Как рассчитать удельное сопротивление грунта

Расчет заземления производится для того чтобы определить сопротивление сооружаемого контура заземления при эксплуатации, его размеры и форму. Как известно, контур заземления состоит из вертикальных заземлителей, горизонтальных заземлителей и заземляющего проводника. Вертикальные заземлители вбиваются в почву на определенную глубину.

Горизонтальные заземлители соединяют между собой вертикальные заземлители. Заземляющий проводник соединяет контур заземления непосредственно с электрощитом.

Размеры и количество этих заземлителей, расстояние между ними, удельное сопротивление грунта – все эти параметры напрямую зависят на сопротивление заземления.

К чему сводится расчет заземления?

Заземление служит для снижения напряжения прикосновения до безопасной величины. Благодаря заземлению опасный потенциал уходит в землю тем самым, защищая человека от поражения электрическим током.

Величина тока стекания в землю зависит от сопротивления заземляющего контура. Чем сопротивление будет меньше, тем величина опасного потенциала на корпусе поврежденной электроустановки будет меньше.

Заземляющие устройства должны удовлетворять возложенным на них определенным требованиям, а именно величины сопротивление растекания токов и распределения опасного потенциала.

Поэтому основной расчет защитного заземления сводится к определению сопротивления растекания тока заземлителя. Это сопротивление зависит от размеров и количества заземляющих проводников, расстояния между ними, глубины их заложения и проводимости грунта.

Исходные данные для расчета заземления

1. Основные условия, которых необходимо придерживаться при сооружении заземляющих устройств это размеры заземлителей.

1.1. В зависимости от используемого материала (уголок, полоса, круглая сталь) минимальные размеры заземлителей должны быть не меньше:

• а) полоса 12х4 – 48 мм2;
• б) уголок 4х4;
• в) круглая сталь – 10 мм2;
• г) стальная труба (толщина стенки) – 3.5 мм.

Минимальные размеры арматуры применяемые для монтажа заземляющих устройств

1.2. Длина заземляющего стержня должна быть не меньше 1.5 – 2 м.

1.3. Расстояния между заземляющими стержнями берется из соотношения их длины, то есть: a = 1хL; a = 2хL; a = 3хL.

В зависимости от позволяющей площади и удобства монтажа заземляющие стрежни можно размещать в ряд, либо в виде какой ни будь фигуры (треугольник, квадрат и т.п.).

Цель расчета защитного заземления.

Основной целью расчета заземления является определить число заземляющих стержней и длину полосы, которая их соединяет.

Пример расчета заземления

Сопротивление растекания тока одного вертикального заземлителя (стержня):

где – ρ_экв — эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом·м; L – длина стержня, м; d – его диаметр, м; Т – расстояние от поверхности земли до середины стержня, м.

В случае установки заземляющего устройства в неоднородный грунт (двухслойный), эквивалентное удельное сопротивление грунта находится по формуле:

где – Ψ — сезонный климатический коэффициент (таблица 2); ρ₁, ρ₂ – удельное сопротивления верхнего и нижнего слоя грунта соответственно, Ом·м (таблица 1); Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t — заглубление вертикального заземлителя (глубина траншеи) t = 0.7 м.

Так как удельное сопротивление грунта зависит от его влажности, для стабильности сопротивления заземлителя и уменьшения на него влияния климатических условий, заземлитель размещают на глубине не менее 0.7 м.

Удельное сопротивление грунта Таблица 1

Грунт	Удельное сопротивление грунта, Ом·м
Торф	20
Почва (чернозем и др.)	50
Глина	60
Супесь	150
Песок при грунтовых водах до 5 м	500
Песок при грунтовых водах глубже 5 м	1000

Заглубление горизонтального заземлителя можно найти по формуле:

Монтаж и установку заземления необходимо производить таким образом, чтобы заземляющий стержень пронизывал верхний слой грунта полностью и частично нижний.

Значение сезонного климатического коэффициента сопротивления грунта Таблица 2

Тип заземляющих электродов	Климатическая зона
	I	II	III	IV
Стержневой (вертикальный)	1.8 ÷ 2	1.5 ÷ 1.8	1.4 ÷ 1.6	1.2 ÷ 1.4
Полосовой (горизонтальный)	4.5 ÷ 7	3.5 ÷ 4.5	2 ÷ 2.5	1.5
Климатические признаки зон
Средняя многолетняя низшая температура (январь)	от -20+15	от -14+10	от -10 до 0	от 0 до +5
Средняя многолетняя высшая температура (июль)	от +16 до +18	от +18 до +22	от +22 до +24	от +24 до +26

Количество стержней заземления без учета сопротивления горизонтального заземления находится по формуле:

Rн — нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства, определяется исходя из правил ПТЭЭП (Таблица 3).

