1.5. Заземлители

Заземление – электрическое соединение защищаемого объекта с землей. Заземление подразделяется на рабочее, защитное и грозозащитное. Рабочее заземление, например заземление нейтрали трансформаторов, предназначено для обеспечения нормальной работы электроустановки. Защитное заземление, например заземление корпуса установки, который может оказаться под напряжением при коротком замыкании, предназначено для безопасного обслуживания электрических установок. Грозозащитное заземление служит для отвода тока молнии. Для реализации любого вида заземления требуется заземляющее устройство, состоящее из заземлителя, расположенного в земле, и заземляющего проводника, который соединяет заземляемый элемент установки с заземлителем (рис. 1.30).

Заземлитель принято характеризовать величиной его сопротивления, которое вычисляется как отношение падения напряжения на заземлителе к проходящему через него току. Сопротивление заземлителя зависит от его геометрических размеров и характеристик земли, в которой он находится. В качестве электродов заземлителя используются как вертикальные стержни длиной 2–3 м, так и горизонтальные полосы, уложенные на глубину 0,5–0,8 м (рис. 1.31).

Рис.1.30. Заземление

Рис. 1.31. Заземлители

Сопротивление вертикального заземлителя

, (1.44)

где  – удельное объемное сопротивление грунта; L – длина электрода; d – диаметр электрода.

Сопротивление горизонтального заземлителя

, (1.45)

где L – длина полосы; h – глубина укладки; b – ширина полосы.

Заземлители, индуктивное сопротивление которых мало по отношению к активному сопротивлению, называются сосредоточенными. У протяженного заземлителя индуктивное сопротивление соизмеримо с активным сопротивлением. Название характеризует не длину, а соотношение активного и реактивного сопротивлений. При промышленной частоте все заземлители являются сосредоточенными. Индуктивность заземлителя начинает проявлять себя только при импульсах тока молнии.

Рис. 1.32. Зоны в грунте вокруг заземлителя

в момент прохождения тока молнии

П ри прохождении через заземлитель тока молнии в грунте возникает электрическое поле. У заземлителя напряженность электрического поля максимальна, во все стороны от заземлителя напряженность падает. Грунт относится к полупроводникам, поэтому его сопротивление с возрастанием напряженности падает.В тот момент, когда по заземлителю протекает ток молнии, в грунте образуются зоны (рис. 1.32): 1) постоянной проводимости; 2) полупроводниковой проводимости, сопротивление грунта падает под воздействием напряженности электрического поля; 3) искровая, происходит пробой земли при напряженности 1,0–1,2 кВ/мм; 4) дуговая, в земле горит электрическая дуга. Образование всех этих зон ведет к уменьшению сопротивления заземлителя.

Сопротивление заземлителя R_и в момент протекания импульса тока и сопротивление заземлителя R_~ для промышленной частоты связаны следующим соотношением:

, (1.46)

где α_и – коэффициент импульса заземлителя.

У сосредоточенного заземлителя α_и меньше единицы, у протяженного заземлителя α_и может быть как больше, так и меньше единицы. Увеличение импульсного сопротивления протяженного заземлителя связано с тем, что из-за индуктивности протяженного заземлителя процессы искрообразования не возникают сразу на всей длине, а распространяются волной от места ввода тока к концу заземлителя.

С целью обеспечения необходимой величины сопротивления заземлителя (например, 0,5 Ом в системах с глухо заземленной нейтралью) применяют несколько параллельно включенных электродов. Сопротивление системы заземлителей рассчитывается по формуле:

, (1.47)

где n – число заземлителей, η – коэффициент использования заземлителей, всегда меньше единицы.

Появление коэффициента η, который несколько увеличивает сопротивление системы, связано с тем, что заземлители взаимно экранируют друг друга, т.е. препятствуют растеканию тока.

Выбор типа заземлителя связан в основном с характеристиками почвы, в которой он прокладывается. Грунты по удельному сопротивлению ρ подразделяются на пять классов:

Класс	I	II	III	IV	V
ρ, Ом·м	до 100	100–300	300–500	500–1000	более 1000

В очень хорошо проводящих грунтах с ρ < 100 Ом·м для выполнения заземлителя с R_и = 10 Ом достаточно одной-двух труб. В грунтах с удельным сопротивлением до 500 Ом·м импульсное сопротивление заземлителя порядка 10 Ом обеспечивается устройством двухлучевого заземлителя с длиной луча 20 м (рис. 1.33). Эффективность двухлучевого заземлителя в этих грунтах объясняется его максимальным коэффициентом использования η = 1. В грунтах с удельным сопротивлением более 500 Ом·м целесообразен переход к многолучевым или к контурным заземлителям.

Рис. 1.33. Различные типы заземлителей

Наибольшим импульсным коэффициентом обладают заземлители с минимальным расстоянием от места ввода тока до наиболее удаленных точек, поэтому целесообразно выполнять заземлители в виде многолучевой звезды с малой длиной луча. Однако с увеличением числа лучей падает коэффициент использования, поэтому число лучей ограничивают четырьмя.

Контурные заземлители совмещают в себе достоинства сосредоточенных и протяженных заземлителей. Большой участок грунта, охватываемый контурным заземлителем, что характерно для протяженных заземлителей, сочетается с малым расстоянием от места ввода тока до наиболее удаленных частей заземлителя, что является преимуществом сосредоточенных заземлителей.

На тех участках, где сопротивление верхних слоев почвы велико (например, сухой песок) и грунтовые воды залегают на большой глубине, целесообразно применение глубинных вертикальных заземлителей длиной до десятков метров. Коэффициент импульса глубинного заземлителя может быть больше единицы, что является неизбежным недостатком.