Измерения и расчеты систем заземления Земли (BS 7430)

Автор: Селезнев Владимир [email protected].

Публикация: 2025-03-03 20:31.

Последние изменения: 2025-03-03 20:31

Цель заземления

Заземление системы предполагает обеспечение связи с общей массой земли. Это соединение должно иметь сопротивление, не превышающее сопротивление, необходимое для работы предохранительных механизмов, чтобы изолировать электропитание от неисправности.

Измерения и расчеты систем электродов Земли (согласно BS 7430) - фото кредит: dmcpower.com

Второй важной характеристикой заземляющего соединения является то, что он ДОЛЖЕН быть способен выдерживать максимальный ожидаемый ток повреждения.

Значение требуемого сопротивления может не всегда соответствовать автоматически установленному значению. Поэтому следует учитывать различные факторы, которые влияют на сопротивление заземлению и ток замыкания на землю скрытого проводника, обозначенного заземляющим электродом.

Это должно включать размер и форму заземляющего проводника, удельное сопротивление почвы, в которой оно было захоронено, и подключение системы к нему. Также важно учитывать плотность тока на поверхности заземляющего электрода и потенциалы земли в его окрестности.

Природа сайта

Обработка почвы
Сопротивление грунта
Измерение удельного сопротивления грунта
Типы заземляющих электродов и их расчет сопротивления
1. Тарелки
2. Электрод стержня
3. Параллельное соединение выровненных стержней
4. Газовые или круглые проводящие электроды
5. меш
6. Сопротивление электрода, заключенного в материал с низким удельным сопротивлением
7. Разные электроды
  - Три стержня в вершинах равностороннего треугольника
  - Две полосы, расположенные под прямым углом друг к другу, встречаются в одном углу
  - Три полосы, установленные на 120 °, встречаются в точке звезды равной одинаковой длины
  - Четыре полосы, установленные в крестообразном
  - Конструкционные металлоконструкции

1. Природа сайта

Основной характер и свойства почвы в данном месте не могут быть изменены без значительных затрат, и тщательное рассмотрение геологии должно использоваться для определения наилучшего местоположения для системы заземления.

Если есть опция, сайт следует выбирать в одном из следующих типов ситуаций в порядке предпочтения:

Мокрый болотистый грунт;
Глина, суглинистая почва, пахотная земля, глинистая почва, глинистая почва или суглинок, смешанная с небольшим количеством песка;
Клей и суглинок, смешанные с различными пропорциями песка, гравия и камней;
Влажный и влажный песок, торф.

Сухой песок, гравий, мел, известняк, каменный камень, гранит, любая очень каменистая почва и все места, где девственная порода находится очень близко к поверхности, следует избегать, если это возможно. Следует выбирать участок, где содержание влаги идеально непрерывно в пределах от 15% до 20%. Опаленное место не имеет существенного значения, если почва не песка или гравия.

Следует проявлять осторожность, чтобы избежать попадания воды на нее (например, слой ручья) для полезных солей в таких ситуациях полностью удаляться из почвы.

Вернуться к содержанию ↑

1.1 Обработка почвы

В местах с высоким удельным сопротивлением или на скалистом грунте, где требуются долгосрочные эксплуатационные характеристики, можно считать необходимым использовать проводящий бетон для улучшения сопротивления заземлению вокруг заземляющего стержня или ленты (ленты), где это применимо.

Для достижения этой цели имеются коммерчески доступные материалы, но следует позаботиться о том, как они работают во время установки, чтобы обеспечить их контакт со стержнем или полосой и не сжиматься и не опухать после высыхания.

Химическая обработка почвы имеет экологические последствия и не должна рассматриваться как долгосрочное решение для достижения определенного уровня сопротивления, кроме риска коррозии в системе заземления. Кокс-бриз также не должен использоваться из-за его высококоррозионного характера.

Рисунок 1 - Траншейный метод обработки почвы

Вернуться к содержанию ↑

2. Сопротивление грунта

Сопротивление заземлению данного электрода зависит от электросопротивления почвы. Большинство формул первого приближения связаны с однородной почвой, что редко бывает на практике, когда различные слои слоев будут влиять на распределение тока, проходящего через электрод.

