Как рассчитать количество анодных заземлителей?

Расчет заземляющих устройств — Онлайн-журнал

Контур заземления необходим для защиты людей от поражения электрическим током. Для молниезащиты создается собственное заземляющее устройство, не связанное с защитным контуром заземления. Для правильной их постройки требуется расчет.

Заземляющее устройство (ЗУ) имеет параметр, называемый сопротивлением растекания или просто – сопротивлением. Оно показывает, насколько хорошим проводником электрического тока является данное ЗУ. Для электроустановок с линейным напряжением 380 В сопротивление растекания ЗУ не должно быть более 30 Ом, на трансформаторных подстанциях – 4 Ом. Для контуров заземления медицинской техники и оборудования видеонаблюдения, серверных комнат, норма устанавливается индивидуально и составляет от 0,5 до 1 Ом.

Задача расчета заземляющего устройства – определение количества и расположения вертикальных и горизонтальных заземлителей, достаточного для получения требуемого сопротивления.

Определение удельного сопротивления грунта

На результаты расчетов ЗУ оказывает существенное влияние характеристика грунта в месте его постройки, называемая удельным сопротивлением (⍴). Для каждого из видов грунта существует расчетное значение, указанное в таблице.

Удельные сопротивления грунтов и воды

На сопротивление грунта оказывают влияние влажность и температура. Зимой при максимальном промерзании и летом в засуху удельное сопротивление достигает максимальных значений. Для учета влияния погодных условий к величине ⍴ вводятся поправки для климатической зоны.

Поправочные коэффициенты удельного сопротивления

Если есть возможность, перед расчетами производят измерение удельного сопротивления.

Виды заземлителей и расчет их сопротивления

Заземлители бывают естественными и искусственными, и для создания заземляющего устройства используются и те, и другие. Рассчитать влияние естественных заземлителей (железобетонных фундаментов, свай) на величину сопротивления растекания сложно, это проще сделать методом измерений на месте. Сопротивление естественных заземлителей длиной более 100 м можно узнать из таблицы.

Сопротивление естественных заземлителей

Если значение ⍴ отличается от 100 Ом∙м, значение R умножается на соотношение ⍴/100.

В качестве искусственных заземлителей используются арматура, трубы, угловая или полосовая сталь. Сопротивление каждого из них рассчитывается по собственной формуле, указанной в таблице.

Сопротивление растеканию одиночных заземлителей

Вид заземлителя	Расчетная формула
Вертикальный электрод из круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец ниже уровня земли.
Вертикальный электрод из угловой стали. Верхний конец ниже уровня земли
Вертикальный электрод их круглой арматурной стали или трубы. Верхний конец над уровнем земли
Горизонтальный электрод из полосовой стали
Горизонтальный электрод из круглой арматурной стали или трубы
Электрод из пластины (уложена вертикально)
Вертикальный электрод из круглой арматурной или угловой стали
Горизонтальный электрод из круглой арматурной или полосовой стали

Значения переменных в формулах:

⍴	— удельное сопротивление грунта, определенное с учетом поправочных коэффициентов, Ом∙м
l	— длина электрода, м
d	— внешний диаметр электрода, м
t	— расстояние до середины электрода от поверхности земли, м
b	— ширина полосового электрода или ширина полки угловой стали, м

Теперь рассчитывается суммарное сопротивление штырей искусственных заземлителей:

n	— число вертикальных электродов, принятое для расчета
ŋв	— коэффициент, учитывающий экранирование электродов соседними, определяемый по следующей таблице

Коэффициент использования вертикальных электродов

Далее нужно учесть влияние полосы, соединяющей электроды. Для этого из следующих таблиц выбирается значение коэффициента использования ŋг.

Коэффициенты использования соединительной полосы

Вычисляем сопротивление проводника, соединяющего вертикальные заземлители по формуле:

И полное сопротивление заземляющего устройства.

Если рассчитанное сопротивление контура заземления оказалось недостаточным, увеличиваем количество вертикальных заземлителей или изменяем их вид. Повторяем расчет до получения требуемого значения сопротивления.

Источник: http://electric-tolk.ru/raschet-zazemlyayushhix-ustrojstv/

Использование различных анодных заземлителей

Для обеспечения защиты подземных коммуникаций от коррозии, применяются анодные заземлители. Данный способ электрохимического предотвращения процесса окисления металла, позволяет эксплуатировать различные коммуникации и объекты под землей.

