Заземление. Что это такое и как его сделать (часть 1)

При проектировании, монтаже и эксплуатации электроустановок, промышленного и бытового электрооборудования, а также электрических сетей освещения, одним из основополагающих факторов обеспечения их функциональности и электробезопасности является точно спроектированное и правильно выполненное заземление. Основные требования к системам заземления содержатся в пункте 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ). В зависимости от того, каким образом, и с каким заземляющими конструкциями, устройствами или предметами соединены соответствующие провода, приборы, корпуса устройств, оборудование или определенные точки сети, различают естественное и искусственное заземление.

Естественными заземлителями являются любые металлические предметы, постоянно находящиеся в земле: сваи, трубы, арматура и другие токопроводящие изделия. Однако, ввиду того, что электрическое сопротивление растеканию в земле электротока и электрических зарядов от таких предметов плохо поддается контролю и прогнозированию, использовать естественное заземление при эксплуатации электрооборудования запрещается. В нормативной документации предусмотрено использование только искусственного заземления, при котором все подключения производятся к специально созданным для этого заземляющим устройствам.

Основным нормируемым показателем, характеризующим, насколько качественно выполнено заземление, является его сопротивление. Здесь контролируется противодействие растеканию тока, поступающего в землю через данное устройство — заземлитель. Величина сопротивления заземления зависит от типа и состояния грунта, а также особенностей конструкции и материалов, из которых изготовлено заземляющее устройство. Определяющим фактором, влияющих на величину сопротивления заземлителя, является площадь непосредственного контакта с землей составляющих его пластин, штырей, труб и других электродов.

О заземлении простыми словами

Само понятие «заземление» происходит от слова «земля», то есть почва или грунт, назначение которых – служить отводом для опасных токов, стекающих по специально организованной цепи. Для ее образования необходимо неразрывное соединение всех частей защитной системы, которое начинается от точки контакта корпуса заземляющего элемента и заканчивается погруженным в землю элементом заземляющего устройства (ЗУ).

Внешний контур заземления частного дома (слева). Заземление внутри помещения (справа), заземляющий проводник указан пунктирной линией.

Согласно определениям, приводимым в техдокументации, заземление это есть преднамеренное электрическое соединение металлических корпусов агрегатов со специальным заземляющим контуром. Исходя из рассмотренных фактов, можно сделать вывод, что заземлением называют преднамеренный электрический контакт защищаемого оборудования с грунтом.

Использованная литература

1. ГОСТ 30331.1-2013
2. Харечко Ю.В. Краткий терминологический словарь по низковольтным электроустановкам. Часть 1// Приложение к журналу «Библиотека инженера по охране труда». – 2011. – № 3. – 160 c.
3. ГОСТ Р 50571.5.54-2013
4. В силу того, что ГОСТ Р 50571.5.54-2013 содержит множество серьезных ошибок, статья была приведена в соответствие с работой Ю.В. Харечко журнале «Энергоэффективность, энергобезопасность, энергонадзор», 2015, № 2 — «Анализ ошибок нового ГОСТ Р 50571.5.54-2013, распространяющегося на заземляющие устройства и защитные проводники».
5. ГОСТ 33542-2015

Требования к заземлению

После того как разобрались с тем, что является определением самого понятия заземления – можно перейти к тем категориям и нормам, которые вводятся действующими стандартами. Согласно ПУЭ к заземляющему устройству в первую очередь предъявляются следующие требования:

• назначение ЗУ – эффективно отводить опасные токи в землю, для чего в их конструкции предусмотрен целый набор проводников и металлических прутьев;
• заземлению подлежат все части электроустановки, включая металлические дверцы щитов;
• суммарное переходное сопротивление контактов в системе заземления не должно превышать 4-30 Ом;
• при ее обустройстве в распределенных нагрузках обязательно использование системы выравнивания потенциалов (ее назначение – устранить неравномерность распределения напряжений).

Дополнительная информация: Поскольку основное назначение заземления состоит в обеспечении безопасности работающего с оборудованием персонала – при его эксплуатации особое внимание уделяется надежности функционирования.