В таблице 1 приведены только примеры удельного сопротивления. Эти цифры являются очень общими и не должны использоваться для замены фактических измерений, сделанных на предлагаемом участке. Их можно использовать, чтобы указать на трудности, с которыми может столкнуться при подготовке адекватного дизайна в выбранном месте.

Эффективное удельное сопротивление также контролируется минеральными солями в грунте и уровнем содержания влаги, поэтому следует помнить, что показания, сделанные после установки, могут значительно отличаться от исходных результатов испытаний.

Температура почвы оказывает некоторое влияние на верхние слои пластов, но важна только в морозных условиях. Поэтому любая часть электродной системы, которая меньше 0, 5 м ниже уровня земли, не должна считаться эффективной.

Таблица 1 - Примеры удельного сопротивления грунта в Ωm

ЗАМЕТКА! - Таблица 1 предназначена только для общего руководства. Сопротивление земли по существу является электролитическим и зависит от содержания влаги и способности почвы удерживать влагу плюс химический состав и концентрацию полезных солей, растворенных в воде.

Колонны 2 и 3 относятся к большинству Британских островов, но колонка 5 более специфична для болотистых местностей вокруг речных эстуариев.

Вернуться к содержанию ↑

3. Измерение удельного сопротивления грунта

Сопротивление грунта можно измерять аналогично установлению сопротивления заземляющего электрода.

Следует отметить, что эти типы измерений не всегда просты и часто могут приводить к широкому диапазону значений сопротивления в зависимости от ряда факторов, таких как упомянутые в предыдущем параграфе.

Измерения удельного сопротивления грунта для предварительного определения сопротивления земной поверхности или импеданса земли должны проводиться с использованием четырехзондового метода (широко известного как метод Веннера) следующим образом.

Проведите четыре равноотстоящих испытательных электрода на глубину не более 5% от их расстояния друг от друга. Важно, чтобы их зоны сопротивления не перекрывались (рис. 2)
Пропускной ток между двумя внешними электродами
Измерьте потенциал земли между двумя внутренними электродами

Сопротивление R следует рассматривать как отношение напряжения между внутренними электродами и током между внешними электродами. В однородной почве среднее удельное сопротивление ρ в ом метрах (Ωm) может быть принято как:

ρ = 2 π a R

где:

a - расстояние между электродами, в метрах (м);
R - сопротивление, измеренное между средними электродами, в омах (Ω).

Рисунок 2 - Измерение удельного сопротивления земли

Определенное таким образом удельное сопротивление относится к расстоянию между электродами a, которое связано с глубиной исследования. Повторяя измерение с увеличением значений a, можно оценить кажущееся удельное сопротивление с большей глубиной.

Это можно рассматривать как указание на возможный выигрыш при движении более глубоких стержней и т. Д. В страты с низким удельным сопротивлением, чтобы получить требуемое сопротивление.

Рисунок 3 - Исследование удельного сопротивления почвы методом Веннера

Еще немного слов о методе Веннера

Четыре равноотстоящих тестовых всплеска должны быть рассчитаны на глубину до 1 м, глубина которых не превышает 5% от их разделения.

Важно, чтобы их зоны сопротивления не перекрывались. Ток должен проходить между двумя внешними электродами, а сопротивление R можно найти как отношение напряжения между внутренними электродами к току, проводимому через внешние электроды.

Обнаруженное удельное сопротивление применяется к глубине грунта а, поэтому, повторяя измерение с различными значениями а, может быть найдено среднее удельное сопротивление к различным глубинам, и результаты показывают, следует ли получить какое-либо преимущество путем установки глубоко возбужденных электродов для достижения пластов более низкого удельного сопротивления.

ПРИМЕР. Если расстояние между электродами составляет 1 м, то константа для тестовой установки рассчитывается как (2 × 3, 14 × 100) см = 628 см. Если прибор считывает 40 Ом, удельное сопротивление земли составляет (40 × 628) Ом см = 25 120 Ом · см.

