Нормы сопротивления заземляющих устройств: инженерно-технический анализ

Основные понятия и классификация заземляющих устройств

Заземляющее устройство представляет собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников, предназначенную для электрического соединения оборудования с землей. Заземлителем является металлический проводник или группа проводников, находящихся в непосредственном контакте с грунтом. Сопротивление заземляющего устройства, часто называемое сопротивлением растеканию тока, есть суммарное электрическое сопротивление всей этой системы относительно земли. Эта величина измеряется в омах и является ключевым параметром, определяющим эффективность и безопасность заземления.

Проектирование и проверка соответствия нормам требуют участия специализированной электролаборатории, которая проводит весь комплекс работ – от расчета до контрольных измерений с использованием сертифицированного оборудования.

Существует несколько типов заземляющих устройств, различающихся по своему функциональному назначению. Рабочее заземление предназначено для соединения с землей определенных точек электроустановки, например, нейтрали трансформаторов, для обеспечения нормального режима работы оборудования, в том числе при использовании земли в качестве обратного провода. Защитное заземление служит для соединения с землей металлических частей электроустановки, которые нормально не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при повреждении изоляции. Его цель – защита людей от поражения электрическим током путем снижения напряжения прикосновения до безопасного уровня. Линейно-защитное заземление используется для защиты кабельных линий и воздушных проводов от грозовых и коммутационных перенапряжений. Измерительное заземление – это вспомогательное устройство для контрольных измерений. В ряде случаев, когда это допустимо по условиям работы схемы, рабочее и защитное заземления объединяются в одно рабоче-защитное заземляющее устройство, сопротивление которого должно удовлетворять наиболее жестким из предъявляемых к ним требованиям.

Важнейшим природным фактором, влияющим на параметры заземления, является удельное электрическое сопротивление грунта. Эта величина, измеряемая в омах на метр, характеризует электросопротивление куба грунта с ребром в один метр. Она зависит от состава грунта, его влажности, температуры, концентрации солей и подвержена значительным сезонным колебаниям. При проектировании и проверке заземляющих устройств в расчет принимается наиболее неблагоприятное значение удельного сопротивления, характерное для данного района, например, в периоды наибольшего промерзания или просыхания грунта.

Общие нормативные требования к сопротивлению заземления

Базовые требования к сопротивлению заземляющих устройств, к которым присоединены нейтрали генераторов и трансформаторов, изложены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) и в ГОСТ 12.1.030-81 «Система стандартов безопасности труда. Электрообезопасность. Защитное заземление, зануление». Эти документы устанавливают, что при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом·м сопротивление заземляющего устройства в электроустановках напряжением до 1000 В не должно превышать следующих значений: 2 Ома – для установок 660/380 В, 4 Ома – для установок 380/220 В, 8 Ом – для установок 220/127 В. Данные нормы обеспечивают необходимое снижение напряжения на корпусе оборудования при замыкании фазы на землю и гарантируют надежное срабатывание защитной аппаратуры.

При удельном сопротивлении грунта (ρ), превышающем 100 Ом·м, указанные нормы допускается повышать. Согласно ПУЭ и отраслевым стандартам, значение сопротивления заземляющего устройства может быть увеличено в (ρ/100) раз, однако это увеличение ограничено. Оно не должно быть более чем в десять раз, а также не может превышать иных предельных значений, установленных для конкретных типов электроустановок. Например, для грунта с ρ = 800 Ом·м допустимый коэффициент увеличения составит 800/100 = 8. Таким образом, для сети 380/220 В, где базовая норма равна 4 Ом, допустимое сопротивление заземления может быть увеличено до 4 * 8 = 32 Ома, что не превышает десятикратного предела.

Проектирование заземляющих устройств должно вестись с обязательным учетом использования в качестве заземлителей естественных проводящих конструкций, находящихся в земле. К ним относятся металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубы (за исключением трубопроводов для горючих жидкостей и газов, а также труб канализации и центрального отопления). Электрическое соединение с естественными заземлителями позволяет существенно снизить общее сопротивление заземляющего устройства и уменьшить объем земляных работ и расход металла на сооружение искусственных заземлителей.

