Есть одно общее правило выполнения любых видов работ – чтобы сделать работу качественно, нужно ясно представлять, для чего мы это делаем и какой цели хотим в итоге добиться. А чтобы это осознать, нужно разобраться в принципе действия данного устройства.
Поскольку у большинства людей понятия о заземлении весьма туманные, считаем необходимым посвятить несколько строк теории заземления. Начнём с того, что наша планета Земля имеет огромный объём и массу и вследствие этого обладает огромной электрической ёмкостью, то есть способна «впитывать» в себя очень большое количество электрической энергии, причём без изменения электрического потенциала на поверхности. Который, как известно, равен нулю, то есть практически отсутствует. Это если сравнивать с потенциалом других физических тел на поверхности Земли. У грозовых туч, к примеру, потенциал может быть миллионы вольт относительно поверхности Земли. Таким высоким потенциалом и объясняются молнии – электрический пробой воздушной массы на длине в километры.
Именно это свойство земной поверхности (нулевой электрический потенциал) используется как начальная точка отсчёта для электрических и электронных устройств. Когда мы говорим о напряжении – то имеем в виду разность электрических потенциалов измеряемой точки в сравнении с базовой, нулевой. Без базовой точки отсчёта понятия потенциал или напряжение теряют смысл. Если быть точным, то вполне возможно, что поверхность земли имеет вовсе не нулевой потенциал, а какой-либо другой. Но чтобы это узнать, нужно опять же с чем-то сравнить, хотя бы с другим небесным телом. Поскольку сегодня в нашей практике сравнивать не с чем, примем утверждение о нулевом потенциале земли как аксиому.
Но для того, чтобы земля могла «впитывать» электрическую энергию – она должна проводить ток, быть проводником тока. В этом плане интересен вопрос – а из чего состоит земной грунт – из изоляторов или из проводников? Ответ такой: земной грунт – это смесь изоляторов и проводников. Например, сухой песок – изолятор. Но если его смочить солоноватой водой – то он станет проводником. Грунт на поверхности земли хуже проводит электричество, чем на глубине 10 – 20 м, во-первых, потому что рыхлый, во-вторых, на такой глубине находятся грунтовые воды. Зимой поверхностный слой замерзает и превращается в изолятор. Это необходимо понимать при устройстве заземления.
В таблице ниже приведены величины удельного сопротивления грунта в зависимости от его типа.
Кожа человека – тоже, по сути, изолятор. Однако человеческое тело состоит на 70% из воды с растворами солей, а кожа имеет поры, через которые выделяется солёный пот, в результате человеческое тело начинает проводить электрический ток. Нужно знать, что дистиллированная вода ток не проводит и только присутствие в растворе заряженных частиц– ионов солей– делает воду проводником.
Необходимо также понимать, что сопротивление протеканию тока (электрическое сопротивление– R) человеческое тело (так же как и грунт Земли) оказывает значительно большее, чем, к примеру, металлы. Именно поэтому мы говорим об опасном и безопасном для человека напряжении. Так, напряжение 24 вольта на аккумуляторе для человека абсолютно безопасно, поскольку по закону Ома такое напряжение при большом сопротивлении тела (десятки кОм) не способно вызвать такой ток (порядка 30 мА и более), который может нанести вред. Если перейти к цифрам, то в среднем тело человека имеет электрическое сопротивление от 3 до 100 кОм (1кОм=1000 Ом). Большой разброс у разных людей объясняется многими факторами– здоровьем, состоянием кожи и даже зависит от того, выпил человек или нет. Известно, что при алкогольном опьянении сопротивление тела человека уменьшается, о чём неплохо было бы помнить профессиональным электрикам. Ну и напоследок заметим, что безопасным для человека согласно ПУЭ считается напряжение 42 вольта, если же напряжение выше этого значения, то для защиты необходимо применять защитное заземление, о котором мы и поговорим ниже.
Что же это такое заземление?
Заземление — это преднамеренное электрическое соединение произвольной точки сети, оборудования или электроустановки с заземляющими устройствами.
Заземляющее устройство — это совокупность заземлителей или заземляющих проводников.
Заземлитель — это совокупность соединенных между собой проводящих элементов, находящихся в электрическом контакте с землей или грунтом.
Существуют также (согласно ПУЭ) виды заземления по выполняемой функции – рабочее (функциональное) и защитное. В данной статье мы будем рассматривать защитное заземление и его устройство.