Устройство

Работают анодные заземлители следующим образом. Находясь в электролите различные металлы, имеют отличные электродные потенциалы. Поэтому если по трубопроводу пустить «-» от постоянного источника электроэнергии, а в непосредственной близости от трубы разместить электрод, состоящий из магния алюминия или цинка, к которому будет подведён «+», то данные металлы по отношению к обычной стали в электролите будут выполнять функцию анода.

Этот элемент, в данной электрохимической системе, будут саморазрушаться в почве, тем самым предохраняя катод, то есть трубу газопровода или другой коммуникации, от воздействия коррозии.

Подобным образом могут быть защищены от разрушения, подземные металлические ёмкости, и другие объекты, которые изготовлены из материала подверженного коррозии. Для того чтобы была обеспечена защита подземных металлических объектов на должном уровне, необходимо не только выбрать качественный анодный заземлитель, но и правильно осуществить монтажные работы.

Виды анодных заземлителей

Для обеспечения катодной защиты металлических объектов применяются 2 основных вида анодных заземлителей: поверхностный и глубинный.

Поверхностный заземлитель располагается, примерно, на одной глубине с защищаемым объектом, имеет небольшие размеры и радиус действия. Поверхностный заземлитель представляет собой электрод, который состоит из магниевого или цинкового сплава и имеет кабель для присоединения к питающей станции.

Для удешевления данной конструкции без потери качества, современные модели изготавливаются из специального железокремниевого сплава устойчивого к коррозии. Практически все поверхностные заземлители имеют стержневую форму с круглой отливкой и надёжно изолированными местами присоединения контактного провода к заземлителю. Количество стержней анодной защиты, должно быть рассчитано специалистом.

Глубинный анодный заземлитель выполняет такие же функции, как и поверхностные модели устройства, но монтаж и устройство этого прибора, имеют существенные отличия. Глубинное анодное заземление устанавливается только в том случае, когда монтаж поверхностных приборов невозможен. Глубина установки приборов может составлять до 40 метров.

Масса прибора, также значительно повышается за счёт дополнительной нагрузки из коксо-минерального вещества, которым покрывается данный прибор. Затраты на установку анодного заземления этого типа, увеличиваются за счёт применения механизированного бурения. При невозможности осуществить бурение с помощью самоходных машин, монтаж глубинного заземления может быть осуществлён с применением переносных буровых установок.

Несмотря на значительно более сложный процесс установки подобного оборудования, электрод анодного заземления этот типа, способен защитить металлические объекты, находящиеся в почве на значительном расстоянии. Особенно эффективен данный метод анодного заземления в условиях города, когда многочисленные монтажные работы по установке поверхностных заземлителей, очень затруднительны или невозможны.

Данные устройства позволяют значительно сократить расходы на электроэнергию, по причине большего радиуса действия прибора, при этом, эффект экранирования значительно снижается за счёт меньшей плотности устанавливаемых объектов анодной защиты. Сопротивление анодного заземления этого типа, не зависит от времени года. Электрод находится на глубине исключающей промерзания грунта, что также является неоспоримым преимуществом данного метода.

Стоимость таких изделий значительно превышает аналогичные поверхностные устройства, при этом срок эксплуатации электронных глубинных заземлителей, по причине воздействия большего давления почвы немного ниже, чем у поверхностных приборов, и составляет около 30 лет.

Лучшие модели анодного заземления

В настоящее время на рынке представлено большое количество различных моделей анодного заземления, как для поверхностного размещения, так и для установки на значительной глубине. В каждом конкретном случае монтажа этого оборудования, количество необходимых элементов должно быть правильно рассчитано и отображено в плане.

Немаловажным условием эффективности защиты, является выбор качественного устройства и надёжной питающей станции. Как правило, такие устройства реализуются в комплекте, состоящем из 10 — 20 заземлителей и одного источника питания. Из поверхностных заземлителей наиболее часто для защиты подземных металлических объектов используется следующие модели:

• «Менделеевец»–ММ — данный вид поверхностного заземлителя позволяет осуществлять эффективно предотвращать разрушение подземных коммуникаций. «Менделеевец»–ММ применяется преимущественно в сфере нефтегазовых коммуникаций, но может быть использован и для других подземных объектов, которые могут подвергаться коррозии. Скорость анодного растворения электрода составляет 300 г/год, поэтому при массе в 43 кг, защита может эффективно использоваться не менее 100 лет.
• «Менделеевец»–МТП — магнетитовый поверхностный заземлитель предназначенный для защиты магистральных трубопроводов. Особенностью этой модели, является возможность установки электродов для защиты портовых сооружений. Установленные заземлители отлично справляются с предохранением металлических сооружений, от возникновения коррозионных процессов в высокоагрессивной среде. «Менделеевец»–МТП отличнозагерметизирован в месте подключения питающего провода. Питание осуществляется рабочей электрической станцией, которая входит в комплект данного защитного устройства.