Наибольшее допустимое значение сопротивления заземляющих устройств (ПТЭЭП) Таблица 3

Характеристика электроустановки	Удельное сопротивление грунта ρ, Ом·м	Сопротивление Заземляющего устройства, Ом
Искусственный заземлитель к которому присоединяется нейтрали генераторов и трансформаторов, а также повторные заземлители нулевого провода (в том числе во вводах помещения) в сетях с заземленной нейтралью на напряжение, В:
660/380	до 100	15
	свыше 100	0.5·ρ
380/220	до 100	30
	свыше 100	0.3·ρ
220/127	до 100	60
	свыше 100	0.6·ρ

Как видно из таблицы нормируемое сопротивления для нашего случая должно быть не больше 30 Ом. Поэтому Rн принимается равным Rн = 30 Ом.

Сопротивление растекания тока для горизонтального заземлителя:

L_г, b – длина и ширина заземлителя; Ψ – коэффициент сезонности горизонтального заземлителя; η_г – коэффициент спроса горизонтальных заземлителей (таблица 4).

Длину самого горизонтального заземлителя найдем исходя из количества заземлителей:

— в ряд; — по контуру.

а – расстояние между заземляющими стержнями.

Определим сопротивление вертикального заземлителя с учетом сопротивления растеканию тока горизонтальных заземлителей:

Полное количество вертикальных заземлителей определяется по формуле:

η_в – коэффициент спроса вертикальных заземлителей (таблица 4).

Коэффициент использования показывает как влияют друг на друга токи растекания с одиночных заземлителей при различном расположении последних. При соединении параллельно, токи растекания одиночных заземлителей оказывают взаимное влияние друг на друга, поэтому чем ближе расположены друг к другу заземляющие стержни тем общее сопротивление заземляющего контура больше.

Полученное при расчете число заземлителей округляется до ближайшего большего.

Расчет заземления по указанным выше формулам можно автоматизировать воспользовавшись для расчета специальной программой «Электрик v.6.6», скачать ее можно в интернете бесплатно.

Расчетное удельное электрическое сопротивление грунта (Ом*м) — параметр, определяющий собой уровень "электропроводности" земли как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземлителя.

Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности
прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нем растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).

Использование в расчетах

Электрическое удельное сопротивление грунта является основным параметром для расчета заземления.

Чем меньший размер имеет эта величина, тем меньше будет сопротивление заземления смонтированного устройства.

Величины расчетного электрического удельного сопротивления грунта (таблица)

Грунт

Удельное сопротивление, среднее значение (Ом* м ) Сопротивление заземления для комплекта
ZZ-000-015, Ом Сопротивление заземления для комплекта
ZZ-000-030, Ом Сопротивление заземления для комплекта
ZZ-100-102, Ом Асфальт 200 — 3 200 17 — 277 9,4 — 151 8,3 — 132 Базальт 2 000 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Бентонит (сорт глины) 2 — 10 0,17 — 0,87 0,09 — 0,47 0,08 — 0,41 Бетон 40 — 1 000 3,5 — 87 2 — 47 1,5 — 41 Вода Вода морская 0,2 Вода прудовая 40 3,5 2 1,7 Вода равнинной реки 50 4 2,5 2 Вода грунтовая 20 — 60 1,7 — 5 1 — 3 1 — 2,5 Вечномёрзлый грунт (многолетнемёрзлый грунт) Вечномёрзлый грунт — талый слой (у поверхности летом) 500 — 1000 — — 20 — 41 Вечномёрзлый грунт (суглинок) 20 000 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Вечномёрзлый грунт (песок) 50 000 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Глина Глина влажная 20 1,7 1 0,8 Глина полутвёрдая 60 5 3 2,5 Гнейс разложившийся 275 24 12 11,5 Гравий Гравий глинистый, неоднородный 300 26 14 12,5 Гравий однородный 800 69 38 33 Гранит 1 100 — 22 000 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Гранитный гравий 14 500 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Графитовая крошка 0,1 — 2 Дресва (мелкий щебень/крупный песок) 5 500 477 260 228 Зола, пепел 40 3,5 2 1,7 Известняк (поверхность) 100 — 10 000 8,7 — 868 4,7 — 472 4,1 — 414 Известняк (внутри) 5 — 4 000 0,43 — 347 0,24 — 189 0,21 — 166 Ил 30 2,6 1,5 1 Каменный уголь 150 13 7 6 Кварц 15 000 Требуются специальные мероприятия (замена грунта) Кокс 2,5 0,2 0,1 0,1 Лёсс (желтозем) 250 22 12 10 Мел 60 5 3 2,5 Мергель Мергель обычный 150 14 7 6 Мергель глинистый (50 — 75% глинистых частиц) 50 4 2 2 Песок Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами 10 — 60 0,9 — 5 0,5 — 3 0,4 — 2,5 Песок, умеренно увлажненный 60 — 130 5 — 11 3 — 6 2,5 — 5,5 Песок влажный 130 — 400 10 — 35 6 — 19 5 — 17 Песок слегка влажный 400 — 1 500 35 — 130 19 — 71 17 — 62 Песок сухой 1 500 — 4 200 130 — 364 71 — 198 62 — 174 Супесь (супесок) 150 13 7 6 Песчаник 1 000 87 47 41 Садовая земля 40 3,5 2 1,7 Солончак 20 1,7 1 0,8 Суглинок Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами 10 — 60 0,9 — 5 0,5 — 3 0,4 — 2,5 Суглинок полутвердый, лесовидный 100 9 5 4 Суглинок при температуре минус 5 С° 150 — — 6 Супесь (супесок) 150 13 7 6 Сланец 10 — 100 Сланец графитовый 55 5 2,5 2,3 Супесь (супесок) 150 13 7 6 Торф Торф при температуре 10° 25 2 1 1 Торф при температуре 0 С° 50 4 2,5 2 Чернозём 60 5 3 2,5 Щебень Щебень мокрый 3 000 260 142 124 Щебень сухой 5 000 434 236 207

