Оглавление
- Введение
- Определения естественного и искусственного заземлителей
- Основные виды естественных заземлителей
- Арматура фундамента зданий и сооружений как естественный заземлитель
- Нормативные основания для использования только естественных заземлителей
- Нормируемые значения сопротивления и напряжения прикосновения
- Присоединение естественных заземлителей к заземляющему устройству
- Случаи, когда искусственный контур всё же необходим
- Методы контроля и измерения параметров заземляющих устройств
- Практические рекомендации по проектированию и эксплуатации
1. Введение
Вопрос выбора типа заземлителей при проектировании и устройстве заземляющих устройств электроустановок остается одним из ключевых в обеспечении электробезопасности. Правильный подход позволяет не только выполнить требования нормативных документов, но и существенно снизить затраты на строительство и последующую эксплуатацию. Использование естественных заземлителей в тех случаях, когда это допустимо, даёт ощутимую экономию металла, трудозатрат и времени монтажа. При этом надёжность защитного заземления не снижается, если соблюдены все условия, установленные правилами.
Современная практика проектирования показывает, что во многих промышленных, общественных и даже жилых зданиях железобетонные фундаменты и другие строительные конструкции уже сами по себе обладают достаточным сопротивлением растеканию тока. В таких ситуациях устройство отдельного искусственного контура становится избыточным. Однако решение об отказе от искусственных заземлителей должно приниматься только на основании расчётов, измерений и строгого соответствия нормам. Ошибка в оценке может привести к превышению допустимых напряжений прикосновения или плотности тока, что создаёт риск повреждения конструкций и угрозу безопасности персонала.
В настоящей статье рассматриваются условия, при которых естественные заземлители позволяют полностью или частично отказаться от искусственного контура, особое внимание уделяется арматуре фундаментов, а также нормативным основаниям такого решения. Материал ориентирован на проектировщиков, инженеров-электриков, специалистов служб эксплуатации и всех, кто сталкивается с вопросами устройства заземляющих устройств напряжением до 1 кВ и выше.
Экономический эффект от использования естественных заземлителей особенно заметен на крупных промышленных объектах, где протяжённость искусственного контура могла бы составлять сотни метров. Отказ от лишних электродов снижает не только стоимость материалов, но и объём земляных работ, что важно при стеснённых условиях площадки или при наличии подземных коммуникаций. Вместе с тем проектировщик обязан помнить, что экономия не должна достигаться ценой снижения безопасности. Поэтому все решения должны быть подтверждены расчётами и, по возможности, натурными измерениями на стадии строительства.
Для полевых измерений удельного сопротивления грунта удобно купить прибор ИС-20.
2. Определения естественного и искусственного заземлителей
Согласно пункту 1.7.15 Правил устройства электроустановок заземлителем называется проводящая часть или совокупность соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду.
Искусственный заземлитель (п. 1.7.16 ПУЭ) — это заземлитель, специально выполняемый для целей заземления. К таким заземлителям относятся вертикальные и горизонтальные электроды из круглой, угловой, полосовой стали или меди, заглублённые в грунт по заранее рассчитанной схеме.
Естественный заземлитель (п. 1.7.17 ПУЭ) — сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду и используемая для целей заземления. Главное отличие состоит в том, что естественный заземлитель изначально не предназначался для заземления, но благодаря своим конструктивным особенностям и расположению способен выполнять эту функцию.
Использование естественных заземлителей прямо рекомендуется нормативными документами. В пункте 1.7.54 ПУЭ указано, что для заземления электроустановок могут применяться как искусственные, так и естественные заземлители. Если при использовании только естественных заземлителей сопротивление заземляющего устройства или напряжение прикосновения имеют допустимые значения, а также обеспечиваются нормированные значения напряжения на заземляющем устройстве и допустимые плотности токов в естественных заземлителях, то выполнение искусственных заземлителей в электроустановках до 1 кВ не обязательно.
Важнейшее ограничение сформулировано в том же пункте: использование естественных заземлителей не должно приводить к их повреждению при протекании токов короткого замыкания или к нарушению работы устройств, с которыми они связаны. Это требование особенно актуально для трубопроводов и строительных конструкций.
Различие между естественными и искусственными заземлителями имеет не только терминологический, но и практический смысл. Искусственные электроды проектируются и изготавливаются специально под требуемые параметры сопротивления и термической стойкости. Естественные же конструкции уже существуют и должны быть проверены на соответствие тем же параметрам. Именно поэтому нормативные документы содержат подробные перечни допустимых видов естественных заземлителей и условия их применения.