Среди глубинных моделей наибольшее распространение получили следующие приборы:

• «ГАЗ-М» — глубинный заземлитель отличного качества. Данный прибор отлично справляется с задачей предохранения подземных металлических объектов, в том случае, когда установка более дешёвого варианта поверхностной защиты невозможна. Рабочий ресурс заземлителя составляет не менее 30 лет, а максимальныйрабочий ток — 10 А.
• «Менделеевец»-МРКГ — малорастворимый глубинный заземлитель, который используется преимущественно в грунте с высоким удельным сопротивлением.

Данное устройство может быть размещено в одной скважине, в количестве до 24 шт. что позволяет защитить подземные объекты максимально эффективно.

Минимальный эксплуатационный срок, данного устройства составляет не менее 30 лет, при условии что монтаж анодного заземлителя был произведён по всем правилам.

Источник: https://EvoSnab.ru/ustanovka/zemlja/anodnye-zazemliteli

Аврал.Блог

В справочнике Р. Н. Карякина [3]  отдельный акцент ставится на определении сопротивления грунта:

«Электропроводность породы, если она не содержит высоких концентраций проводящих минералов, при обычных температурах определяется количеством присутствующей в ней воды, минерализацией воды и характером распределения воды в породе… Удельное электрическое сопротивление породы зависит также от температуры. Для водосодержащих пород влияние температуры на сопротивление породы такое же, как и влияние температуры на электросопротивление находящейся в породе воды в интервале температур между точками ее замерзания и кипения».

Согласно формуле (3.2) справочника, изменения сопротивления, вызванные температурными изменениями в растворе электролита, приближенно выражаются формулой

где ρT, ρ20 – сопротивления при T° и 20° С, соответственно.

Согласно справочнику под ред. Барыбина [1], для второго климатического района характерна средняя многолетняя температура (январь) в диапазоне -14…-10 °С. Для расчетов используем значение T=-12 °С.

Удельное сопротивление грунта увеличилось в 2,02 раза. Это несколько больше поправочного коэффициента для стержневых вертикальных электродов Кв=1,45 из табл.7.7 [1], но и меньше поправочного коэффициента для горизонтальных заземлителей Кг=3,5 этой же таблицы. По справочнику под общ. ред. Федорова и Сербиновского, табл.8-2, эти коэффициенты равны Кв=1,5…1,8; Кг=3,5…4,5.

Следует заметить, что с увеличением глубины грунта его температура повышается, соответственно, используя формулу (33) можно посчитать удельное сопротивления грунта на разной глубине в зависимости от температуры грунта. Проблема заключается в том, что в формуле расчета сопротивления заземляющего устройства в однослойном грунте никак нельзя учесть это различие удельных сопротивлений.

Получается, что проблема решается только переходом к методике расчета двухслойного грунта, в которой можно будет учесть различие удельного сопротивления слоев однородного грунта при разных температурах.

В то же время, при расчете сопротивления ЗУ по методике однослойного грунта, в результате получим значения, несколько превышающие значения, полученные при расчете по методике двухслойного грунта, а значит, это создает некоторый запас прочности разрабатываемых проектных решений.

В общем случае, сопротивление сложного заземлителя, состоящего из горизонтальной сетки и вертикальных электродов, определяются выражением

где

а С11, С22 и С12 – коэффициенты для расчета сложных заземлителей, определяемых по формулам табл.3.9 справочника [3].

Примечание.

Правильная формула указана в справочнике Р. Н. Карякина «Заземляющие устройства электроустановок», Москва-2002 г., формула (3.5). В несколько другой, но также правильной, форме эта формула отображена в книге Р. Н. Карякина «Нормы устройства сетей заземления», Москва-2002 г., см. главу 8.18.

В формуле (35) данной статьи ошибка исправлена.

