Захисне заземлення електроустановок

Допоміжне електричне з’єднання з землею чи її еквівалентом металевих неструмопровідних частин, що можуть виявитися під напругою має назву захисне заземлення.

Захисне заземлення має за мету знизити напругу дотику між корпусом електроустановки і землею до 42 В, і менше, що виникає в результаті ушкодження чи пробою ізоляції струмопровідних частин. Захисне заземлення варто відокремити від заземлення для захисту від розрядів статичної й атмосферної електрики.

Допоміжне з’єднання з землею нейтральних точок обмоток генераторів, силових і вимірювальних трансформаторів, дугогасних апаратів та інших ланцюгів для забезпечення нормальної роботи електроустановок називається робочим заземленням. Заземлення для захисту від розрядів статичної й атмосферної електрики здійснюється для відводу цих зарядів у землю.

Принцип роботи захисного заземлення. На рис.12.6, а показана ситуація дотику людини до заземленого корпуса електроустановки, на якому з’явилася напруга. На рис.12.6, б – її еквівалентна електрична схема.

Рис.12.6. Випадок дотику людини до заземленого корпуса електроустановки:

а – схема дотику;

б – еквівалентна електрична схема заземленої електроустановки

По-перше, визначимо значення напруги дотику U_дот, що прикладається до людини при дотику її до заземленого корпуса, з одного боку, і до ніг, з другого, а потім значення струму І, що протікає через людину в цьому ланцюзі.

З метою спрощення математичних перетворень по-перше, оперувати будемо провідностями ланцюгів, а потім замінимо їх опорами.

Таким чином, провідність заземлення G_з, провідність людини G_л і провідність ізоляції С₁ проводу 1 щодо землі включені паралельно між собою і послідовно з провідністю С₂ ізоляції проводу 2.

Провідність сумарна паралельного ланцюга проводу 1:

При дотику до корпусу електроустановки напруга U_дот, що впливає на людину, визначиться:

У цьому виразі провідності G_л, G1, О₂ значно менші провідності заземлення G_з і ними як доданками в знаменнику цього виразу можна знехтувати. Замінюючи провідності опорами і приймаючи r₂ = r_із (г – опір ізоляції), одержимо

Вираз (12.5) дозволяє стверджувати, що найбільш доступним заходом щодо зниження напруги U_дот є зменшення опору заземлення г_з, а збільшувати опір ізоляції г_з економічно недоцільно.

Тоді струм, що протікає через людину при дотику її до заземленого корпуса електроустановки визначиться:

Приклад 12.5. Розрахувати значення струму, що протікає через людину при дотику її до корпуса електроустановки, на прикладі рис.12.6 у двох випадках: установка не заземлена; установка заземлена.

Вихідні дані: r₁ = r₂ = r_із = 5-10 3 Ом;напруга мережі и = 115 В; Я = 1000 Ом; г = 4 Ом” Розв’язок:

У випадку, коли установка не заземлена, струм, який протікає крізь людину визначається за формулою (12.4):

Коли установка заземлена, значення струму, що протікає через людину, визначимо за формулою (12.6):

Правила улаштування електроустановок (ПУЕ-86) установлюють норми опору заземлювального пристрою. Як витікає з виразу (12.5), норма опору заземлювального пристрою г_з залежить від струму замикання на землі І_з у мережі, до якої підключена електроустановка, що підлягає заземленню. У мережах різної довжини і розгалуженості і, отже, з різними струмами замикання на землю установлені визначені значення опору заземлювального пристрою.

Для електроустановок, що живляться напругою до 1000 В від мереж малої довжини з малими струмами замикання на землю (не більше 5 А), опір заземлювального пристрою повинен бути не більше 4 Ом. До таких мереж на підприємствах відносяться мережі з напругою 380/220 В, прокладені на території підприємств від трансформаторних підстанцій для живлення споживачів електроенергії й освітлювальних установок підприємства.