Качество его работы обеспечивается целым комплексом профилактических мероприятий и периодически организуемых испытаний.

Почему человека бьет током

Для того чтобы ответить на поставленный вопрос потребуется ознакомиться с неисправностями, периодически возникающими в действующем электрооборудовании. Дело в том, что в процессе его длительной эксплуатации возможно разрушение изоляции и появление контакта оголенного провода силового питания с корпусом электроустановки.

Если у эксплуатируемого оборудования нет заземления – это угрожает работающему с ним оператору ударом тока (фото слева). Подобный эффект возникает при случайном соприкосновении тела человека с токопроводящими частями стиральной машины или ванны, например.

Принцип работы заземления

После ознакомления с определением заземляющих систем и предъявляемым к ним требованиям следует разобраться, что такое заземление и для чего оно предназначается. Для этого, прежде всего, следует знать, что ноги человека через железобетонный пол всегда в какой-то мере контактируют с землей.

При касании человеком корпуса оборудования, находящегося под воздействием высокого потенциала, ток протекает через его тело и ноги в землю, то есть он является звеном в этой цепочке.

Обратите внимание: Опасными для человека являются даже небольшие токи, а при достижении ими величины 100 мА возможен смертельный исход.

Для того чтобы понять, как работает заземляющая система – следует учесть, что корпус электрооборудования через набор проводников и металлических штырей соединяют с грунтом (заземляют). Благодаря этому преднамеренному соединению критичный для человека потенциал снижается до безопасного уровня. При этом аварийные токи «стекают» через заземленный корпус на землю, минуя человеческое тело.

Из чего состоит конструкция заземляющего устройства

Сначала следует познакомиться с теми элементами, которые входят в состав его конструкции. Типовой заземляющий контур представляет собой сооружение из трех стальных заземлителей, вбитых в землю по углам траншеи, вырытой на глубину примерно 0,7-0,8 метра. Заземлителями могут быть стальные уголки или омедненные прутки.

Длина погруженной в почву части заземлителей должна быть не менее 2,5 метров. Точные значения этих параметров выбираются с учетом характера грунта в месте обустройства контура и климатических условий в данной местности. Подробно о заземляющем контуре и его монтаже вы можете узнать в нашей статье «Контур заземления, что собой представляет и как он работает».

Выступающие из земли на 10-15 см части стальных заготовок свариваются между собой металлическими пластинами шириной 40 мм (толщиной не менее 4-х мм). В верхней части одного из вертикальных электродов устраивается контактная зона в виде наваренного на него болта с резьбой. На ней посредством гайки крепится конец идущей от корпуса заземляемого прибора медной шины, сечение которой не должно быть менее 6 кв.мм.

Дополнительная информация: Для снижения сопротивления цепи стекания аварийного тока это соединение иногда делается сварным.

Внешний контур заземления
По завершении основных работ траншея с размещенной в ней конструкцией засыпается откинутой ранее землей, из которой удаляются камни и ненужный мусор.

Согласно требованиям ПУЭ любая заземляющая система должна соответствовать техническим нормативам в части предельно допустимого сопротивления току утечки. Его величина должна быть:

1. менее 8 Ом в промышленных сетях с фазным напряжением 220/127 Вольт;
2. менее 4 Ом для линейных напряжений 380 Вольт;
3. не более 30 Ом в бытовых сетях (этот показатель считается предельно допустимым).

Прокладываемая от конструкции ЗУ медная жила вторым своим концом фиксируется на специальной планке, монтируемой на распределительном щитке объекта (дома, в частности). Ее называют главной заземляющей шиной (ГЗШ), а предназначается она для сборки всех защитных проводников в одном месте. Медные жилы расходятся от нее непосредственно к потребителям (через розетки к корпусам приборов).

Как производится расчет параметров основных заземляющих элементов

На основании результатов подобных расчетов проектируется чертеж заземляющего устройства объекта.

