Модульно-штыревое заземление

Назначение и особенности применения

Заземление объектов промышленного, административного или бытового назначения является обязательным условием безопасной эксплуатации электрооборудования. Кроме обеспечения электробезопасности в отношении людей или животных, заземление защищает электрооборудование, включая слаботочные системы сигнализации и связи.

Различают два типа заземления в зависимости от назначения — молниезащита и защитное.

Существующие нормативные документы допускают включение молниезащиты в контур общего заземления, но надо учитывать возможность растекания напряжения разряда молнии по контуру и попадания блуждающих токов на корпус заземленного электрооборудования. Растекание разряда по однофазной сети с общими рабочим нулем и заземлением приводит к выходу из строя электронного бытового оборудования. Использование модульно-штыревого заземления позволяет с минимальными затратами создать два раздельных контура, что рекомендовано для частного жилого дома.

Модульно-штыревое заземление применяют для защиты:

• коттеджей с отоплением и ГВС от газового или электрического котла;

• дачных домов для сезонного или постоянного проживания;

• отдельно стоящих объектов любого назначения;

• электрических машин и механизмов временного размещения (ГОСТ Р 51853-2001 «Заземления переносные...»): деревообрабатывающее и другое оборудование, насосы, компрессоры, генераторы;

• выносных элементов молниезащиты (вышки).

Использование штырей для организации временного заземления уменьшает затраты на проведение мероприятий по электробезопасности в полевых условиях.

Электротехнические требования к штырьевому заземлению

В определении требований к заземлению действуют следующие факторы:

• удельное сопротивление грунта;

• выбранная схема контура заземления;

• материалы комплекта изделий.

Для организации заземления, определения схемы необходимо учитывать структуру (состав) грунта, климатические условия и собственные технические и экономические возможности.

Сопротивление контура заземления частного дома — 9 Ом, с газовым, электрическим котлом или электроплитой — 4 Ом (ПЭУ 7-я редакция, гл. 1.7).

Удельное сопротивление грунта

Состав и структура грунта определяет удельное сопротивление грунта, которое влияет на активное сопротивление контура заземления. В вертикальном разрезе место установки стержня грунт не однороден. Поэтому, по мере заглубления показатель сопротивления меняется за счет изменения состава, структуры и влажности.

При определении токопроводящей рабочей длины стержня следует учитывать климатические и геологические особенности места размещения системы заземления, так:

• Промерзший грунт снижает проводимость в десятки раз. При проектировании и монтаже следует принять во внимание точку промерзания. При значительной глубине или длительном периоде промерзания следует рассмотреть электролитический вариант заземления в качестве основного или дополнительного элемента системы.

• Просыхание поверхностного слоя почвы снижает проводимость в 3...5 раз. Глубина просохшего слоя зависит от вызвавших этот процесс причин: прямые солнечные лучи, навес, покрытие, размещение внутри строения или дренажная система.

• Грунт с большой концентрацией мелких скальных пород (скалистый грунт) промерзает на большую глубину и не удерживает влагу.

• Близость к поверхности грунтовых вод (3...5 м) снижает удельное сопротивление любого типа грунта на 1...2 порядка.

• Слабокислые или слабощелочные почвы снижают удельное сопротивление в 3...5 раз, в сравнении с нейтральными, но увеличивают скорость коррозионных процессов на поврежденных участках стержней контура заземления.

Удельное сопротивление грунта величина не постоянная. Для гарантированного заземления следует провести внеплановые измерения сопротивления контура в различных условиях.

Конфигурация заземления штыревого типа

В зависимости от особенностей грунта, строения и требований к параметрам заземления применяют три варианта размещения стержней (ГОСТ Р 57190-2016 Заземлители...):

• Контурный вариант предполагает размещение стержней вокруг объекта на расстоянии не менее 1 м от фундамента и соединение их общей шиной. Применяется при новом строительстве. Потребуется выполнить сравнительно большой объем земляных работ по прокладке канала для общей шины на глубине 70 см.

• Треугольный — предусматривает установку стержней по вершинам равностороннего треугольника. Длина стороны треугольника должна быть больше величины заглубления. Размеры определяются после забивания первого стержня и измерения сопротивления растеканию тока. При затрудненной установке допускается сдвигать штырь в сторону с удалением. Применяется для защиты выделенных электрических машин, молниезащиты или слаботочных систем в условиях ограничений по территории.

• Линейный — предусматривает размещение стержней по произвольной линии в сторону свободного места или второго объекта.

Для всех вариантов конфигурации существует единое правило — расстояние между штырями должно быть больше величины их заглубления для исключения взаимного экранирования. Возможно размещение стержней внутри объекта с соблюдением правила, что снизит коррозионное воздействие на места контактов с общей шиной.

Материалы изделий в комплекте

В комплект модульно-штыревого заземления входят:

• штыри диаметром 14...16 мм стальные с покрытием медью, цинком или без покрытия, из нержавеющей стали, медные (применяются для временного заземления выносного электрооборудования);

• соединительные муфты: латунные для стержней с покрытием медью, оцинкованные и нержавеющие;

• направляющие стальные конуса;

• удароприемный болт;

• крестовой или диагональный зажим с медным или цинковым покрытием;

• токопроводящая смазка;

• изоляционная лента для защиты соединения стержня и зажима от коррозии.

Опционально — переходник для работы с перфоратором.

Гальваническое покрытие медью стального стержня толщиной не менее 25 мкм обеспечивает хорошее сцепление с основой. За счет эластичности слоя меди покрытие не отслаивается под действием продольной ударной нагрузки, возникающей при монтаже. Возможны повреждения при работе на скалистых грунтах.