Формулы для расчета коэффициентов сложных заземлителей выглядят следующим образом:

• коэффициент для расчета сопротивления горизонтальной сетки

•  коэффициент для расчета сопротивления вертикальных электродов

•  коэффициент для расчета взаимного сопротивления между горизонтальной сеткой и вертикальными электродами

 где k1=1,22 и k2=5,3 – находятся по зависимостям k1(ε) и k2(ε), см. рис.3.1 и рис.3.2 справочника; ε=A/B=20/10=2 (A и B – размеры горизонтальной сетки, см. постановку задачи).

Воспользовавшись формулой (35), рассчитаем сопротивление Rз

Итак, сопротивление растекания заземляющего устройства в однослойном грунте равно 8,7 Ом.

Это значение намного превышает результаты расчетов, выполненных по методикам, описанных в справочниках [1] и [2] – 4,93 Ом и 5,6 Ом соответственно. Проанализировать причину такого несоответствия значения по приведенным формулам довольно затруднительно. Для разбора ситуации лучше воспользоваться книгой Р. Н. Карякина «Нормы устройства сетей заземления», Москва-2002 г. [4], которая уже упоминалась выше.

где R11 – сопротивление растеканию горизонтальной сетки, Ом;

R22 – сопротивление растеканию вертикальных электродов, Ом;

R12 – взаимное сопротивление между горизонтальной сеткой и вертикальными электродами, Ом.

Формулы расчета R11, R22 и R12 (см. [4], гл.8.18) в точности повторяют суть коэффициентов C11, C22 и C12. Единственная разница заключается в замене коэффициентов k1 и k2 их приближенными значениями 1,37 и 5,6, соответственно. Если формулы расчета R11, R22 и R12 подставить в выражение (41), то получим выражение (35).

Сравнивая выражение (41) с выражением (6), увидим, что эти выражения очень похожи. Различия методик расчета, описанных в [1] и [2] отличается от методики расчета [3] следующим:

• при расчете сопротивления отдельных видов заземлителей – горизонтального и вертикальных – в [1] и [2] применяются коэффициенты использования; эти коэффициенты учитывают влияние заземлителей друг на друга;
• в [3] для учета взаимного влияния отдельных видов заземлителей применяется понятие взаимного сопротивления этих заземлителей, а коэффициенты использования не применяются.

Произведем расчет сопротивлений R11, R22 и R12, используя ранее рассчитанные коэффициенты C11, C22 и C12.

Примечание.

В формуле расчета R22 (гл.8.18) справочника [4] содержится ошибка. В знаменателе вместо длины одиночного вертикального заземлителя Lв указана суммарная длина электродов горизонтальной сетки Lг.

Также, наблюдается несовпадение в формулах расчета С11, С12 по [3] и соответствующих этим коэффициентам частей формул расчета R11 и R12 в гл.8.18 [4]. Сравните (обратите внимание на числитель дроби под логарифмом):

а также,

Какие формулы являются правильными определить затруднительно, т.к. автор не приводит вывод этих формул. Будем опираться на справочники более позднего издания этого автора, т.е на [3], см. формулы (41)-(43) этой статьи.

Произведем расчет Rз, согласно формуле (41)

Расчеты Rз по формулам (40) и (49) совпадают, что подтверждает их тождественность.

Из любопытства, сравним сопротивления группы вертикальных и горизонтального заземлителей, рассчитанных по разным методикам. Чтобы поставить методики в равные условия, примем удельное сопротивление земли равным ρT=303 Ом*м.

Сопротивление группы вертикальных заземлителей по справочнику [1] без учета коэффициента использования и поправочного коэффициента на климатический район выглядит следующим образом, см. формулы (1) и (3) этой статьи

Сопротивление горизонтальной сетки по справочнику [1] без учета коэффициента использования и поправочного коэффициента на климатический район выглядит следующим образом, см. формулу (4) этой статьи

Если сравнить результаты (51) и (43), то видно, что, по сути, одни и те же величины R22=8,7 Ом и Rз.в.=4,1 Ом отличаются значительно. Аналогично с результатами расчетов по формулам (42) и (52) —  R11=10,8 Ом и Rг=5,9 Ом. На основании этого можно сделать вывод, что методика Р. Н.

Карякина отличается от методик, приведенных в справочниках под ред. Барыбина [1] и под общ. ред.

Федорова и Сербиновского [2], уже на стадии расчета сопротивления отдельных заземлителей; при этом не учитывались отличия в рекомендациях к поправочному коэффициенту для расчета удельного сопротивления грунта, а также, коэффициентов использования каждого вида заземлителей.

Заземляющее устройство в двухслойном грунте.