Сопротивление заземления для комплектов ZZ-000-015 и ZZ-000-030, указанное в таблице, может использоваться
при различных конфигурациях заземлителя — и точечной, и многоэлектродной.

Вместе с таблицей ориентировочных величин расчетного удельного сопротивления грунта предлагаем Вам
воспользоваться географической картой уже смонтированных ранее заземлителей на базе готовых комплектов заземления ZANDZ
с результатами замеров сопротивления заземления.

Типы грунтов республики Казахстан
и их удельные электрические сопротивления (карта)

Тип грунта	Ом*м
Известняк поверхностный	5 050
Гранит	2 000
Базальт	2 000
Песчаник	1 000
Гравий однородный	800
Песчаник влажный	800
Гравий глинистый	300
Чернозём	200

Тип грунта Ом*м Разнообразные смеси глины и песка 150 Суглинок лесовидный 100 Глина полутвёрдая 60 Сланцы глинистые 55 Суглинок пластичный 30 Глина пластичная 20 Подземные водоносные слои 5

Глина, суглинок, супесь (различия)

Рыхлые осадочные грунты, состоящие из глины и песка, классифицируются по содержанию в них глинистых частиц:

• глина — более 30%. Глина очень пластичная, хорошо скатывается в шнур (между ладонями). Скатанный из глины шар сдавливается в лепешку без образования трещин по краям.

• тяжелая — более 60%
• обычная — от 30 до 60% с преобладанием глинистых частиц
• пылеватая — от 30 до 60% с преобладанием песка

суглинок — от 10% до 30% глины. Этот грунт достаточно пластичен, при растирании его между пальцами не чувствуются отдельные песчинки. Скатанный из суглинка шар раздавливается в лепешку с образованием трещин по краям.

тяжелый — от 20 до 30%

средний — от 15 до 20%

легкий — от 10 до 15%

супесь (супесок) — менее 10% глины. Является переходной формой от глинистых к песчаным грунтам. Супесь наименее пластичная из всех глинистых грунтов; при ее растирании между пальцами чувствуются песчинки; она плохо скатывается в шнур. Скатанный из супеси шар рассыпается при сдавливании.

Зависимости от условий

Зависимость удельного сопротивления грунта (суглинок) от его влажности
(данные из IEEE Std 142-1991):

Зависимость удельного сопротивления грунта (суглинок) от его температуры
(данные из IEEE Std 142-1991):

На этом графике хорошо видно, что при температуре ниже нуля грунт резко повышает свое удельное сопротивление, что связано с переходом воды в другое агрегатное состояние (из жидкого в твердое) — почти прекращаются процессы переноса заряда ионами солей и кислотными/щелочными остатками.

С помощью этого онлайн-калькулятора Вы сможете рассчитать сопротивление системы защитного заземления, состоящей из горизонтально соединённых стальной полосой вертикальных электродов.

Для расчёта заземления заполните поля формы следующим образом:

• Введите значение нормируемого сопротивления растеканию тока на землю. Обращаем Ваше внимание, что сопротивление заземляющего устройства не должно превышать 10 Ом. Допустимые значения сопротивления заземляющих установок определены Правилами устройства электроустановок параграфом 1.7.101.
• Затем выберите климатическую зону, в которой находится объект электромонтажа.
• Далее введите параметры грунта и характеристики заземлителей — вертикального и горизонтального.
• После нажатия кнопки "Рассчитать" Вы получите расчётные значения характеристик системы заземления.

*Расстояние между вертикальными электродами берется из расчёта 1,1 их длины.

**Результаты калькуляции носят ориентировочный характер и могут несколько отличаться от реальных значений ввиду сопутствующих электромонтажу факторов и условий.