3. Основные виды естественных заземлителей
Перечень конструкций и сооружений, которые допускается использовать в качестве естественных заземлителей, приведён в пункте 1.7.109 ПУЭ. К ним относятся:
- металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землёй, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных, слабоагрессивных и среднеагрессивных средах;
- металлические трубы водопровода, проложенные в земле;
- обсадные трубы буровых скважин;
- металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, закладные части затворов и подобные конструкции;
- рельсовые пути магистральных неэлектрифицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренных перемычек между рельсами;
- другие находящиеся в земле металлические конструкции сооружений;
- металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле (при количестве кабелей не менее двух; алюминиевые оболочки использовать запрещено).
Из этого перечня наибольший практический интерес для большинства объектов представляют железобетонные фундаменты зданий. Они практически всегда присутствуют на площадке, имеют значительную площадь контакта с грунтом и при правильном исполнении обеспечивают низкое сопротивление растеканию. Водопроводные трубы и обсадные трубы скважин также часто используются как дополнительные естественные заземлители, но их применение ограничено условиями эксплуатации (нельзя использовать трубопроводы горючих и взрывоопасных веществ).
Важно подчеркнуть, что не все металлические конструкции автоматически становятся заземлителями. Требуется обеспечить непрерывную электрическую цепь по металлу и надёжный контакт с грунтом. Для железобетонных конструкций это достигается специальными мероприятиями, о которых подробно сказано в следующем разделе.
При выборе конкретных естественных заземлителей необходимо учитывать не только их электрические характеристики, но и возможность безопасного присоединения к заземляющему устройству электроустановки. Например, использование водопроводных труб допускается только при условии, что это не приведёт к повреждению труб или нарушению работы водопроводной сети при протекании токов короткого замыкания. Аналогичные ограничения действуют и для других коммуникаций.
4. Арматура фундамента зданий и сооружений как естественный заземлитель
Железобетонные фундаменты являются одним из наиболее эффективных и экономичных видов естественных заземлителей. Их применение допускается при выполнении ряда условий, установленных как ПУЭ, так и специальными документами по использованию строительных конструкций в качестве заземляющих устройств.
Основные требования к использованию арматуры фундаментов сводятся к следующему.
- Фундаменты должны находиться в неагрессивных, слабоагрессивных или среднеагрессивных средах. В сильноагрессивных грунтах применение возможно только при специальном обосновании расчётом плотности тока.
- Влажность грунта должна быть не менее 3 %. При меньшей влажности электрическое сопротивление бетона резко возрастает, и фундамент перестаёт эффективно работать как заземлитель.
- Арматура отдельных элементов фундамента и колонн должна быть металлически соединена между собой. Для соединения арматуры железобетонных колонн с арматурой фундамента применяются перемычки диаметром не менее 12 мм.
- Не допускается использование железобетонных конструкций с предварительно напряжённой арматурой (за исключением опор воздушных линий и опорных конструкций открытых распределительных устройств).
- Плотность тока, стекающего с арматуры в бетон, не должна превышать допустимых значений. Для длительного переменного тока 50 Гц эта величина составляет порядка 1 А/м², для токов короткого замыкания — значительно выше, но ограничена термической и электрокоррозионной стойкостью.
При соблюдении указанных условий сопротивление растеканию железобетонного фундамента может быть оценено приближённо по формуле:
\[ R = 0{,}5 \frac{\rho_{\text{э}}}{\sqrt{S}} \]
где \( R \) — сопротивление растеканию, Ом; \( \rho_{\text{э}} \) — эквивалентное удельное сопротивление земли, Ом·м; \( S \) — площадь, ограниченная периметром здания, м².
Эквивалентное удельное сопротивление земли учитывает слоистость грунта и сезонное изменение параметров. Для более точных расчётов применяют двухслойные модели грунта и соответствующие коэффициенты.
На практике перед принятием решения об использовании фундамента в качестве единственного или основного заземлителя обязательно выполняют измерения удельного сопротивления грунта и контрольные измерения сопротивления уже смонтированного заземляющего устройства. Такие измерения позволяют подтвердить расчётные данные и учесть реальные условия площадки.
Если сопротивление фундаментов оказывается выше требуемого, к ним присоединяют дополнительные естественные заземлители (водопровод, обсадные трубы) либо устраивают искусственные электроды. Однако во многих случаях, особенно на объектах с большой площадью застройки и относительно низким удельным сопротивлением грунта, фундаментов оказывается достаточно.