Важно! Устройство, смонтированное в соответствии со всеми расчетными данными схемы заземления, позволяет добиться максимальной эксплуатационной эффективности всего комплекса защитного заземления.

Основа вычислений — допустимые пределы напряжения шага и прикосновения. На их основании рассчитывается конфигурация (размер, количество) заземлителей и принцип их размещения.

Выполняются расчеты на основании таких данных:

1. Описание характеристик конкретного электрического оборудования: тип установки; основные структурные элементы прибора; рабочее напряжение; возможные варианты, позволяющие осуществить заземление нейтралей как трансформирующих, так и генерирующих устройств.
2. Конфигурация заземлителей. Такие данные необходимы для определения оптимальной глубины погружения электродов.
3. Информация о проведенных исследованиях по измерению удельного сопротивления грунта на конкретной территории. Дополнительно учитываются климатические сведения зоны, на которой обустраивается система.
4. Информация о пригодных естественных элементах заземления, которые можно использовать в работе. Необходимы данные о реальных значениях растекания токов у этих объектов. Получить их можно путем специальных измерений.
5. Результат стандартного вычисления точных показателей расчетного замыкания тока на почве.
6. Расчетные значения нормативной стандартизации допустимых характеристик напряжений по ПУЭ.
7. Показатели сопротивления сезонного промерзания слоя грунта, в период высыхания и промерзания. Учет таких значений необходим для расчета заземляющих элементов, которые располагаются в однородной среде. Применяются специальные стандартизированные коэффициенты.
8. При необходимости монтажа сложной группы заземлителей, состоящей из нескольких элементов, необходимы сведения всех потенциалов, которые будут наведены на монтируемые электроды. Для этого нужны данные о значениях сопротивления всех слоев грунта.

Важно! Если система будет размещаться в двух слоях грунта, учитывается показатель сопротивления каждого из них. Это необходимо для определения точных данных о мощностных параметрах верхнего слоя почвы.

Естественное и искусственное заземление

Естественное заземление – это предмет или сооружение, которое имеет надежный контакт с землей в силу выполняемых им функций. К этой категории можно отнести:

• водопроводные и отопительные трубы, проложенные непосредственно в земле;
• любые металлические конструкции и их элементы, имеющие хороший контакт с почвой;
• оболочки сварочных и подобных им кабелей;
• металлические закладные и шпунты и т.п.

Стоит заметить! На обустройство функционального заземления в этом случае не потребуется специальных усилий, так как элементы естественного заземлителя уже готовы к подключению заземляющих проводников.

Естественные заземлители
В ситуации, когда такие системы найти не удается – приходится заниматься монтажом самодельных ЗУ.

Искусственным заземлением считается преднамеренно организованный электрический контакт двух тел, одним из которых является защищаемый прибор, а вторым – так называемый «заземляющий контур». Эта его составляющая представляет собой специальную распределенную (иногда – точечную) конструкцию на основе металлических стержней, размещаемых глубоко в земле.

Как правило, в качестве вертикально забиваемых электродов применяются стальные прутки диаметром до 12 мм, имеющие длину не менее 2,5 метра. Для обустройства горизонтальных перемычек, обеспечивающих электрический контакт двух тел, берутся металлические уголки 50x50x6 мм и длиной 2,5-3 метра (их можно заменить трубами диаметром порядка 6 мм и более).

Системы с изолированной нейтралью

В ходе передачи и распределения электрического тока на потребителей применяется трехфазная система. Это дает возможность обеспечить симметричность и равномерное распределение нагрузки по току.

Такое устройство создает режим, предусматривающий использование трансформаторной будки и генераторов. Их нейтральные точки не оснащены контуром заземления.

Изолированный тип нейтрали применяется в схеме питания при соединении вторичных обмоток трансформаторных установок по схеме треугольника и при отсутствии питания во время аварийный ситуаций. Такая сеть представляет собой замещающую цепь.

Изолированная нейтраль способствует пробиванию изоляционного покрытия при коротком замыкании и возникновению короткого замыкания на других фазах.