Якщо електроустановка живиться від винесених трансформаторів і генераторів потужністю до 100 кВА опір заземлювального пристрою повинен бути не більшим 10 Ом . Такі мережі мають малу довжину і розгалуженість, а струми замикання на землю в них не перевищують 0,1-0,2 А. До таких мереж відносяться мережі живлення від дизель-генераторних установок (під час аварій у міських системах електропостачання).

Електроустановки, що живляться напругою вище 1000 В – до 110 кВ і вище з ефективно заземленою нейтраллю, де струми замикання на землю в мережі досягають значень 50-500 А, опір заземлювального пристрою повинен бути не більшим 0,5 Ом. Захисне заземлення електроустановок виконують: на всіх електроустановках при напрузі змінного струму 380 В і вище, 440 В і вище – постійного струму;

в електроустановках, розташованих у приміщеннях з підвищеною небезпекою, особливо небезпечних і в зовнішніх установках при номінальних напругах вище 42 В змінного струму і вище 110 В постійного струму;

у вибухонебезпечних приміщеннях – для всіх напруг. Пристрій заземлення. Заземлювачі бувають – штучні, спеціально призначені тільки для заземлення електроустановок, і природні – металеві предмети і конструкції в землі.

Заземлювачі штучні можуть бути вертикальними і горизонтальними. Як вертикальні заземлювачі використовують сталеві стрижні, пруток і кутову сталь довжиною 2,5-3 м, а самостійні горизонтальні заземлювачі і для зв’язку вертикальних – смугову сталь і сталевий пруток. Найменші розміри штучних заземлювачів: діаметр пруткових не оцинкованих – 10 мм, перетин прямокутних заземлювачів 48 мм 2 ; товщина прямокутних заземлювачів (смугова сталь) і полиць кутової сталі – 4 мм.

Заземлювачі вертикальні забивають за допомогою механізмів у попередньо вириті траншеї глибиною 0,7-0.8 м (рис 12.7). Сталеві прутки діаметром 10-12 мм, довжиною 4-4,5 м вкручують за допомогою спеціальних пристосувань.

Занурені в землю вертикальні заземлювачі з’єднують смуговою сталлю, прива-рюючи її до верхнього кінця стрижня ребром нагору для кращого контакту з землею. При використанні смуги, як самостійного заземлювача, її укладають у таку ж траншею ребром нагору і засипають землею з наступним ретельним трамбуванням для поліпшення її контакту з землею.

Розташовують заземлювачі у місцях, де немає підсушування землі від прокладених трубопроводів та інших джерел тепла.

Горизонтальні заземлювачі прокладають у траншеях з однорідним ґрунтом, без щебеню і будівельного сміття. Коли існує небезпека корозії заземлювачів, тоді:

• – збільшують переріз одиночних заземлювачів;
• – застосовують оцинковані заземлювачі;
• – використовують електричний захист заземлювачів проти корозії.

Як штучні заземлювачі, допускається застосовувати бетон, що проводить електрику. Для заземлювачів можна застосовувати метали, що були уживані, але вони не повинні мати сильних ознак корозії, повинні бути очищені від фарби, олив та ізолюючих речовин.

Штучні пристрої на спорудах, які заземлюють, у районах з великим питомим опором ґрунту рекомендується:

• – вертикальні заземлювачі більшої довжини (більше 3 м) застосовувати, якщо на глибині питомий опір ґрунту менший, ніж ближче до поверхні;
• – виносні заземлювачі розташовувати в місцях (до 2 км) з меншим питомим опором ґрунту;
• – у траншеї навколо заземлювачів, прокладених горизонтально, укладати вологий глинистий ґрунт, який трамбують і засипають щебенем;
• – коли застосування інших заходів неефективне, обробляти грунт для зниження його питомого опору.

На практиці у більшості випадків одного заземлювача для забезпечення встановленої норми заземлення недостатньо. У таких випадках забивають декілька заземлювачів по периметру об’єкта, що захищається, чи під об’єктом, що захищається. Таке заземлення називається контурним.

Природні заземлювачі – це металеві конструкції будинків, споруд та інших об’єктів чи предметів, що мають добрий електричний контакт з землею.