Следует отметить, что условия окружающей среды, такие как температура, оказывают влияние на удельное сопротивление земли с соответствующим уменьшением удельного сопротивления при повышении температуры.

Вернуться к содержанию ↑

4. Типы заземляющих электродов и их расчет сопротивления

Система заземления должна иметь самую высокую целостность и надежную конструкцию, чтобы гарантировать ее безопасность и не угрожать здоровью и безопасности людей или их окружения. Большинство формул, представленных в этом разделе, относятся к низкочастотным токам, а примеры с высокой частотой не включены.

Поэтому важно признать эту проблему, если рассматривается длинная горизонтальная лента или оголенный кабель для создания низкого сопротивления заземления, хотя импеданс в конечном итоге будет ограничен окончательным значением (см. Рисунок 4).

Системы заземления должны состоять из медных проводников, медных или аустенитных стальных стержней соответствующих размеров, чугунных пластин или стальных свай, используемых индивидуально или соединенных вместе в сочетании с одной локальной системой заземления.

Рисунок 4 - Сопротивление заземления горизонтальных земных электродов, захороненных в однородной почве

Все последующие формулы основаны на однородных почвенных условиях, поэтому в большинстве практических ситуаций дают разумное представление о проблемах (с точностью до 15%), которые могут существовать, если страты таковы, что удельное сопротивление изменяется на разных уровнях.

Можно считать необходимым применять численные методы, которые более сложны, чем приведенные ниже формулы, и доступно программное обеспечение для проведения более подробных расчетов. Результаты приведенных ниже формул имеют точность от 10% до 15% и могут считаться достаточными для указания того, что может быть результатом данного проекта.

Тем не менее, испытание на удельное сопротивление на месте должно всегда выполняться до проведения проектирования и установки системы заземления.

Влияние формы на сопротивление электродов связано с плотностью тока вокруг рассматриваемого конкретного электрода. Для получения низкого общего сопротивления плотность тока должна быть как можно меньше в среде, окружающей электрод.

Это может быть достигнуто путем увеличения размеров в одном направлении по сравнению с другими двумя. Таким образом, стержень или полоса трубы имеют гораздо более низкое сопротивление, чем пластина с равной площадью поверхности.

Вернуться к содержанию ↑

а) Плиты

Примерное сопротивление заземлению пластины R в омах (Ω) может быть рассчитано из:

где:

ρ - удельное сопротивление грунта (предполагается равномерным), в омных метрах (Ωm);
А - площадь одной грани пластины, в квадратных метрах (м ²).

Пластины, если они используются, должны быть установлены как небольшие единицы длиной не более 1, 2 м × 1, 2 м, соединенные параллельно вертикально и не менее чем на 2 м друг от друга. Минимальный слой грунтовки должен быть не менее 600 мм, и в идеале окружающий грунт должен быть влажным.

Соединения с пластиной должны быть выполнены из медного проводника, свариваться, заклепываться или иным образом прикрепляться материалом, который не вызывает коррозии на стыке. Готовое соединение должно быть покрыто тяжелым слоем битума. Соединительная планка с надземной точкой разъединения должна быть полностью изолирована, чтобы избежать электролитического действия.

Там, где пластина помещается в вырезанную щель, например, в мелком слое вблизи поверхности, щель должна быть достаточно большой, чтобы покрыть по всей пластине толщиной не менее 300 мм или другой проводящей средой с низким удельным сопротивлением. Это требует тщательной сборки во время установки, чтобы гарантировать, что дно плиты покоится в используемой среде, а не на меле или подложках с высоким удельным сопротивлением.

ЗАМЕТКА! Для обычных размеров сопротивление приблизительно обратно пропорционально линейным размерам, а не площади поверхности, то есть пластина 0, 9 м × 0, 9 м имеет сопротивление примерно на 25% выше, чем пластина 1, 2 м × 1, 2 м.