Чтобы лучше понять, как заземление может защитить человека при аварии, представим простую и достаточно часто встречающуюся ситуацию – на некотором оборудовании в результате плохого контакта отгорает проводник, находящийся под фазным напряжением 220 вольт. При этом он почти неизбежно внутри электроприбора касается какой-то корпусной детали. На корпусе возникает электрический потенциал 220 вольт. Если корпус не заземлён и не соединён с нулевым проводом, то внешне ничего не происходит, не появляется ток утечки, не срабатывает защита. В этой-то неприметности и заключается опасность. Человек, подходя к аппарату, чтобы начать работу, касается корпуса и получает удар током от напряжения 220 вольт.
Если же корпус аппарата заземлён – соединён проводником с грунтом, имеющим нулевой потенциал, то потенциалы земли и корпуса будут стремиться к выравниванию и по проводникам заземления пойдет ток утечки. Так как сопротивление заземления достаточно маленькое, ток будет иметь (по закону Ома) достаточную величину, чтобы сработала защита. Это обязательно привлечёт внимание персонала (при попытке повторного включения автоматов защиты, ситуация повторится) и заставит заняться ремонтом. Но даже если защита не сработает и человек коснётся заземлённого корпуса, образуется новое ответвление цепи тока через тело человека. Как известно, при разветвлении электрической цепи токи в ветвях имеют величину обратную сопротивлению ветвей. Пусть тело человека имеет сопротивление 100.000Ом, а заземление – 10Ом. В этом случае Ток через тело человека будет в 10.000 раз меньше, чем ток по цепи заземления.
Всё вышеизложенное важно для того, чтобы понять, что основной характеристикой заземления является его электрическое сопротивление! Оно должно быть небольшим! ПУЭ рекомендуют ряд значений для различных типов и назначений заземления. Например, сопротивление заземления для частных домов при подключении к заземлению молниезащиты должно быть не более 10Ом, при обычной системе заземления – не более 30Ом. При системе, в которой заземление изолировано от нейтрали источника тока (нуля) и применяется устройство УЗО с «током» срабатывания не больше чем 100мА – сопротивление заземления может быть не более 500Ом.
Но этого мало, конструкция заземления должна быть такой, чтобы эта маленькая величина сопротивления сохранялась долгое время независимо от сезона, будь то зима или лето, а сама конструкция не разрушалась от коррозии.
Сопротивление заземления можно уменьшить, увеличивая площадь контакта заземлителя с землёй, а также глубину размещения заземлителя в грунте. Иногда сопротивление уменьшают, смачивая грунт около заземлителя раствором соли, обычно поваренной, вместо углубления заземлителя, так как углубление требует больших энерго- и трудозатрат. Однако такое решение не может считаться хорошим, так как через 1-3 года соль размывается выпадением осадков. К тому же соляной раствор резко увеличивает коррозию конструкции.
Материал, из которого изготавливают конструкцию заземления – это, как правило, черные металлы – конструкционная сталь. Применение цветных металлов или нержавеющей стали слишком накладно в плане стоимости ввиду немалой материалоемкости конструкции. Поэтому детали заземлителя из стали нужно защитить от коррозии. Разумеется, не изолятором (лакокрасочным покрытием), а металлическими покрытиями. Рекомендуется применять цинкование или меднение деталей заземлителя. В паре цинк-сталь цинк, являясь более электрохимически активным металлом, начинает разрушаться раньше, чем стальная основа, и пока цинковое покрытие полностью не разрушится, сталь остаётся защищённой. В паре медь-сталь всё происходит наоборот: начинает разрушаться сталь, и пока она вся не разрушится – медь остаётся целой. Отсюда вывод – при меднении покрытие должно иметь достаточную толщину, не менее 250 микрон. Служит омеднённый заземлитель дольше, чем оцинкованный.
При устройстве заземлителей сегодня чаще всего применяют вертикальные заземляющие электроды, в качестве которых почти всегда выбирают стальные трубы, прутки, сортовой прокат – уголки, швеллеры и т.д. Объясняется это тем, что горизонтальные электроды гораздо труднее поместить на большую глубину, а при малой глубине у них сильно ухудшается основная характеристика – сопротивление, особенно из-за промерзания в зимний период. Ну а широкое применение штыревых конструкций объясняется, соответственно, тем, что их можно забить в землю, в отличие от листового металла, хотя лист и имеет большую поверхность.