Як природні заземлювачі можуть використовуватися:

• – трубопроводи, прокладені в землі (крім трубопроводів для пальних рідин і вибухових газів);
• – обсадні труби артезіанських колодязів і шпар;
• – арматура залізобетонних конструкцій будинків і споруд, що мають зв’язок з землею;
• – свинцеві оболонки кабелів, прокладених у землі;
• – заземлювачі опор ліній електропередачі (ЛЕП);
• – повітряні ЛЕП, з’єднані з заземлювальним пристроєм електроустановки за допомогою горизонтального троса, якщо він не ізольований від опору лінії;
• – нульові проводи повітряних ЛЕП напругою до 1000 В з повторними заземлювачами при кількості ліній не менше двох;
• – рейкові шляхи магістральних не електрифікованих залізниць;
• – під’їзні колії при наявності допоміжного пристрою перемичок між рейками.

Заземлювачі природні приєднуються до магістралі заземлення не менше, ніж у двох місцях.

Заземлювачі природні мають малий опір відносно розтікання електричного струму, а тому їхнє використання зумовлює економію металу. Природні заземлювачі використовують без штучних заземлювачів, якщо вони забезпечують встановлену в ПУЕ-86 норму опору, і яка залишається незмінною від сезону до сезону.

Розрахунок захисного заземлення. Заземлювальний пристрій розраховують для визначення кількості вертикальних заземлювачів, довжини з’єднувальної смуги і їх розміщення. При цьому враховують можливість використання природних заземлювачів.

В залежності від призначення заземлювального пристрою визначають норму опору.

Визначають ґрунт, в якому будуть розташовувати заземлення, потім визначають його питомий опір (табл.12.1).

Таблиця 12.1

Питомий опір ґрунтів і води

Питомий опір, 10 2 Ом-м

Встановлення заземлення: способи монтажу, пристрій, загальні вимоги

Системи електропередач в більшій частині будівель виконані за старим зразком – без заземлення. Сучасні побутові прилади, що працюють без заземного контуру, можуть вийти з ладу в разі виникнення будь-яких несправностей. Власники будинків, як правило, самостійно здійснюють установку заземлення в будинку, забезпечуючи тим самим електробезпеку.

• Призначення заземлення
• Правила облаштування заземлення
• Види заземлення та особливості
• Встановлення заземлення
• Інструменти та матеріали
• Земляні роботи
• Підготовка електродів
• Поглиблення електродів
• З ‘єднання електродів
• Засипання траншеї
• Проведення заземлення в щит

Призначення заземлення

Основне завдання заземлення – зниження до нуля напруги мережі в разі виникнення витоку струму. Причиною цього може бути дотик до струмоведучих частин, пошкодження ізоляції проводки. Додатковою функцією заземлення є створення та підтримання оптимальних умов для роботи побутових електричних приладів.

Деякі пристрої вимагають не тільки установки розетки із заземленням, а й безпосереднього підключення до заземної шини. З цією метою застосовуються спеціальні затискачі.

Наприклад, на корпусі мікрохвильових печей розташовується спеціальна клема для заземлення. За відсутності заземлення дотик до мікрохвильовки може спричинити несильний, але неприємний удар струмом. Усувається це тільки за допомогою установки захисного заземлення. Аналогічна ситуація з більшістю інших побутових приладів.

Встановлення заземлення в приватному будинку є не менш важливою процедурою, особливо якщо будівля – дерев ‘яна. Наявний заземний контур дозволяє захистити споруди від удару блискавки і провокованої нею пожежі. Особливо важливо це в сільській місцевості, де будинки можуть швидко вигоріти за короткий термін. Одночасно із заземленням найчастіше облаштовують блискавковід.

Правила облаштування заземлення

При невідповідності природних заземних елементів пред ‘являється вимогам, що використовуються штучні системи заземлення. Природними елементами можуть бути розташовані в землі водопровідні сталеві труби, металеві конструкції будівель, артезіанські свердловини та багато інших.

В якості природних заземлювачів заборонено використовувати нафтопроводи, газопроводи і бензопроводи.