Вернуться к содержанию ↑

b) Электрод стержня

Сопротивление стержня R _r в омах (Ω) можно рассчитать по формуле:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - длина электрода, в метрах (м);
d - диаметр стержня, в метрах (м).

ЗАМЕТКА! - Изменение диаметра мало влияет на общую величину сопротивления, и размер больше определяется механической прочностью стержня, чтобы выдерживать механическое приведение в действие, когда требуются глубокие заземляющие стержни, например, до глубины 20 м или более.

Вернуться к содержанию ↑

c) Параллельное соединение выровненных стержней

Сопротивление R _t в омах (Ω) из n вертикально приводимых стержней, установленных на расстоянии друг от друга, может быть рассчитано из:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - длина электрода, в метрах (м);
n - количество стержней;
s - расстояние между стержнями, в метрах (м).

ЗАМЕТКА! - Это основано на работе, проведенной Heppe RJ в 1998 году, касающейся вычислительного подхода к потенциалу на поверхности поверхности стержней и т. Д. И дает несколько более оптимистичный ответ, чем можно было бы ожидать.

Эта модель более тесно связана с основной теорией, лежащей в основе электростатического поведения компонента заземляющей системы, в силу более четко выраженного интерактивного эффекта величины s, которая для практических целей уже давно установлена как не менее чем в два раза больше глубины стержень.

Это связано с полусферическим радиусом стержня, и это предотвратило эффект использования менее двухкратного ограничения в дизайнерском мышлении. Это влияет на интерференционные характеристики нескольких стержневых / ленточных и т. Д. Систем, когда интервал уменьшается ниже двухкратного значения.

Вернуться к содержанию ↑

d) Газовые или круглые проводящие электроды

Этот раздел касается только прямой проводки. Здесь не рассматриваются другие формы. Сопротивление R _ta в омах (Ω) полосы или круглого проводника может быть рассчитано из:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - длина электрода, в метрах (м);
h - глубина электрода, в метрах (м);
d - диаметр круглого проводника или диаметр эквивалентной площади поперечного сечения полосы, в метрах (м).

Когда две или более полос с прямой длиной, каждая из длины L в метрах (м) и расстояние расстояния s метров проложены параллельно друг другу и соединены вместе на одном конце, только комбинированное сопротивление может быть рассчитано по следующему уравнению:

R _n = FR ₁

где:

R _n - сопротивление n проводников параллельно, в омах (Ω)
R ₁ - сопротивление одной полосы длины L, рассчитанное по предыдущему уравнению Rta, в омах (Ω).
F имеет следующее значение:
- Для двух длин: F = 0, 5 + (0, 078 (с / л)) - 0, 307
- Для трех длин: F = 0, 33 + (0, 071 (с / л)) - 0, 408
- Для четырех длин: F = 0, 25 + (0, 067 (с / л)) - 0, 451
- При условии, что 0, 02 <(s / L) <0, 3

Вернуться к содержанию ↑

e) Сетка

Сопротивление сетки (сетки) R _m ohms (Ω) можно рассчитать по формуле:

Где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
A - фактическая площадь, покрытая сеткой, в квадратных метрах (м ²);
L - общая длина полосы, используемой в сетке, в метрах (м).

Вернуться к содержанию ↑

f) Сопротивление электрода, помещенного в материал с низким удельным сопротивлением, например, проводящий бетон

Сопротивление засыпанного электрода R _b в омах (Ω) можно рассчитать по формуле:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
ρ _c - удельное сопротивление проводящего материала, используемого для обратной засыпки, в омметрах (Ωm);
L - длина стержня, в метрах (м);
d - диаметр стержня, в метрах (м).

Вернуться к содержанию ↑

g) Разные электроды

Существует множество конфигураций, которые могут быть указаны в этом разделе, но некоторые из них, которые, скорее всего, будут стараться в первую очередь для достижения требуемого значения, включаются, в частности, при работе с глубоко армированными сваями и т. Д.