На сегодня самыми распространенными конструкциями заземления считаются две:
1. На основе некоторого количества коротких штырей, забиваемых в грунт вручную (кувалдой) на максимально достижимую глубину и соединяемых в контур заземления стальной полосой, приваренной электросваркой к выступающим концам штырей. Необходимая величина сопротивления достигается увеличением количества штырей. Точные размеры и количество штырей определяются расчётом, с учётом вида грунта, климатических факторов и т.д. Конкретную методику расчёта можно найти в Интернете или в справочниках. Нужно учесть, что при использовании группы штырей в качестве заземлителя начинает проявляться такой фактор снижения эффективности работы, как взаимное влияние или «затенение», которое зависит от расстояния между штырями. При слишком близком расстоянии эффективность заземления может значительно уменьшиться. Поэтому размещать штыри нужно на расстоянии не менее их длины, а желательно и на большем. Тогда снижение эффективности не будет слишком заметным.
Недостатками этого способа являются потребность в большой площади для оборудования заземления, большой расход материала и необходимость тяжёлого ручного труда.
2. Одиночный глубинный электрод, так называемая «обсадная труба», устанавливаемый с помощью буровой машины (на базе грузовика) на глубину 20 – 30 метров. По эффективности работы такой заземлитель превосходит предыдущий при одинаковой суммарной длине электродов из-за того, что на глубинах более 5 метров грунт имеет в разы меньшее удельное сопротивление из-за того, что его влажность и плотность гораздо больше, чем у поверхности.
Недостатки этого способа – высокая стоимость бурения и материалов и пониженный срок службы (5-15 лет) из-за коррозии во влажной среде.
В заключение приведём конкретный пример монтажа заземления первым способом.
1. Исходные данные, полученные из расчёта:
— количество необходимых электродов – отрезков стальной арматуры или уголков 40х40х5 длиной 3 метра с цинковым покрытием – 20 штук.
— глубина забивания электродов – примерно 3 метра.
2. По периметру здания вдоль стен на расстоянии не менее 1 метра, начиная от места ввода провода заземления к входному электрощиту, делается траншея глубиной 0,5-0,37 метра и длиной 60 метров. Траншея нужна для изоляции и защиты заземлителя и соединительного проводника от погодных факторов (дождя, обмерзания) и механических повреждений, например, при копке земли для цветника.
3. В дно траншеи на расстоянии 3-х метров друг от друга с помощью кувалды забиваются предварительно заострённые с одного конца болгаркой заранее заготовленные электроды.
4. После забивания электродов к их концам электросваркой приваривается стальная полоса 40х5 мм от первого электрода и до последнего. Шов делается сплошной, катетом 5 мм. Для присоединения провода заземления в месте рядом с вводом заземления полоса выводится наружу на необходимую длину. Использование сварки для фиксации элементов из чёрной стали настоятельно рекомендуется (ПУЭ, п. 1.7.139).
5. Места сварки для защиты от коррозии покрываются битумным лаком или антикоррозийной краской, после чего канава засыпается.
6. Снаружи или внутри помещения делается переход со стальной полоски на медные провода заземления с помощью болтовых зажимов с шайбами. Места зажима и болты покрываются краской.
Аналогично первому приведём пример установки заземления вторым способом.
1. На расстоянии 3 метра от стены дома (для безопасного подъезда буровой установки) копается канава глубиной 0,5 – 0,7 м и длиной 3 – 4 метра.
2. Буровой установкой осуществляется процесс бурения, а затем и сама установка электрода (например, стальная труба диаметром 100 мм, устанавливаемая на глубину 20 метров).
3. Укладывается заземляющий проводник – стальная полоса 40х5 и приваривается сплошным швом (катет 5 мм) к концу трубы.
Далее, аналогично пп.5 и 6 предыдущего примера.
В заключение заметим, что в настоящее время появились сообщения о новом методе монтажа заземлителя, состоящего из составной трубы, на глубины до 20 метров с помощью забивания кувалдой поочерёдно элементов трубы-заземлителя.
И последнее – сопротивление смонтированного заземления необходимо проверить. Для этого используются специальные методы и приборы, обычным тестером это не делается. Как это сделать – можно узнать из справочников и статей Интернета.