Специфические требования для различных электроустановок

Помимо общих правил, для отдельных категорий электроустановок и объектов связи действуют более детализированные нормы, учитывающие особенности их работы. Например, ГОСТ 464-79 устанавливает нормы сопротивления для заземляющих устройств объектов проводной связи, радиовещания и телевидения. Для телефонных станций, использующих землю в качестве одного из проводов соединительных линий, сопротивление рабочего или рабоче-защитного заземления нормируется в зависимости от общего числа таких цепей. С увеличением числа цепей требования ужесточаются: от 10 Ом для 50 цепей до 0.5 Ома для более чем 1000 цепй. Это необходимо для минимизации взаимных влияний и обеспечения качества связи.

Особые требования предъявляются к защитному заземлению в необслуживаемых усилительных пунктах (НУП) кабельных линий связи. Для пунктов, питаемых по схеме «провод-земля», сопротивление рабочего заземления обычно не должно превышать 10 Ом при ρ до 100 Ом·м, а также должно обеспечивать падение напряжения от тока дистанционного питания не более 12 Вольт. Это ограничение по напряжению часто становится расчетным критерием для определения необходимого сопротивления.

Для устройств защиты линий связи от перенапряжений – таких как искровые и газонаполненные разрядники – нормы сопротивления заземления также дифференцированы. Например, для разрядников типов ИР-0.2, ИР-0.3, устанавливаемых на опорах воздушных линий, сопротивление заземляющего устройства нормируется в зависимости от удельного сопротивления грунта по специальным таблицам. Значения могут составлять от 5 Ом в грунтах до 100 Ом·м до 18 Ом в грунтах свыше 1000 Ом·м. Надежное заземление разрядников критически важно для их эффективного срабатывания и отвода импульсных токов в землю, что защищает дорогостоящее кабельное и станционное оборудование.

Контроль и эксплуатация заземляющих устройств

Эксплуатация заземляющих устройств требует регулярного контроля их технического состояния, главным образом – измерения сопротивления растеканию тока. Периодичность таких проверок регламентирована и зависит от типа объекта. Для ответственных стационарных объектов, таких как телефонные станции, измерения рекомендуется проводить два раза в год: в период наибольшего просыхания грунта (летом) и в период наибольшего промерзания (зимой). Это позволяет оценить наихудшие условия для растекания тока.

Для линейных сооружений – кабельных и воздушных линий связи, необслуживаемых усилительных пунктов, антенных систем – проверка сопротивления заземления обычно проводится один раз в год, перед началом грозового сезона (апрель-май). Своевременное выявление и устранение несоответствий в этот период является ключевой мерой по обеспечению грозоупорности систем.

Измерения должны проводиться с помощью специальных приборов – измерителей сопротивления заземления типа М-416, ИС-10, современных цифровых микроомметров – по утвержденным методикам. При этом важно учитывать, что измеренное сопротивление включает в себя не только сопротивление самого заземлителя, но и сопротивление заземляющих проводников от точки измерения до заземлителя. Поэтому для точной оценки состояния заземлителя измерения часто выполняются по трех- или четырехзажимной схеме с использованием вспомогательных измерительных электродов.

Влияние конструкции заземлителя на его сопротивление

Сопротивление одиночного вертикального заземлителя (стержня, трубы) прямо пропорционально удельному сопротивлению грунта и обратно пропорционально его длине. Увеличение глубины погружения электрода является эффективным способом снижения сопротивления, так как позволяет достичь более влажных и стабильных слоев грунта. Для сложных заземлителей, состоящих из нескольких вертикальных электродов, объединенных горизонтальной соединительной полосой, общее сопротивление уменьшается, однако из-за эффекта экранирования электродов оно всегда выше, чем сопротивление, рассчитанное по формуле для параллельного соединения. Коэффициент экранирования зависит от количества электродов, расстояния между ними и их взаимного расположения.

Таким образом, проектирование эффективного и экономичного заземляющего устройства требует комплексного подхода: учета удельного сопротивления грунта в конкретной местности, правильного выбора конфигурации и размеров заземлителей, использования естественных заземлителей, а также строгого соблюдения нормативных требований, установленных ПУЭ, ГОСТ и отраслевыми стандартами для данного типа электроустановки. Только такой подход гарантирует как электробезопасность персонала, так и надежную работу электрооборудования и аппаратуры в течение всего срока эксплуатации.