Оптимальний матеріал для встановлення переносного заземлення своїми руками – металевий куточок 50 х 50 міліметрів довжиною 3 метри. Для встановлення таких елементів викопується траншея глибиною 0,7 метра, при цьому над дном має залишатися близько 10 сантиметрів відрізків. До виступаючої частини приварюють сталевий прут діаметром 10-16 міліметрів або сталеву смугу.

Опір заземного контуру в електричних установках до 1000 вольт має становити 4 Ом, не більше. Опір для установок понад 1000 вольт не повинен перевищувати 0,5 Ом.

Види заземлення та особливості

Виділяють шість систем заземлення, проте в приватних будинках використовуються тільки дві: TN-C-S и TT. Більшою популярністю користується перший тип, оскільки в ньому влаштована глухозаземлена нейтральність. Проведення нейтраллі N і шини PE здійснюється одним проводом PEN до входу в будівлю, після чого заземлення розводиться на кілька окремих гілок.

Захисні функції в такій схемі здійснюються електричними автоматами, при цьому відсутня необхідність у встановленні пристроїв захисного відключення. У такої схеми є свій недолік: при пошкодженні провідника PEN на відстані між будинком і підстанцією з ‘являється фазова напруга на шині заземлення в будинку. Відключити напругу неможливо ніяким захистом, у зв ‘язку з чим необхідний монтаж механічного захисту провідника PEN і резервного заземлення на відстані кожні 200 метрів.

Електричні мережі в невеликих містах і селах не відповідають необхідним вимогам, у зв ‘язку з чим використовують схему TT. Оптимальний варіант застосування даної схеми – для окремих будівель з ґрунтовою підлогою, оскільки є певний ризик дотику разом до грунту і заземлення, що небезпечно при використанні схеми TN-C-S.

Відмінність полягає в тому, що “” земля “” використовується як щит від індивідуального заземлення, а не від підстанції. Така система має більшу стійкість до пошкоджень провідника і вимагає встановлення спеціального пристрою захисного відключення. З цієї причини така схема іменується резервною.

Встановлення заземлення

Пристрої заземлення класифікуються на два типи, які відрізняються за властивостями і способом монтажу. Перший вид представлений штиревою модульною конструкцією з кількома електродами, другий створюється з металопрокату. Основними відмінностями різновидів є поглиблені деталі, в той час як провідники і надземна частина повністю аналогічні.

Придбані в торговельній мережі набори для заземлення володіють певними перевагами:

• Комплектуючі розроблені фахівцями відповідно до всіх стандартів та вимог і виготовлені на заводському обладнанні;
• Практично не потрібні земляні та зварювальні роботи;
• Можна заглибитися на значну глибину в землю зі збереженням мінімального опору всього пристрою.

Основним недоліком є занадто висока вартість

Набір, придбаний у торговельній мережі, має свої переваги:

• Продається комплектом, елементи набору розроблені фахівцями з дотриманням усіх вимог правил, виготовлені на заводському обладнанні.
• Не потрібні зварювальні роботи, і майже не потрібні земляні роботи.
• Дає можливість заглибитися в землю на значну глибину з отриманням малого опору всього пристрою заземлення.

З недоліків заводського виконання можна відзначити високу вартість набору.

Інструменти та матеріали

Для виготовлення саморобного заземлювача обов ‘язково повинен використовуватися оцинкований металопрокат – труба, куточок або пруток.

Готові заземлювачі виконані з різних омеднених багнетів, з ‘єднаних латунними муфтами. З ‘єднання штира і дроту заземлення виконано за допомогою затиснутої з нержавіючої сталі і спеціальної пасти. Фарбувати або змащувати заземлювачі не можна.

При виборі перерізу прокату враховується вплив корозії, в результаті якого переріз знижується. Мінімальні перерізи прокату:

• Для оцинкованого прутка – 6 мм;
• Для прямокутного прокату – 48 мм2;
• Для металевого прутка – 10 мм.

Штирі з ‘єднуються між собою куточком, смугою або дротом. З їх допомогою заземлення підводиться до електричного щита. Для з ‘єднувального прокату розміри становлять:

• Діаметр прутка – 5 мм;
• Розмір прямокутного профілю – 24 мм2.

Переріз дроту фази має бути більше перетину заземного дроту в приміщенні. До подібних провідників пред ‘являються певні вимоги, що зачіпають діаметр жив:

• Алюмінієвий без ізоляції – 6 мм;
• Мідний без ізоляції – 4 мм;
• Мідний ізольований – 1,5 мм;
• Алюмінієвий ізольований – 2,5 мм.

Провідники заземлення з ‘єднуються за допомогою заземних шин, виготовлених з електротехнічної бронзи. Всі деталі щита згідно зі схемою TT кріпляться до стінки ящика.

Встановлення заземлень на ПЛ саморобного типу здійснюється за допомогою кувалди, якою заземлювач вбивається в землю. Вбивання заводських деталей відбувається за допомогою відбійного молотка. В обох способах встановлення заземлення бажано використовувати стремянку. Ручне зварювання використовується для зварювання прокату з чорного металу.

Земляні роботи

Існує певний порядок встановлення заземлення. Першим етапом є земляні роботи. Заземлювачі розміщуються на відстані 1 метра від фундаменту будівлі. Мінімальна відстань між штирями становить 1,2 метра. Оптимальний варіант – використовувати штирі довжиною 3 метри і створювати з них трикутник з триметровими сторонами.

Після викопується траншея глибиною 0,8 метра. Оптимальна ширина траншеї – 0,7 метра: її достатньо для зручного зварювання провідників.

Підготовка електродів

Загострення електрода здійснюється за допомогою болгарки. Якщо використовується колишній у вживанні металопрокат, то він очищається від корозії і старого покриття. Штирі заводського виробництва оснащуються гострими головками, які накручуються і промазуються в місці з ‘єднання спеціальною пастою.

Поглиблення електродів

Заглиблення електродів у землю здійснюється за допомогою їх забивання кувалдою. Для полегшення роботи краще використовувати підмостя або стремянку. Якщо метал електродів занадто м ‘який, то удари завдаються через спеціальні дерев’ яні бруси. До кінця забивати штирі не потрібно: над землею має залишатися близько 10-20 сантиметрів, які використовуються для з ‘єднання з контуром.

Забивання заводських електродів здійснюється відбійним молотком. Після того як штир буде поглиблений, на нього навинчивается муфта і додатковий заземлювач. Процес повторюється кілька разів до досягнення необхідної глибини.

З ‘єднання електродів

Між собою штирі об ‘єднуються смугою 40х4 міліметри. Прокат з чорного металу зварюється, оскільки болти швидко корозують, що призводить до підвищення опору загального контуру. Зварювальні шви повинні бути високої якості.

Від зібраного контуру заземлення проводиться смугою до будинку і кріпиться до фундаменту. Провід від щита підключається до болту, привареного до краю смуги.

Кріпильний хомут встановлюється на останній електрод, після чого закріплюється дріт. Герметизація затиснута здійснюється спеціальною стрічкою.

Засипання траншеї

Засипати траншею заземлення найкраще однорідним щільним ґрунтом.

Придбані в магазині пристрої заземлення з одним штирем комплектуються пластмасовими колодязями, що дозволяють здійснювати ревізію.

Проведення заземлення в щит

Встановлення розподільного щита здійснюється на стіну будівлі, причому місце монтажу має бути захищено від вологості. Кабелі проводяться через стіну з використанням спеціальних трубних гільз. Підключення дроту до встановленої на корпусі щита шини проводиться за допомогою болтового з ‘єднання.

Після встановлення заземлення перевіряється мультиметром. Кількість електродів збільшується при опорі, що перевищує 4 Ом. Дроти заземлення в жовтій ізоляції підключаються до відповідного роз ‘єму шини заземлення. При підключенні різних пристроїв – світильників, розеток відкритої установки із заземленням та інших – жовті дроти також під ‘єднуються до відповідних клемів. Наприклад, на розетках подібна клема розташовується в центрі. Найбільш безпечними вважаються розетки прихованої установки із заземленням – вони використовуються для підключення холодильників, газових плит та інших побутових приладів.