Для обеспечения непрерывности электрической цепи по арматуре в проектной документации предусматриваются специальные узлы. Соединение арматуры колонн с арматурой фундамента выполняется сваркой или с помощью резьбовых муфт, обеспечивающих надёжный контакт. Анкерные болты стальных колонн привариваются к арматурным стержням фундаментов в тех случаях, когда это требуется по расчёту плотности тока.
5. Нормативные основания для использования только естественных заземлителей
Ключевым нормативным положением, позволяющим отказаться от искусственного контура, является пункт 1.7.54 ПУЭ. Он прямо устанавливает, что в электроустановках до 1 кВ искусственные заземлители не обязательны, если выполняются четыре условия одновременно:
- сопротивление заземляющего устройства имеет допустимое значение;
- напряжение прикосновения имеет допустимое значение;
- обеспечиваются нормированные значения напряжения на заземляющем устройстве;
- обеспечиваются допустимые плотности токов в естественных заземлителях.
Все эти параметры должны быть обеспечены при наиболее неблагоприятных условиях в любое время года (п. 1.7.56 ПУЭ). Это означает необходимость учёта сезонного увеличения удельного сопротивления грунта в периоды промерзания или высыхания.
Дополнительно в пункте 1.7.109 ПУЭ содержатся ограничения по видам конструкций. Особо отмечено, что возможность использования естественных заземлителей по условию плотности протекающих токов, необходимость сварки арматурных стержней, приварки анкерных болтов стальных колонн к арматуре фундаментов, а также возможность применения фундаментов в сильноагрессивных средах должны определяться расчётом.
Для промышленных зданий существует сложившаяся практика, закреплённая в ряде технических циркуляров и рекомендаций: при обеспечении допустимых напряжений прикосновения с помощью железобетонных фундаментов не требуется сооружение искусственных заземлителей, прокладка выравнивающих полос снаружи зданий и выполнение магистральных проводников заземления внутри здания. Металлические и железобетонные конструкции при этом должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных элементах предусматриваются закладные детали для присоединения оборудования.
Таким образом, отказ от искусственного контура — это не упрощение, а результат комплексной оценки. Он возможен только тогда, когда естественные заземлители по своим параметрам полностью удовлетворяют требованиям безопасности. В противном случае устройство искусственных электродов остаётся обязательным.
6. Нормируемые значения сопротивления и напряжения прикосновения
Даже при наличии естественных заземлителей необходимо обеспечить соответствие параметров заземляющего устройства установленным нормам. Основные количественные требования изложены в главе 1.7 ПУЭ и зависят от напряжения электроустановки, режима нейтрали и назначения заземляющего устройства.
Для электроустановок напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генератора или трансформатора, с учётом естественных заземлителей и повторных заземлителей нулевого провода должно быть не более:
- 2 Ом при линейном напряжении 660 В;
- 4 Ом при линейном напряжении 380 В;
- 8 Ом при линейном напряжении 220 В.
| Линейное напряжение, В | Допустимое сопротивление заземляющего устройства, Ом |
|---|---|
| 660 | не более 2 |
| 380 | не более 4 |
| 220 | не более 8 |
Эти значения должны соблюдаться в любое время года. При этом допускается увеличение сопротивления в период максимального промерзания или высыхания грунта, но с обязательным учётом сезонных коэффициентов при проектировании.
Помимо сопротивления нормируется напряжение прикосновения. Его допустимые значения зависят от длительности воздействия тока замыкания и приведены в соответствующих таблицах ПУЭ. Для заземляющих устройств, выполняемых по сопротивлению, напряжение на заземляющем устройстве при стекании тока замыкания на землю также ограничивается.
При использовании естественных заземлителей расчёт сопротивления выполняется с учётом их реального вклада. Если сопротивление естественных заземлителей уже удовлетворяет норме, искусственные электроды не требуются. В противном случае рассчитывается необходимое дополнительное сопротивление искусственной части по формуле параллельного соединения:
\[ R_{\text{и}} = \frac{R_{\text{е}} \cdot R_{\text{н}}}{R_{\text{е}} - R_{\text{н}}} \]
где \( R_{\text{и}} \) — требуемое сопротивление искусственных заземлителей, Ом; \( R_{\text{е}} \) — сопротивление естественных заземлителей, Ом; \( R_{\text{н}} \) — нормируемое сопротивление заземляющего устройства, Ом.