Три стержня в вершинах равностороннего треугольника
Две полосы, расположенные под прямым углом друг к другу, встречаются в одном углу
Три полосы, установленные на 120 °, встречаются в точке звезды равной одинаковой длины
Четыре полосы, установленные в крестообразном
Конструкционные металлоконструкции

Три стержня в вершинах равностороннего треугольника

Сопротивление R _e в омах (Ω) трех взаимосвязанных стержней, установленных в вершинах равностороннего треугольника (см. Рис. 5) длины боковых метров, можно рассчитать по формуле:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - длина стержня, в метрах (м);
d - диаметр стержня, в метрах (м);
s - длина одной стороны равностороннего треугольника, в метрах (м).

Рисунок 5 - Три стержня в вершинах равностороннего треугольника

Вернуться к содержанию ↑

Две полосы, расположенные под прямым углом друг к другу, встречаются в одном углу

Сопротивление R _L в омах (Ω) двух полосок равной длины, установленное на 90 ° с одним касанием угла (см. Рис. 6), может быть рассчитано из:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - общая длина полосы в метрах (м);
h - глубина погребения в метрах (м);
d - диаметр круглого проводника или диаметр эквивалентной площади поперечного сечения полосы в метрах (м).

Рисунок 6 - Две полосы, расположенные под прямым углом друг к другу, встречаются в одном углу

Вернуться к содержанию ↑

Три полосы, установленные на 120 °, встречаются в точке звезды равной одинаковой длины

Сопротивление R _S в омах (Ω) расположенной на звезду полосы (см. Рис. 7) можно рассчитать по формуле:

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm); - общая длина полосы в метрах (м);
L - глубина погребения в метрах (м);
h - диаметр круглого проводника или диаметр эквивалентной площади поперечного сечения полосы в метрах (м).

Рисунок 7 - Три полосы, установленные на 120 °, встречающиеся в точке звезды равной одинаковой длины

Вернуться к содержанию ↑

Четыре полосы, установленные в крестообразном

Сопротивление R _cr в омах (Ω) четырех полос, установленных в крестообразном состоянии (см. Рис. 8), можно рассчитать по формуле:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
L - общая длина полосы в метрах (м);
h - глубина погребения в метрах (м);
d - диаметр круглого проводника или диаметр эквивалентной площади поперечного сечения полосы в метрах (м).

Рисунок 8 - Четыре полосы, установленные в крестообразном

Вернуться к содержанию ↑

Конструкционные металлоконструкции

В качестве готового и эффективного заземляющего электрода можно использовать фундаментную конструкцию из бетона. Общая площадь электрода, образованная подземными металлоконструкциями большой структуры, часто может быть использована для обеспечения сопротивления земли ниже, чем другие способы.

Возможны общие значения, значительно меньшие 1 Ом.

Важно обратить внимание на возможность коррозии арматуры из металлоконструкций. Продукты коррозии занимают больший объем, чем исходный металл и трещины могут возникнуть. В частности, следует обратить внимание на непрерывные токи заземления.

Возможным источником такого тока может быть несовместимость с другими захороненными металлическими изделиями, включая другие типы заземляющего электрода, к которым могут быть прикреплены фундаментные изделия.

ЗАМЕТКА! - Возможно, потребуется рассмотреть необходимость катодной защиты.

Не следует ожидать, что переменный ток вызовет коррозию, но исправление, достаточное для получения очень небольшой доли постоянного тока, может иметь место.

В тех случаях, когда ожидается значительный непрерывный ток утечки на землю, рекомендуется предусмотреть основной электрод типов, описанных в предыдущем разделе, к которым могут быть присоединены фундаментные электроды для обеспечения вспомогательных электродов, тем самым способствуя высоким токам повреждения.

Коррозия железобетонных стальных конструкций, подверженных токам повреждения переменного тока в пределах ее несущей способности, может считаться незначительной.

ЗАМЕТКА! - Повреждение бетона в виде крекинга из-за дуги или быстрого испарения влаги может происходить там, где длительные токи замыкания на землю превышают несущую способность электрода. Эта ситуация вряд ли возникнет, если электрод имеет достаточно низкое сопротивление, чтобы избежать опасного напряжения на земле.