Технология горячего цинкования позволяет получить на поверхности стержня твердое покрытие, устойчивое к трению о камни грунта. Но слабая адгезия и твердость (жесткость) покрытия приводит к растрескиванию и отслоению при чрезмерной продольной нагрузке или изгибе стержня в ходе монтажа.

Расчет модульно-штыревого заземления

Расчет сопротивления заземления, приведенного к одному штырю (L соответствует сумме заглубленных N-количества стержней), носит оценочный характер. На практике сложно определить удельное сопротивление грунта в вертикальном сечении точки размещения. Для этого, как минимум, надо иметь карту геологических изысканий с вертикальными сечениями, что не гарантирует приемлемой точности. Представленные формулы имеют значение для проектирования заземления промышленных объектов и многоэтажных зданий с мощными фундаментами.

Км — коэффициент, учитывающий климатическую зону (I —север в зоне вечной мерзлоты).

Для получения реальных результатов следует производить замеры сопротивления после забивки каждого последующего стержня (напр., прибор Ф4103-М1). Следует учитывать, что российские модели модульных стержней имеют муфту, которая диаметром больше, чем стержень. Контакт с землей осуществляется только в районе муфты. При достижении сопротивления порядка 7...12 Ом можно считать, что стержень установлен на достаточную глубину, т.к. через месяц грунт осядет и плотно прижмется к стержню по всей длине и сопротивление снизится на 15...30%.

Разновидности соединения штырей

Российские производители комплектов модульно-штырьевого заземления выпускают изделия с резьбовой соединительной муфтой, диаметр которой несколько больше диаметра стержня. С одной стороны, муфта увеличивает диаметр отверстия в грунте, воспринимает нагрузку и защищает покрытие штыря. С другой — увеличивается усилие, которое требуется для погружения, что приводит к продольной волне вибраций и изгибу в пределах увеличенного диаметра при использовании в работе кувалды. Рекомендуется использовать перфоратор (напр., электрический отбойный молоток с патроном SDS-max мощностью не менее 21 Дж.) для погружения стержня на глубину более 6 м.

Импортные производители предлагают безмуфтовые комплекты со штырями диаметром 20...25 мм из нержавеющей стали или стальные с покрытием. Соединение и электрический контакт происходит с помощью ступенчатого хвостовика в нижней части стержня и отверстия в верхней. Для гарантированного электрического контакта в отверстие помещают свинцовый шарик, который расплющивается в ходе монтажа и заполняет зазоры. Существуют другие модели комплектов с цапфовым соединением.

Монтаж модульно-штыревого заземления

Монтаж контура заземления с помощью штырей не представляет трудности с инженерно-технической точки зрения. Общая схема заземления контурного типа:

Типовая последовательность монтажа:

1. Разметить и прокопать траншею для укладки полосы, разметить места установки штырей проколом грунта на 60...80 см.

2. Накрутить на первый стержень направляющий конус и удароприемный оголовок. Оголовок закручивать до упора в торец отверстия. При монтаже с помощью кувалды желательно сделать направляющее (поддерживающее) приспособление.

3. Произвести забивание.

4. Выкрутить оголовок.

5. Смазать, накрутить муфту и вкрутить следующий стержень до упора в торец предыдущего.

6. Произвести забивание. Довернуть стержень для обеспечения полного контакта «торец в торец». Рекомендуется начать производить замеры сопротивления току растекания. Это позволит оценивать динамику изменения сопротивления, отследить возможный разрыв стержня (сопротивление резко возрастает) или прохождение водоносного слоя (сопротивление резко падает).

7. Повторить п.п. 4....6 до достижения показателя сопротивления 7...12 Ом.

8. Уложить общую заземляющую шину. Соединить концы шины с помощью зажима и изолировать лентой.

9. Закрепить шину на стержнях с помощью диагональных зажимов. Изолировать.

10. Подключить выводную шину к общей в удобном месте. Для ревизии подключения делают колодец с пластиковым стаканом, верхняя часть которого выступает или вровень с поверхностью.

11. Провести замеры сопротивления всего контура заземления, записать и сделать эскиз системы для последующего сравнения и оформления технического паспорта.

12. Засыпать контур, утрамбовывая по слоям.

Заключение о соответствии заземления требованиям ПЭУ и другим нормативным документам дает сертифицированная электротехническая лаборатория. Результаты замеров заносят в акт или протокол, в который будут отмечаться сведения о плановых поверках, повреждениях и проведенном ремонте.

Полезные советы

Несколько общих советов и рекомендаций по выбору изделий на основании представленной продавцом информации:

• В сопроводительном документе марка стали указывается по российским стандартам, а не механические характеристики. Параметры механических характеристик проверить по ГОСТ 1050-88. Должно быть ст10, ст15 или ст20, не ниже, но ст30 не используется, т.к. возрастает стоимость изделия. Аналоги проверять по справочникам.

• Проверить толщину покрытия толщиномером для металлических покрытий. Толщина не менее 25 мкм.

• Во избежание разрыва вертикального электрода заземления на глубине проверьте диаметр муфты — минимум 22 мм. Материал проверить немного сложнее, но, однозначно, не должно быть дефектов литья (углубления или темные пятна) или следов от пресс-формы (продольные полосы).

• Использовать токопроводящую смазку во всех контактных соединениях. Желательно густой консистенции.

• Не допускать образования гальванических пар. Омедненный стержень — латунная муфта и зажим или цинк с цинком.

• Следует ориентироваться на гарантированный срок службы 30 лет, как и заявляют добросовестные зарубежные производители. Заявление о том, что прослужит «100 лет» — основание для размышлений.