2.10 Системы заземления, классификация заземлителей и их конструктивное исполнение
Одной из важных частей внешней молниезащиты является система заземления, состоящая из токопроводящих элементов, заглубленных в землю или в другую токопроводящую среду, которая имеет электрический контакт с землей. Система заземления предназначена для отвода тока молнии в землю, выравнивания потенциалов между токоотводами при растекании тока молнии в землю и управления потенциалами напряжения, возникающие вблизи стен здания. Заземлитель молниезащиты всегда должен соединяться со всеми другими существующими контурами заземления, за исключением, если молниеотвод установлен отдельно. В случае, когда контуры заземления выполнены отдельно по технологическим условиям, их следует объединить, используя систему выравнивания потенциалов здания, поскольку с точки зрения защиты от молний рекомендуется применение единой интегрированной системы заземления.
В действующих стандартах России различают два типа систем заземления: стержневые типа А и кольцевые типа В.
2.10.1 Заземлители типа А.
К типу А относятся горизонтальные и глубинные стержневые вертикальные заземлители, присоединяются к каждому отдельному токоотводу и углубляются в землю снаружи защитного объекта. Вертикальные стержневые заземлители углубляются в почву у основания сооружения на расстоянии ~1м от стены. В некоторых случаях их целесообразно устанавливать и внутри сооружения, например, в подвале.
На рис. 2.10.1 показан общий вид стержневого заземлителя типа А. Такой заземлитель состоит из стержней ZT, муфт ZTM, и наконечника ZTH. Стержни заземления изготавливают длиной 1.5м и покрывают цинком. Срок эксплуатации таких заземлителей составляет 5 ÷ 15 лет в зависимости от толщины цинкового покрытия. Заземлитель соединяют с проводником токоотводов или с контуром заземления с помощью соединителей SJ01L, SR03B.
Длина заземления типа А определена стандартом ДСТУ EN 62305-3 и зависит от класса молниезащиты и удельного сопротивления грунта ρ и составляет l1 для горизонтальных проводников и 0,5 ∙ l1 для вертикальных (рис. 2.10.2).
Из рисунка видно, что минимальная длина заземления для III и IV класса защиты не зависит от ρ и составляет 5 м для горизонтальных заземлителей и 2.5 м для вертикальных. Поскольку основное требование к заземляющему устройству LPSe - его сопротивление должно составлять менее 10 Ом в любое время года, минимальную длину возможно не принимать во внимание, если сопротивление заземляющего устройства соответствует этому условию.
Горизонтальные заземлители типа А используют, когда монтаж вертикальных заземлителей связан с технологическими ограничениями, или когда необходимо создать заземляющее устройство в виде сетки. Горизонтальные заземлители длиной не менее 5 метров прокладываются в траншее на глубине 0.5-0.8 м.
При использовании вертикальных глубинных заземлителей монтаж стержней также выполняется в траншеях (рис. 2.10.3), заземлители соединяются между собой горизонтальными проводниками (как правило полосой PAS). Соединение заземлителей должно быть качественным, чтобы исключить возникновение разности потенциалов и избежать искровых пробоев. Для подключения используют специальные соединители (типа SJ01, SR03) (рис. 2.10.1). Места соединения обрабатывают антикоррозийным пастой и/или обматывают специальной антикоррозионной лентой типа PLP (рис. 2.10.4).
Глубина проникновения вертикального заземления в землю должна быть такой, чтобы он прошел верхний слой почвы и углубился в нижний слой почвы с практически стабильным значением удельного сопротивления ρ. Дело в том, что величина удельного сопротивления ρ верхнего слоя почвы непостоянна и зависит от его влажности и времени года. Степень влажности определяется в основном количеством осадков. В результате сопротивление заземления будет тем стабильнее, чем глубже он расположен в нижнем незамерзающем слое грунта. Для уменьшения влияния климатических условий на сопротивление заземления верхнюю часть заземления размещают на глубину t не менее 0.7 м, а полное углубление стержня можно определить по формуле:
Заземлители типа А целесообразно использовать для небольших строительных сооружений, оснащенных молниеприемными стержнями или тросами, и для устройства изолированной системы молниезащиты. Общее количество заземлителей на здание должна быть не менее 2-х, устанавливать их нужно на безопасном расстоянии от подземных инженерных коммуникаций и электрических кабелей. Стержни можно располагать в ряд или в виде любой геометрической фигуры (квадрата, прямоугольника,
треугольника) в зависимости от удобства монтажа и площади. Совокупность стержней, соединенных между собой, образует контур заземления.