В справочнике Р. Н. Карякина [3] есть методика расчета в двухслойном грунте. К сожалению, одно из принятых допущений гласит:

«контурный заземлитель, образованный из горизонтальных полос и вертикальных электродов, целиком расположен в верхнем слое земли».

Согласно этому допущению, расчет сопротивления заземляющего устройства по справочнику [3] нельзя проводить для нашей задачи, т.к. ЗУ расположено частично в верхнем и частично в нижнем слое. Тем не менее, попробуем пренебречь этим допущением, и выполним расчет сопротивления ЗУ в двухслойном грунте.

Для верхнего слоя удельное сопротивление грунта с учетом промерзания до -12 град.С уже посчитано и равно ρ1Т=303 Ом*м, см. (34). Будем считать, что температура нижнего слоя грунта будет равна 0 град.С.

Тогда

Для нашего случая (ρ1Т > ρ2Т) выражение расчета ρэкв примет вид (см. [3], формула 3.51):

где

Подставляя результаты вычислений (55) и (56) в (54), получим

Согласно [3], формуле (3.49), сопротивление растеканию контурного заземлителя равно

В справочнике заявляется, что ошибка расчета сопротивления растеканию по этой методике не превышает 30% при доверительной вероятности, равной 0,999.

Следует заметить, что при расчете Rз по формуле (58) не учитывалась конфигурация ЗУ – длина горизонтальных и вертикальных заземлителей, глубина их нахождения в грунте и т.д. С другой стороны, все эти параметры учитывались при расчете Rз однослойного грунта. Попробуем воспользоваться отработанной методикой для расчета ЗУ однослойного грунта, и применить ее для расчета Rз двуслойного грунта. Тогда, согласно формуле (40), величина Rз будет рассчитываться следующим образом

Полученный результат Rз=6,2 Ом по формуле (59) на 22% меньше, чем результат Rз=7,9 Ом, полученный по формуле (58). Чем вызваны такие различия в результатах, я объяснить затрудняюсь.

Собственно, если принять к сведению предупреждение автора о том, что ошибка расчета по формуле (58) не превышает 30%, тогда это укладывается в общую теорию. Хотя, я думаю, говоря об ошибке, автор подразумевал расхождение расчетов с натурными измерениями, а не различие в расчетах по разным формулам.

И все-таки, наблюдается слишком большой разброс результатов расчетов, учитывая, что расчеты проводятся по одному и тому же справочнику.

Выводы

1.  Результаты расчета сопротивления растеканию заземляющего устройства по методикам справочника под ред. Ю. Г. Барыбина [1] и справочника под общ. ред. Федорова и Сербиновского [2] практически совпадают. Отличия наблюдаются в следующем:

• в [1] алгоритм расчета предназначен для нахождения сопротивления по известной конфигурации заземляющего устройства, а в [2]  — для определения конфигурации ЗУ по заданному значению сопротивления растеканию; между тем, формулы используются одни и те же в обеих методиках;
• отличаются табличные данные поправочных коэффициентов для расчета удельного сопротивления грунта в зависимости от климатического района;
• отличается написание формул расчета одиночных заземлителей, хотя с математической точки зрения эти формулы тождественны.

С учетом приведенных в справочниках рекомендаций, величина результата расчета по [1] получается несколько меньше, чем по [2]. В обоих справочниках отсутствует методика расчета сопротивления заземляющего устройства для двухслойного грунта.

2.  Методика расчета по справочнику Р. Н. Карякина [3] несколько отличается от методик, приведенных в [1] и [2]. Из-за этого методики можно сравнить только по результатам полученного расчета, и нет возможности сравнить промежуточные величины.

Сопротивление ЗУ, полученное по методике [3] значительно превышает значения, полученные по методикам [1] и [2]. В справочнике Р. Н.

3.  В таблице сведены результаты расчета сопротивления заземляющего устройства по всем методикам.

* — альтернативное значение сопротивления, рассчитанное по формуле из справочника, но не рекомендуемое автором справочника.

4.  Для выполнения расчетов комбинированного заземляющего устройства автор этой статьи рекомендует воспользоваться методикой из справочников [1] или [2]. К сожалению, по справочнику Р. Н. Карякина значение сопротивления ЗУ получается слишком завышенным.

Предыдущая часть (часть 2)

Источник: http://blog.avralsoft.ru/raschet-soprotivleniya-zazemlyayushhego-ustroystva-chast-3.html