Сопротивление к земле бетонной опалубки или бетонной арматуры зависит от типа почвы, ее влажности и конструкции фундамента.

Бетон гигроскопичен и, за исключением сухих мест, при захоронении в почве, можно ожидать, что оно будет иметь удельное сопротивление около 30 Ом-90 Ом при нормальных температурах. Это ниже, чем некоторые типы почвы.

Необходимо измерить сопротивление землям любых металлических изделий, которые предполагается использовать в качестве электрода, и следить за его значением через определенные промежутки времени, чтобы подтвердить, что он продолжает обеспечивать надлежащее соединение с землей.

Рисунок 9 - Вертикальные электроды, расположенные в полом квадрате

В идеале должно быть получено подтверждение комбинированного сопротивления всех электродов, но сопротивление поверхности структуры, покрывающей большую площадь, может быть довольно низким, и точное измерение на завершенной структуре может быть затруднено или невозможно достичь.

Там, где конструкция поддерживается на многих аналогичных опорах, ее можно считать выполнимой и более удовлетворительной для измерения сопротивления одной опоры, прежде чем она электрически соединена с другими, и перед тем, как рядом с ней будут расположены другие параллельные друг с другом опоры.

Если это возможно, выгодно и рекомендуется измерять сопротивление нескольких таких оснований, чтобы получить указание на вероятное изменение сопротивления.

В предположении, что репрезентативное значение сопротивления фундамента может быть получено, совокупный эффект всех подобных фундаментов R _TOT в омах (Ом), предполагается, что расположено в приблизительно прямоугольном плане, может быть определен из следующих:

Где:

- R ₁ - сопротивление одной опоры, в омах (Ω);
- λ - коэффициент из таблицы 2;
ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
s - расстояние между опорами, в метрах (м);
n - количество опор, используемых в качестве электродов (см. примечание к таблице 2).

ЗАМЕТКА! - Это уравнение основано на предположении, что расстояние между соседними электродами таково, что отношение ρ / 2πR ₁ s меньше, чем приблизительно 0, 2.

Таблица 2 - Факторы для вертикальных электродов, расположенных по пустому квадрату

ЗАМЕТКА! - Значительная часть сопротивления связана с тем, что бетон на земле находится непосредственно вокруг металлоконструкций и зависит от его влажности. После строительства и с течением времени это содержание влаги будет приближаться к равновесию с уровнем почвы и обычно будет сушиться, чем при первом закладывании.

Следует принимать во внимание последующее увеличение сопротивления электродов из-за изменения влажности при использовании измерений, выполненных во время установки конструкции.

Важно обеспечить электрическую непрерывность между всеми металлическими изделиями, которые считаются частью электрода.

В случае контактов между металлическими изделиями в бетоне или под землей, такими как арматурные стержни, это лучше всего осуществить при сварке. Над землей и на анкерных болтах это обычно можно сделать, подключив проводник для обхода каждого структурного соединения. Это особенно относится к поверхностям, которые могли быть загрунтованы перед сборкой.

Сопротивление заземлению железобетонного фундамента R _r в омах (Ω) можно оценить, предположив, что к строительной конструкции или к заземляющей системе прикреплены только вертикальные усиливающие стержни. Эффект другого арматуры, который может быть прикреплен только проволочными связями, можно пренебречь.

Можно предположить, что стержни равномерно распределены симметричным образом

(см. таблицу 3).

где:

ρ - удельное сопротивление почвы, в ом метрах (Ωm);
ρ _c - удельное сопротивление бетона, в омных метрах (Ωm);
L - длина усиливающего стержня ниже уровня земли, в метрах (м);
δ - толщина бетона между стержнями и почвой, в метрах (м);
z - геометрическое среднее расстояние кластера стержней, в метрах (м).

Таблица 3 - Геометрическое среднее расстояние z для близко расположенных арматурных стержней в симметричном узоре

Вернуться к содержанию ↑

Ссылка // BS 7430: 2011 - Кодекс практики защитного заземления электроустановок