Контур заземления

По своему назначению принято различать рабочее функциональное и защитное заземление. Под рабочим понимают соединение элементов какой-либо системы или оборудования с заземляющим устройством, не связанное с требованиями электробезопасности. Защитное заземление служит для защиты от поражения электрическим током.

Молниезащитное заземление предназначено для безопасного рассеяния тока молнии в грунте, может быть естественным (фундаментным) или искусственно смонтированным (кольцевым либо глубинным). Каждый токоотвод обязательно должен быть соединен с заземлителем. Заземлители должны прокладываться в земле на глубине не менее 0,5 метра и на расстоянии не менее 1 метра от фундамента.

Ныне действующая нормативная база предусматривает создание единого контура заземления на объекте. В случае, если это невозможно, то контуры требуется между собой соединить. Основным требованием к контуру рабочего заземления является его сопротивление, которое не должно превышать определенного значения.

В российских действующих инструкциях по молниезащите (СО 153-34.21.122-2003, РД 34.21.122-87) нет требований к сопротивлению растеканию заземления молниезащиты, в ГОСТ Р 59789-2021 (МЭК 62305-3:2010) фигурирует значение в 10 Ом. В действующих ранее стандартах для зданий I и II категорий (подробно с делением сооружений на категории по уровню защиты можно ознакомиться здесь по ссылке) максимальное импульсное сопротивление растеканию для заземления молниезащиты составляло 10 Ом, а для зданий III категории – 20 Ом.

Схемы контура заземления

Существуют два часто применяемых типа заземления для всех типов зданий и сооружений — глубинное и кольцевое. 

Глубинное заземление предполагает организацию одной или нескольких точек заземления (очагов), которые могут соединяться между собой или нет. В конструкции в качестве глубинных заземлителей используются металлические штыри (электроды). В последнее время на рынке представлено много такого рода готовых комплектов с инструкциями по самостоятельной установке, их еще называют модульно-штыревое заземление.

У нас в продаже комплекты модульно штыревого заземления представлены немецким производителем OBO Bettermann (описание, характеристики и преимущества можно посмотреть по ссылке ниже в нашеи интернет-магазине).

 Описание, характеристики и цены на комплекты заземления

Кольцевое означает устройство замкнутого контура по периметру здания (обычно в качестве элемента закольцовки применяют оцинкованную или нержавеющую полосу сечением 30х3.5 или 40х4 мм).

В схему заземления кроме самого контура или очагов включается заземляющий проводник, который непосредственно соединяется с системой молниезащиты кровли через токоотводы и/или выводится на главную шину заземления в электрощит дома (здания).

Минимальное допустимое сечение элементов заземления должно соответствоовать таблице (согласно МЭК):

Таблица ниже демонстрирует значения для различных типов элементов и проводников контура системы заземления (для увеличения масштаба кликните на изображение)

1) — Покрытие должно быть гладким, непрерывным и без пятен расплава и с минимальной толщиной 50 мкм для круглых проводников и 50 мкм для плоского материала; 2) — Жилы должны обрабатываться до оцинковывания; 3) — Также могут покрываться оловом; 4) — Медь должна надежно соединяться со сталью; 5) — Разрешается только в случае полного встраивания в бетонное сооружение; 6) — Разрешается только в случае правильного взаимного соединения через каждые 5 м (мин.) с естественным стальным армированием части фундамента, соприкасающейся с землей; 7) — Хром ≥ 16%, никель ≥ 5%, молибден ≥ 2%, углерод ≥ 0,08%; 8) — В некоторых странах допускается 12 мм; 9) — В некоторых странах заземляющий провод в стержнях используется для присоединения токоотвода к точке его входа в землю.

Сопротивление контура заземления

Методика расчета

В случаях, когда значение сопротивления контура заземления является определяющим параметром, его значение можно предварительно определить согласно методике.

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя

где L_в и d — длина и диаметр вертикального заземлителя, м; ρ — эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом*м; t — расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м; k_c — коэффициент сезонности (по табл. 1 — для стержневых заземлителей).

Сопротивление растеканию тока горизонтального заземлителя (соединительной полосы)

где L_г, b — длина и ширина соединительной полосы, м; h — заглубление соединительной полосы; k_c — коэффициент сезонности для полосы (по табл. 1 — для полосовых заземлителей); ρ — удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом*м.

Таблица 1 — Значения расчетных климатических коэффициентов сезонности сопротивления грунта

Общее сопротивление контура заземления

где η_г — коэффициент использования горизонтального заземлителя (полосы); η_в — коэффициент использования вертикальных заземлителей (по табл. 2); n - количество вертикальных заземлителей.

Таблица 2 — Коэффициенты использования вертикальных заземлителей hc и соединительной полосы hп

Контур заземления для частного дома

Исходные данные (пример)

Защищаемый объект — деревянный коттедж (сруб) с острой двухскатной кровлей и одним дымоходом. Получен план кровли и фасадов с габаритными размерами. Расположение внешней водосточной системы — по углам здания. Кровля изготовлена из керамической черепицы, дымоход — из кирпича, фасад деревянный. отмостка — отсутствует (вместо нее по периметры грунтовая дорожка). Периметр дома 12 х 8 метров.

