Розрахунок розмірів заземлювача — формули для стрижневого та пластинчастого заземлювача

Посібники про вимірювання опору заземлення та чотириточковий метод Веннера для питомого опору ґрунту розглядають, як вимірюється опір заземлення наявного заземлювача чи питомий опір ґрунту на місці. Ця стаття розглядає зворотний, попередній етап: як приблизно розраховуються розміри ще не встановленого заземлювача, виходячи з відомого чи оцінного питомого опору ґрунту.

Чому це наближення, а не нормативна формула

IEC 60364-5-54 (на якій ґрунтується NEN 1010 §542) описує вимоги до заземлювачів якісно (тип, мінімальні розміри, захист від корозії та механічних пошкоджень) і щодо фактичного значення опору відсилає до вимірювання на місці, а не до однієї приписаної формули розрахунку. У технічній практиці та літературі (заснованій, зокрема, на класичній теорії електродів, застосовуваній також у суміжних стандартах, як-от BS 7430) тим не менш використовують широко поширені наближені формули для попередньої оцінки необхідних розмірів заземлювача.

Стрижневий заземлювач

Для вертикально забитого в ґрунт стрижня приблизно справедливо:

R ≈ ρ / (2πL) × ln(4L / d)

• ρ — питомий опір ґрунту (Ом·м), визначений за допомогою вимірювання, наприклад чотириточковим методом Веннера.
• L — довжина стрижня в ґрунті (м).
• d — діаметр стрижня (м).
• R — підсумковий опір заземлення (Ом).

Оскільки довжина L присутня як під логарифмом, так і в знаменнику, опір спочатку різко знижується у міру глибшого забивання стрижня, але за більших довжин це зниження поступово вирівнюється — другий, паралельний стрижень, встановлений на достатній відстані від першого, часто дає ефективніше зниження опору, ніж забивання одного стрижня значно глибше.

Пластинчастий заземлювач

Для горизонтально укладеної пластини приблизно справедливо:

R ≈ ρ / (4√A)

• A — площа пластини (м²), виміряна з одного боку.
• Решта величин — як зазначено вище.

Чому питомий опір ґрунту (ρ) — головна невизначеність

В обох формулах опір заземлення прямо пропорційний питомому опору ґрунту ρ, який може значно варіюватися — не лише між різними типами ґрунту (глина, пісок, торф, скельний ґрунт), а й сезонно на тій самій ділянці (вологість, промерзання). Розрахунок на основі прийнятого чи одноразово виміряного значення ρ дає тому попередню оцінку, а не гарантоване остаточне значення; фактично виміряний опір заземлення встановленого заземлювача (див. посібник про вимірювання опору заземлення та метод струмових кліщів) тому завжди залишається вирішальним, незалежно від того, що передбачало попередньо розраховане значення.

Примітка: ця стаття розглядає формули розрахунку як попередній проєктний орієнтир на основі класичної теорії електродів. Щодо нормативних вимог до типу, мінімальних розмірів та механічного/антикорозійного захисту заземлювача вирішальним є повний текст NEN 1010 §542 та IEC 60364-5-54.

Практична значущість

Під час проєктування нового пристрою заземлення — наприклад, для системи TT, де заземлювач безпосередньо бере участь у визначенні необхідного часу відключення ПЗВ (див. посібник про систему TT) — попередній розрахунок з оцінним чи раніше виміряним значенням ρ дає уявлення про необхідну кількість і довжину стрижневих заземлювачів. Цю оцінку завжди потрібно підтверджувати після встановлення фактичним вимірюванням, а в разі відхилення (наприклад, через локальну неоднорідність ґрунту) доповнювати додатковими заземлювачами.

Часті помилки

1. Вважати розраховане значення опору остаточним без проведення фактичного вимірювання після встановлення — локальна мінливість ґрунту може призвести до значного відхилення реального значення від розрахунку.
2. Використовувати для остаточного проєкту одне вимірювання ρ, виконане в один момент часу, не враховуючи сезонні коливання (сухий літній ґрунт зазвичай дає вище ρ, ніж той самий ґрунт вологою зимою).
3. За надто високого розрахункового опору збільшувати лише довжину стрижня, тоді як кілька паралельних стрижнів, розміщених на достатній відстані один від одного, часто дають ефективніше й практичніше рішення, ніж один дуже довгий стрижень.
4. Застосовувати формули так, ніби вони є нормативною вимогою IEC 60364-5-54, тоді як це класичні, широко використовувані в інженерній практиці наближені формули — сам стандарт не приписує формулу розрахунку і відсилає до вимірювання.

Пов'язані матеріали

• Вимірювання опору заземлення
• Питомий опір ґрунту — метод Веннера
• Опір заземлення — метод струмових кліщів
• Система TT, заземлювач та обов'язковий ПЗВ
• Заземлювачі — фундаментний заземлювач