении тока через мышцы грудной клетки, а также в результате поражения нервной системы.

Электрический шок — реакция нервной системы на действие электрического тока, которая выражается в нарушении дыхания, кровообращения и обмена веществ.

Защитное заземление

ЗЗ используется для снижения риска поражения человека электрическим током (ЭТ) на различных электроустановках переменного и постоянного токов. Однако этот вид защиты применяют в основном в комбинации с устройством защитного отключения. Для увеличения уровня электробезопасности жилища необходимо правильно рассчитать контур заземления.

Основные виды

Основной характеристикой заземляющего контура является номинал сопротивления, величина которого изменяется в конкретной ситуации. Номиналы R ЗЗ следующие:

  • До 1000 В при условии, что нейтраль изолированная, R ЗЗ составляет не более 4 Ом.
  • Для трансформаторов, мощность которых меньше 100 кВ*А, R должно быть не более 10 Ом.
  • С изолированной нейтралью и напряжением номиналами 220 В, 380 В и 660 В R ЗЗ должно быть 2, 4 и 8 Ом соответственно.

Защитное заземлениеСуществуют два типа ЗЗ: контурное и выносное. Контурное не используется в заземлении для частного дома, а применяется на установках с напряжением свыше 1000 В. Оно состоит из отдельных заземлителей, которые размещены по периметру оборудования. Выносной тип состоит из заземлителя и заземляющего провода или магистрали.

Заземлителем является металлическая конструкция (кол, труба или уголок), которая погружена в землю. Провода соединяют корпус электроустановки и заземлитель. Места, где происходит соединение токоведущих частей электрического оборудования с заземляющей жилой, называются точками заземления.

Порядок установки

Заземлитель из одного проводника вкапывается в землю. Он может быть соединен с другими заземлителями. После того как монтаж произведен, траншею необходимо засыпать. Кроме того, следует оставить над поверхностью земли часть электрода для подсоединения к нему заземляющего провода, идущего к основной шине заземления в электрощите.

Если оборудование работает в нормальном режиме, то величина напряжения (Uз) будет равна 0. При коротком замыкании сопротивление заземления (Rз) равно 0. Существует формула, позволяющая найти Rз. Она основана на следствии из закона Ома: Rз = Uз / Iз. Расчет защитного заземления сводится к правильному нахождению Rз и сопоставлению его с ГОСТ.

Величину Rз следует определять исходя из характеристик грунта, который окружает заземлитель, а именно: влажности, плотности, содержания солей и сезонности.

Кроме того, важными составляющими величинами Rз, которые влияют на его величину, являются следующие:

  • Конструктивные особенности заземлителя.
  • Глубина вкапывания.
  • Диаметр заземляющей жилы.

Основные виды заземленияДля эффективной защиты применяется группа заземлителей, которые объединяются в контур, причем между ними должно соблюдаться некоторое расстояние. Это связано с тем, что во время пробития изоляции ток уходит на корпус, а затем через заземлители — в землю. При этом на поверхности земли образуется разность потенциалов. И если человек находится в поле его действия, то существует вероятность поражения током при шаговом напряжении.

Глубина влияет на Rз, поскольку при глубоком погружении в грунт величина Rз уменьшается. Площадь поперечного сечения также играет важную роль. Для голого медного провода оно должно быть от 5 кв. мм., а для изолированного — 1,5 кв. мм. При прикосновении к токоведущей части электроустановки возникает напряжение прикосновения (Uпр), которое будет меньше Uз, поскольку его снижает одежда. Для расчета Rз следует знать еще одну величину, которая называется удельным сопротивление грунта (р определяется по таблице 1).

Таблица 1: Данные различных типов грунта, используемых для заземления

Тип грунта Удельное сопротивление, Ом*м
Графитовая крошка 0,1
Вода морская 0,2
Глина влажная 20
Ил 30
Глина сухая 60
Чернозем 60
Песок влажный 130-400
Песок сухой 800
Бетон 1000

Проанализировав табличные данные, можно сделать следующий вывод: значение р зависит от типа грунта, а на снижение его значения влияет влажность грунта. Расчет заземляющего устройства контура заземления зависит от коэффициента сезонности (Км), на который влияет температура окружающей среды. Его значения следующие:

  • От 0 до +5 Км = 1,3/1,8.
  • В интервале от -10 до 0 Км = 1,5/2,3.
  • При температурных интервалах -15..-10 Км = 1,7/4,0.
  • От -20 до -15 Км = 1,9/5,8.