При выполнении работ по монтажу заземлителей используются специальные ударные инструменты, такие как электро-, бензо-, пневмомолоты. Почву вокруг заземлителей уплотняется (утрамбовывается) для обеспечения оптимального электрического контакта.
Стержни изготавливаются из стали, и покрываются слоем цинка. В зонах с высоким риском коррозии следует использовать только нержавеющую сталь.
2.10.2 Заземелители типа B
Другим типом заземлителей являются заземлители типа В, и делятся на кольцевые и фундаментные.
Кольцевой заземлитель типа В (рис. 2.10.5) прокладывают вокруг фундамента дома в виде замкнутого контура (или сетки) на расстоянии более одного метра от здания и на глубине 0.5-0.8 м, при этом минимум 80% длины должно иметь контакт с землей. Дополнительно можно устанавливать и подключать отдельные заземлители типа А.
Поскольку основным заземлителем типа B является замкнутый круг, вопрос уравнивания потенциалов между токоотводами не возникает, и дополнительный ведущий контур на уровне земли не нужен.
Для кольцевых заземлителей можно использовать (таблица 2.12.1):
›› круглые проводники (проволока DRAT) ø8 ÷10 мм (стальные, алюминиевые, медные)
›› плоские проводники (полоса PAS) 25×4 мм, 30×3,5 мм, или 40×4 мм (стальные).
Основные преимущества и недостатки кольцевого заземлителя типа В такие же, как и у стержневых заземлителей типа А.
Фундаментный заземлитель типа В (рис. 2.10.6) проектируется только для нового дома и устанавливается на этапе строительства, непосредственно в бетонном фундаменте строительного сооружения.
Такие заземлителей используют в зданиях, построенных на скалистом, лишенном мягкого слоя почве, или при повышенном риске пожаров. В почвах с высоким сопротивлением при строительстве возможно применение метода замещения почвы. Этот метод реализуется объемной заменой каменистых и песчаных почв в местах устройства заземлений на глинистые.
Для подключения к токоотводам предусматриваются выводы из фундамента наружу с помощью клемм ZB.
Ленту заземления прокладывают между арматурой и соединяют их с интервалом 2 м. Фундаментные заземлители отдельных зданий при необходимости соединяются вместе. Бетон должен покрывать заземляющий электрод в фундаменте не менее на 50 мм, тогда этот электрод считается защищенным от коррозии.
Фундаментные заземлители изготавливаются из того же материала, что и кольцевые. В случае выявления недостаточной электрической проводимости фундамента здания, рекомендуется устанавливать дополнительные кольцевых заземлителей в грунте рядом с фундаментом, но нужно заметить, что при использовании стальных заземлителей, погруженных одновременно в бетон и почву, могут возникать гальванические потенциалы напряжением до 1 В, что отрицательно влияет на коррозионную
стойкость заземлителей в грунте. Поэтому заземлители, выходящие из фундамента в грунт, рекомендуют выбирать из меди или из стали, покрытой медью или цинком.
Фундаментный заземлитель соединяется с внешним кольцевым заземлителем через каждые 20 м с помощью специальных соединительных проводников, направленных вертикально вдоль стены к точкам соединения с токоотводами. Все соединения должны быть винтовыми, зажимными или сварными.
Допускается также использовать «естественные» заземлители, в качестве которых могут выступать проложенные в земле водопроводные и теплофикационные трубы, стальные конструкции зданий и сооружений, арматура бетона и т.п. При использовании арматуры следует уделить особое внимание внутренним соединением для предотвращения механического раскалывания бетона вследствие протекания тока молнии, который может вызвать недопустимые механические нагрузки.
После монтажа системы заземления выполняется измерения сопротивлений согласно паспорту.