Важным условием остаётся обеспечение допустимой плотности тока в естественных заземлителях. Превышение этой величины может вызвать электрокоррозию арматуры и разрушение бетона, поэтому при больших токах короткого замыкания естественные заземлители часто дополняют искусственными даже при достаточном сопротивлении.
При расчёте напряжения прикосновения учитывают сопротивление тела человека, сопротивление обуви и пола, а также распределение потенциала на поверхности земли. Для объектов с большой площадью застройки, где используются фундаменты в качестве заземлителей, выравнивание потенциалов часто обеспечивается самой арматурой каркаса здания, что дополнительно снижает напряжение прикосновения.
7. Присоединение естественных заземлителей к заземляющему устройству
Естественные заземлители должны быть надёжно присоединены к магистрали заземления электроустановки. Согласно требованиям ПУЭ присоединение выполняется не менее чем в двух точках, расположенных в разных местах. Это повышает надёжность соединения и снижает риск потери контакта при повреждении одного из проводников.
В качестве заземляющих проводников используются стальные полосы, прутки или другие металлические конструкции, обеспечивающие непрерывность электрической цепи. Сечение проводников выбирается по условию термической стойкости при токах короткого замыкания и по механической прочности.
Для железобетонных фундаментов присоединение выполняется к закладным деталям, приваренным к арматуре. В местах выхода из бетона предусматривается защита от коррозии. При использовании водопроводных труб присоединение выполняется специальными хомутами или сваркой с последующей антикоррозионной обработкой.
Особое внимание уделяется переходу от естественных заземлителей к искусственным, если последние всё же применяются. В этом случае вся система должна представлять собой единое заземляющее устройство с общими параметрами сопротивления и выравнивания потенциалов.
При проектировании следует предусматривать возможность периодического контроля состояния соединений. Для этого в доступных местах устанавливаются разъёмные соединения или контрольные точки, позволяющие выполнять измерения без полного отключения заземляющего устройства.
Сечение стальных заземляющих проводников должно быть не менее значений, указанных в таблицах ПУЭ. Для соединений, доступных для осмотра, допускается применение болтовых соединений с обязательной защитой от коррозии. В местах, подверженных вибрации или механическим воздействиям, предпочтение отдаётся сварным соединениям.
8. Случаи, когда искусственный контур всё же необходим
Несмотря на преимущества естественных заземлителей, существует ряд ситуаций, когда устройство искусственного контура остаётся обязательным или целесообразным.
- Сопротивление естественных заземлителей превышает нормируемое значение даже с учётом сезонных коэффициентов.
- Плотность тока, стекающего с естественных заземлителей, превышает допустимую величину.
- Напряжение прикосновения или напряжение на заземляющем устройстве не укладывается в допустимые пределы.
- Отсутствуют подходящие естественные заземлители (например, здание на свайном фундаменте с гидроизоляцией в сильноагрессивной среде или на скальном основании с низкой влажностью).
- Электроустановка относится к объектам, для которых нормативные документы прямо требуют выполнения искусственных заземлителей (отдельные виды подстанций, объекты с особыми требованиями к выравниванию потенциалов).
- Необходимо снизить токи, протекающие по естественным заземлителям, чтобы предотвратить их повреждение или нарушение работы связанных устройств.
В электроустановках выше 1 кВ требования к заземляющим устройствам более жёсткие, и естественные заземлители, как правило, используются в сочетании с искусственными. Для сетей с эффективно заземлённой нейтралью сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 0,5 Ом с учётом естественных заземлителей.
Даже если расчёт показывает достаточность естественных заземлителей, на практике часто предусматривают небольшой искусственный контур в качестве резерва и для удобства измерений. Такой подход повышает надёжность системы в долгосрочной перспективе.
Отдельного рассмотрения требуют объекты, расположенные в районах с высоким удельным сопротивлением грунта (скальные, песчаные, многолетнемёрзлые грунты). В таких условиях даже большие по площади фундаменты могут не обеспечить требуемое сопротивление, и устройство искусственных заземлителей (часто с применением химических электродов или углублённых конструкций) становится неизбежным.
9. Методы контроля и измерения параметров заземляющих устройств
После монтажа заземляющего устройства и в процессе эксплуатации необходимо контролировать его параметры. Основные измеряемые величины — сопротивление растеканию заземляющего устройства, удельное сопротивление грунта и сопротивление отдельных элементов.
Измерения сопротивления заземляющих устройств выполняются методами вольтметра-амперметра по двух-, трёх- или четырёхпроводной схеме. Четырёхпроводный метод обеспечивает наибольшую точность, поскольку исключает влияние сопротивления соединительных проводов.