Согласно нормам стандартов МЭК 62305-1, СО 153-34.21.122-2003 и РД 34.21.122-87, для данного типа сооружений принимается III или IV класс молниезащиты.

Грунт — суглинок с удельным сопротивлением от 40 до 150 Ом*м (в качестве расчетного таблицы предлагают значение 100 Ом*м).

Строение находится в климатической зоне с умеренным климатом со средней низшей температурой в январе от -14 до -10 ^oC и средней высшей темпратурой в июле от +18 до +22 ^oC, что соответствует II климатической зоне.

Выбор материалов

Материалы для контура заземления выбираются согласно действующим нормативам исходя из эстетических, экономических соображений, трудозатрат, агрессивности окружающей среды, санитарно-гигиенических норм. Допустим для данного объекта по требованию Заказчика материалом для системы заземления выбрана оцинкованная сталь.

Концепция заземления

Более жесткие нормативы для грунтов с удельным сопротивлением от 40 до 150 Ом*м при III или IV классе молниезащиты рекомендуют делать контур заземления по периметру защищаемого здания, а в местах соединения с токоотводами нужно прикрепить по одному вертикальному либо горизонтальному лучевому электроду длиной 2-3 м.

Согласно ГОСТ Р 59789-2021 (МЭК 62305-3:2010) при расположении типа А (стержневом) каждый токоотвод должен быть выведен на отдельный заземлитель (очаг), состоящий из двух горизонтальных электродов длиной 5 м либо вертикальных электродов длиной не менее 2,5 м. Расстояние между электродами должно быть не меньше их длины.

Будем исходить из того, что наше техническое решение должно удовлетворять требованиям обоих стандартов: к каждому токоотводу присоединен заземлитель, состоящий из двух вертикальных электродов длиной 3 м и расстоянием 3 м между ними. Заземлители соединены между собою кольцевым проводником, проложенным по периметру здания. Согласно действующим нормам стандартов, глубина залегания контура составляет 0,5 м, его расстояние до стены — 1 м.

Расчет контура заземления

Согласно требованиям стандарта, дающего более строгую трактовку, сечение стального заземлителя должно быть не менее 100 кв. мм. В качестве горизонтального заземляющего проводника, а также соединяющего провода вертикальных и горизонтальных заземлителей выбран плоский проводник сечением 30×3,5 мм из оцинкованной методом горячего погружения стали с цинковым покрытием 70 мкм.

Размеры сторон траншеи, вырытой по периметру здания для прокладки горизонтального заземлителя, составляют 14 и 10 м соответственно. Расстояние между вертикальными электродами — 3 м.

На соединение каждого токоотвода с контуром необходимо 2,5 м провода. В результате, общая длина плоского проводника: (14+10)×2+3×4+2,5×4=70 м. Для крепления плоских проводов к стене дома применяются держатели, всего 8 шт.

Вертикальные электроды изготавливлены из 1,5-метровых наборных стержней диаметром 20 мм. Материал стержней — оцинкованная методом горячего погружения сталь с покрытием 70 мкм. Каждый электрод состоит из двух наборных стержней, каждый вертикальный заземлитель состоит из двух электродов.

В итоге, общее количество стержней: 2×2×4=16 шт. Для забивания стержней в землю необходимы наконечники, их количество равно количеству вертикальных электродов — 2×4=8 шт.

Столько же должно быть клемм, соединяющих стержни с плоским проводом — 8 шт. Количество крестовых соединителей для плоского проводника должно быть не менее 12 шт. Принято количество с запасом — 15 шт. С целью защиты болтовых соединений в грунте используется антикоррозионная лента — один рулон на два соединения, всего 8 рулонов.

Материалы, применяемые в системе заземления, приведены в таблице ниже (кликните для увеличения).

Проверка полученного значения сопротивления контура

Вычислять сопротивление необходимо для всех заземляющих контуров (очагов), каждый из которых подключен к отдельному токоотводу. Наибольшее оно будет у самого "слабого" с точки зрения величины токопроводимости. При прочих равных он должен иметь либо меньшую суммарную длину или сечение заземлителей.

В нашем случае все точки заземления равнозначны, поэтому берем любую и составляем таблицу для расчета.

Подставив указанные значения параметров в уравнения для расчета одиночного вертикального и горизонтального заземлителей, а затем их уже с коэффициентами использования в формуму для расчета общего сопротивления контура получим:

R_ЗУ = 13.4 Ом*м, что меньше чем 20 Ом*м

Данное значение удовлетворяет требованием по значению сопротивления растеканию тока молнии для частных домов, которые относятся к III или IV категории. В противном случае следует изменить параметры контура. Это делается за счет увеличения количества стержней в конструкции вертикальных заземлителей (при этом надо не забыть выдержать расстояние между электродами, равное их длине).