Кроме того, значение Км зависит от типа погружения заземлителя или группы заземлителей. В числителе указано значение при вертикальном положении (0,6-0,7 м), а в знаменателе — при горизонтальном положении на глубине 0,4-0,8 м.

Формула расчета Rз для одиночного заземлителя в вертикальном положении принимает следующий вид: Rз = 0,3 * р * Км. Эта формула позволяет найти приблизительное значение, а для точных расчетов следует применять формулу, в которой учитываются следующие величины: длина электрода (l), диаметр прута (d) и глубина (h). Формула имеет следующий вид: Rз = (p/(2*3,1416 * l)) * (ln(2*l/d) + 0,5 * ln((4 * h + l)/(4 * h — l))).

При наличии нескольких электродов (n) следует воспользоваться еще одной формулой: Rn = Rз / (n * Кисп). Кисп является коэффициентом использования электрода, который учитывает влияние на него рядом вкопанных заземлителей. Он определяется по табличным значениям и подставляется в результирующую формулу.

Таблица 2: Определение Кисп

Таблица определения Кисп

Максимально допустимым Rз для частного дома является величина не более 4 Ом. В основном для изготовления ЗЗ применяются стальные трубы или уголки, поскольку этот материал является более дешевым по сравнению с медным электродом.

Расчет заземления в ExcelДля произведения расчетов величину R перемычек между электродами можно не учитывать. Способ расчета контура заземления, пример которого сводится к получению необходимого его значения в 4 Ом, достаточно прост. Он требует определенных знаний в области математики. Существует и другой метод — воспользоваться онлайн-сервисом или программой для расчета заземления. Примером программы для расчета является Excel.

Пример расчета

Очень часто при покупке дома необходимо рассчитать контур заземления. Если расчеты произведены неверно, то переделывание ЗЗ может занять огромное количество времени. Поэтому рекомендуется сначала научиться грамотно его рассчитывать, а затем приступать к практическим работам.

В большинстве случаях заземлители делаются из уголка 50х50 мм, длина которого составляет L = 2,5 м. Условие первого примера является следующим: глинистый грунт (р = 60 Ом * м), Км = 1,45, глубина траншеи составляет hтр = 0,5 м.

Алгоритм расчета имеет следующий вид:

  1. Найти p с учетом Км: р = 60 * 1,45 = 87 Ом *м.
  2. Выбрать расстояние между электродами: S = L = 2,5 м.
  3. Алгоритм расчета заземления Забить вниз уголок, размер полки (ребра уголка) которого составляет примерное значение диаметра электрода: d = 0,95 * 0,05 = 87 Ом * м.
  4. Найти глубину залегания средней точки уголка: h = 0,5 * L + hтр = 0,5 * 2,5 + 0,5 = 1,75 м.
  5. Подставить значения в формулу и определить для одного заземлителя: Rз = 27,58 Ом. Этого номинала недостаточно, поскольку по ГОСТ его значение должно быть не более 4 Ом (Rзгост) для 220 В.
  6. Определить количество электродов: n = Rз / (Кисп * Rзгост). Вычисление для Кисп = 27,58 / (1 * 4) = 7.
  7. По таблице найти Кисп для 7 электродов и подставить в формулу нахождения количества электродов c Кисп = 0,59: n = 12.
  8. Произвести перерасчет для n = 12 при Кисп = 0,54. Результат вычисления: n = 13.
  9. Подставить в формулу: Rз = Rзгост / (n * Кисп) = 4 Ом.

Для построения контура заземления с Rз = 4 Ом понадобятся 13 уголков. Все остальные задачи являются однотипными, а формулы и таблицы позволяют рассчитать заземление конкретного контура. Если не хочется тратить время на вычисления, то можно вычислить его значение в специальной программе или при помощи онлайн-сервисов.

Таким образом, ЗЗ необходимо для частного дома и выполняет основную функцию по защите человека от поражения электрическим током. Изготовить и рассчитать его можно по очень простой методике или воспользоваться специальными программами. Рекомендуется, кроме ЗЗ, использовать еще и устройства защитного отключения.

Помогла статья? Оцените её
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд
Загрузка...
Добавить комментарий