Для измерения сопротивления единичных заземлителей в многоэлементной системе без их отсоединения применяют методы с использованием измерительных клещей. Это особенно удобно при проверке естественных заземлителей, входящих в состав сложного заземляющего устройства здания.
В практике широко используются измерители сопротивления заземления ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05. Прибор ИС-20 позволяет выполнять измерения по четырёхпроводной схеме, а также с применением клещей, в том числе двумя клещами без вспомогательных электродов. Это даёт возможность определять сопротивление отдельных элементов без разрыва цепи. ИС-10 обеспечивает аналогичные возможности с несколько иным диапазоном рабочих температур. Более компактные ИС-06 и ИС-05 применяются для двух- и трёхпроводных измерений сопротивления и контроля напряжения помехи.
Удельное сопротивление грунта измеряется методом четырёх электродов (метод Веннера). Полученные значения используются для уточнения расчётов и выбора мест установки дополнительных заземлителей при необходимости.
Периодичность измерений устанавливается нормативными документами и зависит от категории электроустановки. Внеочередные измерения выполняются после ремонта, реконструкции или при обнаружении повреждений.
Результаты измерений оформляются протоколами. При несоответствии параметров нормам принимаются меры по снижению сопротивления — добавление искусственных электродов, улучшение соединений, увлажнение грунта в зоне заземлителей (в отдельных случаях).
При измерениях в условиях высокого уровня помех (вблизи работающего оборудования, линий электропередачи) рекомендуется использовать приборы с хорошей помехозащищённостью и возможностью выбора частоты измерительного сигнала. Результаты, полученные прибором, следует сопоставлять с расчётными значениями и данными предыдущих измерений для выявления тенденции изменения сопротивления.
10. Практические рекомендации по проектированию и эксплуатации
При проектировании заземляющих устройств целесообразно в первую очередь максимально использовать имеющиеся естественные заземлители. Для этого на стадии проектирования здания следует предусматривать закладные детали, сварные соединения арматуры и возможность присоединения к магистрали заземления.
Рекомендуется выполнять предварительный расчёт сопротивления фундаментов по известным формулам с учётом удельного сопротивления грунта площадки. Если расчётное значение близко к норме, следует заложить возможность дополнения искусственными электродами.
На стадии строительства необходимо контролировать качество соединений арматуры и закладных деталей. После монтажа фундаментов и до обратной засыпки желательно выполнить контрольные измерения сопротивления.
В процессе эксплуатации следует регулярно проверять состояние видимых соединений, отсутствие коррозии и механических повреждений. Измерения сопротивления заземляющего устройства рекомендуется совмещать с проверкой целостности главной заземляющей шины и защитных проводников.
При реконструкции или расширении объекта нужно заново оценивать вклад естественных заземлителей, поскольку изменение площади застройки или гидрогеологических условий может существенно повлиять на параметры заземляющего устройства.
Использование естественных заземлителей не освобождает от обязанности обеспечивать выравнивание потенциалов внутри здания и на его территории. В необходимых случаях дополнительно прокладываются горизонтальные электроды или используется система уравнивания потенциалов.
Документация на заземляющее устройство должна содержать схему расположения естественных и искусственных заземлителей, места присоединений, результаты расчётов и измерений. Такая документация существенно упрощает последующую эксплуатацию и проведение периодических проверок.
Заключение
Естественные заземлители, и в первую очередь арматура железобетонных фундаментов, позволяют во многих случаях полностью или частично отказаться от устройства искусственного контура. Такое решение даёт экономический эффект и упрощает монтаж при условии строгого соблюдения нормативных требований по сопротивлению, напряжению прикосновения и плотности тока.
Ключевым документом, определяющим возможность отказа от искусственных заземлителей, остаётся пункт 1.7.54 ПУЭ. Решение должно приниматься на основании расчётов и подтверждаться измерениями. При малейших сомнениях в достаточности естественных заземлителей целесообразно предусмотреть искусственный контур или комбинированную систему.
Правильный выбор и контроль параметров заземляющего устройства — основа электробезопасности объекта. Современные измерительные приборы позволяют оперативно и точно оценивать состояние как естественных, так и искусственных заземлителей, что делает возможным своевременное выявление отклонений и принятие корректирующих мер.
При необходимости подобрать и купить измеритель сопротивления заземления подходящего класса точности и функциональности можно ориентироваться на актуальные технические характеристики и цену оборудования, предназначенного для работы в реальных условиях эксплуатации.
Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич