Заземление в частном доме своими руками

В большинстве случаев не требуется объяснять зачем нужен контур заземления и насколько он важен. Но прежде чем начать монтаж заземления, рассмотрим его основные характеристики, нормы для него, общее устройство, основы расчёта, условия изготовления.

Кроме специфических, любой контур заземления или заземляющее устройство состоит из серии вертикальных заземлителей, заглублённых таким образом, чтоб верхняя часть была в земле на 70 см. Они соединяются друг с другом горизонтальным заземлителем, продолжение которого служит для подключения. То есть к нему подключается заземляющий проводник, который идёт на шину заземления. Конструкция несложная, но есть особенности. Почему не обойтись всего одним вертикальным заземлителем? Ведь это проще, тоже присутствует контакт с землёй. Оказывается, у любого контура есть важный параметр – сопротивление растеканию. Что это означает?

Заглянем в теорию

Рассмотрим пример – схема заземления с одиночным вертикальным заземлителем, забитым в землю. С ним соединён металлический корпус электроприбора, где произошло короткое замыкание – фаза соединилась с корпусом. При этом исходные условия: замыкание «металл – на металл», без учёта сторонних факторов, поэтому сопротивлением в точке контакта можно пренебречь. Сопротивление заземляющего проводника от прибора до земли тоже не учитываем, так как оно незначительное, когда используется достаточно большое сечение.

Далее при условии, что грунт вокруг заземлителя считаем однородным во всех направлениях, то и ток будет уходить в землю одинаково в этих же направлениях. При этом наибольшая плотность тока будет у самого заземлителя. Чем дальше от заземлителя, тем больше уменьшается его плотность. В итоге получается, что на пути тока сопротивление его движению с увеличением расстояния от заземлителя всё более уменьшается, потому что он проходит через постоянно увеличивающееся «сечение» проводника – земли. И напряжение, которое снижается на пути этого тока по закону Ома: самое большое на самом заземлителе, а при удалении плавно убывает. А на каком-то расстоянии от заземлителя напряжение станет пренебрежимо мало – приблизится к 0. Точка с таким напряжением – точка нулевого потенциала. По сути эта точка нулевого потенциала и есть та самая земля, с которой связан корпус электроприбора.

Сопротивление заземляющего устройства, это не электрическое сопротивление его металла – оно низкое, это не сопротивление между металлом штыря и землёй – при соблюдении определённых условий оно тоже небольшое. Это сопротивление земли между штырём и точкой нулевого потенциала.

Всё это отображается формулой Rз : Uф / Iкз. То есть – сопротивление заземляющего устройства будет равно фазовому напряжению, пришедшему на корпус, поделённому на ток короткого замыкания. На этой формуле всё и завязано.

Но параметров сопротивления одиночного заземлителя скорее всего будет недостаточно, чтоб организовать контур заземления, соответствующий требованиям ПУЭ. Как всё привести в соответствие? Площадь заземляющего электрода имеет решающее значение, поэтому самое очевидное решение – нужно забить рядом ещё один электрод. Но если забить их в непосредственной близости, то ток растекается, как и прежде, ничего не меняется. Для того чтоб поменять конфигурацию растекания нужно разнести заземляющие электроды подальше друг от друга. В этом случае получается разделение тока между ними – он стекает с каждого из них.

Однако существует зона, где они пересекаются. Получается, что это не простое параллельное соединение двух сопротивлений, за исключением примеров, когда заземлители очень далеко друг от друга. Но это очень непрактично, для реального устройства заземления потребуются огромные площади. Поэтому при расчётах удаления заземляющих электродов используют поправочные коэффициенты, которые учитывают их взаимное влияние – коэффициент экранирования.

Чтобы ещё уменьшить сопротивление контура заземления, нужно увеличить глубину погружения электрода, то есть увеличить его длину. Ведь чем длиннее заземлитель, тем больше площадь, способствующая растеканию тока. Этот эффект широко используется при изготовлении омеднённых штырей для комплектов заземления. Они забиваются в землю друг за другом соединяясь резьбовыми муфтами в единый электрод. При этом достигается нужная для параметров заземления глубина.

Соединяя электроды заземления горизонтальной связью, ещё снижается общее сопротивление заземляющего устройства. Влияние связи тоже учитывается, также принимаются во внимание, что её экранируют вертикальные электроды.

Получается система из нескольких элементов, зависящих друг от друга:

• Расстояние между вертикальными заземлителями.
• Их количество.
• Важно, на какую глубину они забиты.
• Форма – прут, труба, уголок. Это разная площадь прилегания к земле.
• Форма и длина горизонтальной связи.

То есть факторов достаточно много и по одной формуле всё рассчитывать некорректно. Остальные параметры для расчёта берутся из следующих понятий и величин.

Напряжение прикосновения и напряжение шага

Если человек касается корпуса рассматриваемого в примере электроприбора, он имеет большее сопротивление, чем часть земли, на которой он стоит, и ток по нему идёт небольшой. Но он стоит на земле в зоне растекания тока короткого замыкания. А это значит, что присутствует какое-то напряжение между контактирующими частями тела. Не всегда это руки и ноги, но и рассмотрения этого частного случая достаточно для понимания процесса. Напряжение, действующее на человека через эти точки – напряжение прикосновения.

Для него существуют определённые нормы. Его стремятся уменьшить на сколько возможно, поэтому расчётным путём достигаются допустимые параметры для заземляющего устройства.

Для простоты возьмём только один заземлитель, рассмотрим, что происходит непосредственно на земле. Чем больше удаление от заземляющего электрода, тем меньше напряжение, потенциал относительно удалённой точки, где он равен 0. Непосредственно у самого заземляющего электрода он максимально возможный. Если абстрактно соединить точки с одинаковым потенциалом, образуются так называемые эквипотенциальные линии – окружности. Очевидно, что приближаясь к заземлителю, который проводит ток короткого замыкания, на каком-то удалении человек между ступнями получает какое-то напряжение – разность потенциалов от положения ступней. Это напряжение шага.

Конечно, в электроустановках где стремятся ток замыкания на землю как можно скорее отключить это напряжение не является слишком опасным, даже если оно будет существовать какие-то секунды, человек возможно и получит какие-то неприятные ощущения, но только и всего.

В иных электроустановках, где ток замыкания на землю может существовать длительное время, на это тоже обращают особое внимание. Кстати, шаговое напряжение – термин, который активно используют в электробезопасности в части приближения к токоведущим частям, замыкающимся с землёй в открытых и закрытых распределительных устройствах. И существует допустимое расстояние приближения к этим устройствам – 4 м для закрытых и 8 для открытых. Они связаны с тем, как ток замыкания на землю растекается по земле.

Напряжения прикосновения и шага стремятся сделать минимальными, чтобы не пострадал человек. Для этого и получены, опубликованы в ПУЭ нормы – для практического применения.

А когда от подстанции отходит воздушная линия, то через определённые расстояния для обеспечения тока короткого замыкания, достаточного для срабатывания защиты, на опорах устраиваются повторные заземляющие устройства.

На вводе в бытовые здания: дома, коттеджи, также устраивается контур заземления, который тоже является повторным. Как только его подключили померять его индивидуальные параметры невозможно – он становится составной частью всей системы.

Конечно частника интересует только его «собственный» контур, точнее, как сделать заземление в доме. Чтоб оно было эффективным, а силы и средства небыли потрачены впустую. значение сопротивления повторного заземляющего устройства для частного дома тоже, как и для всех остальных. Это 15, 30, 60 ом соответственно напряжениям 660, 380, 220 В. источника трёхфазного тока или 380, 220, 127 В. источника однофазного тока. И неважно, что зачастую это бывает однофазное напряжение 220в – 30 Ом, когда контур не подключен, 10 Ом у подключенного в сеть устройства заземления.

Однако может выясниться, что при некоторых условиях экономическая составляющая расчётного заземления зашкаливает разумные пределы. Например, удельное сопротивление грунта настолько велико, что даже многократное увеличение числа заземляющих электродов не приносит желаемый результат. Поэтому при удельном сопротивлении грунта более 100 Ом на метр, норму для устройства заземления можно превышать, но не более чем в 10 раз.

Удельное сопротивление грунта

Любой проводник электрического тока имеет удельное сопротивление. Какой-то проводник лучше, какой-то хуже проводит ток. Например, медь, алюминий или вообще нихром. Подобно можно классифицировать и грунты. Удельное сопротивление грунта – это его способность проводить электрический ток. Самый плохой проводник – камень, в сухом виде, при отсутствии солей это практически диэлектрик. Самый лучший проводник – очень влажный грунт. Остальные имеют промежуточные значения.

Казалось бы, у чернозёма отличные показатели, но он залегает лишь на поверхности земли. Чтоб миновать сезонно замерзающие грунты приходится иметь дело с грунтами ниже глубины промерзания. Какие расчётные параметры брать для заземляющего устройства в конкретном месте, можно определить только разведочным шурфом или наблюдением, при земляных работах.

Если грунт чистый песок или глина, берём их значения, но смешанный грунт нужно классифицировать. Например, возьмём немного глины в ладони, пытаемся раскатать в жгут. Если это удаётся и получается тонкий жгутик, это чистая глина. Когда он рвется на сантиметровые отрезки – это суглинок. Когда тонкий жгут не раскатывается и рвётся – супесь, совсем не раскатывается – песок. Из всех пород шурфа в расчет берётся вид с самым худшим удельным сопротивлением. Ещё померять удельное сопротивление грунта можно специальным прибором, олько мало кто имеет такую возможность.

На проводимость грунтов значительно влияет количество влаги в земле. Чем её больше, тем электрические характеристики лучше. Поэтому удельное сопротивление грунта зависит от климатических и сезонных изменений. По этой причине измерения сопротивления заземляющего устройства рекомендуется проводить в самое засушливое или морозное время. Однако, чтобы проводить расчёты в любое время года, ввели сезонные коэффициенты. Они учитывают климатические условия местности, где планируется установка заземления. Уже с поправкой, удельное сопротивление грунта принимается в расчёт.

Материалы и размеры контура

Из любого материала, даже не «бросового», а специально приобретённого контур заземления тоже не получится сделать. ПУЭ регламентирует и этот пункт, потому что:

• Эти материалы должны быть погружены в землю без деформаций и повреждений. Способ – для этого – забивание либо задавливание.
• У материалов должна быть хорошая сохранность – срок службы устройства исчисляется десятилетиями, они должны выдерживать условия эксплуатации.

Для этого обозначены минимальные допустимые значения сечений и размеров материалов для изготовления вертикальных и горизонтальных элементов заземлителей.

Для вертикальных заземлителей используется: труба, прут, уголок – это стержень заземления. Для горизонтальных заземлителей используется стальная полоса, круглый прут либо профиль.

Красить контур заземления ненужно, за исключением сварочных швов, наружных элементов.

Расчёт контура заземления

Традиционно электроды заземления располагаются в линию, но существуют и другие варианты: треугольник, квадрат и пр. А контуром устройство заземления иногда называют потому, что их располагали по периметру здания, опоясывали связью с несколькими вводами на внутренний контур – стальную полосу уже внутри здания. Поэтому контур – историческое название.

Но совсем необязательно окружать дом полностью, достаточно выбрать направление при линейном размещении электродов или определить площадь для какого-либо «кустового» варианта, где нет помех, не планируются земляные работы. Важно удобное расположение, чтоб избежать сложностей при вводе в распределительный щит.

Для расчётов применяется многоуровневая схема, просто параметров материалов и значений сопротивлений для конечного результата недостаточно. Некоторые из них элементарно зависят от конкретной ситуации. Например, от выбора материалов. Из чего делать? Из того что в наличии, чтобы меньше докупать. Если сразу ориентироваться «через магазин» – то исходить из условий цена-качество. Главное, чтобы материал и параметры для каждого элемента заземляющего устройства соответствовали приведённым в таблице значениям. Если заземляющее устройство собирается не из комплекта-конструктора, а из более доступных материалов, то далее нужно задаться:

• Глубиной погружения электродов заземления. Их длина должна иметь разумные пределы. Не меньше глубины промерзания грунта, но и соразмерно подручным средствам для забивания.
• Расстоянием между ними. Оно должно быть кратным их длине, чтоб иметь возможность применить к расчётам коэффициенты взаимного влияния – экранирования.
• Количеством электродов. Хотя в расчёт нужно заложить не только количество, но и длину полосы, которая их соединяет, ввод в дом.

То есть по сути контур полностью формируется, а после рассчитывается его сопротивление. Если оно соответствует нормам, то принимаем эти параметры для изготовления устройства. Если нет меняем некоторые, для улучшения характеристик.

Имея такие исходные данные, в первую очередь считаем сопротивление одиночных электродов заземления.

При всей своей сложности, формулы для разных типов заземлителей тоже разные: свои для круглого сечения, уголка и полосы. Также для расчёта придется выбрать коэффициенты взаимного влияния электродов, соответствующие исходным данным. После этого подставляем значения в общую формулу:

• Где Rг – расчётное сопротивление горизонтального заземлителя.
• Rв – расчётное сопротивление вертикального заземлителя.
• Nв – количество вертикальных заземлителей.
• nг – коэффициент экранирования горизонтальных заземлителей.
• nв – коэффициент экранирования вертикальных заземлителей.

Считаем сопротивление заземляющего устройства. Если результат не устраивает, можно что-то изменить в исходных данных. Например, добавить или наоборот убрать лишние электроды заземления. Но, как только меняется их количество или длина, автоматически меняется либо длина горизонтальной связи, либо коэффициент взаимного влияния, или всё вместе. Дополнительно может измениться расстояние между электродами, для соблюдения кратности длине. Поэтому весь расчёт начинается с начала. Как видно процесс сравнительно непростой.

Однако можно воспользоваться онлайн калькуляторами. А для убеждения в правильности расчёта сравнить показатели нескольких. Тем более, что уже имеется представление: что, как и зачем, а это уже преимущество. После расчётов можно переходить непосредственно к монтажу.

Как изготовить устройство заземления

Теоретических знаний как сделать контур заземления вполне достаточно, чтоб изготовить его своими руками. Объединим всё в короткую последовательность:

• Делаем разметку на местности.
• По ней копаем траншею глубиной 0.7 м, для удобства расширяем места для электродов.
• Забиваем электроды. Если это уголок, можно прихватить к нему такой же обрезок, чтоб получить квадратное сечение – по нему удобней бить. Так же штыри любого сечения хорошо заколачивать электрическим отбойным молотком.
• Прокладываем к ним соединительную полосу, подводим её к дому или даже заводим внутрь.
• Обвариваем соединения максимально качественно, со всех сторон. При необходимости стыки производим не в торец, а внахлёст.

Далее, чтобы выполнить подключение заземления в частном доме своими руками полосу или прут подведённый к дому нужно подключить к PE или к PEN-шине в распределительном щитке. Для этого нужен проводник, так же соответствующий требованиям ПУЭ. Он может быть медным – 10 мм², алюминиевым -16 мм², стальным – 75 мм² – это минимально допустимые сечения. Однако подводить стальную полосу – хоть и экономно, но очень неудобно. Какой провод подойдёт?

Конечно медь – оптимальный вариант по удобству подключения. Если соединение находится снаружи дома, для надёжности используется обжимная клемма, оно выполняется в корпусе для защиты от атмосферных осадков либо в герметичной распределительной коробке.

Перед вводом в эксплуатацию устройства заземления для нового дома, в обязательном порядке проводятся замеры, этого просто не избежать. Однако не рассматривайте это как «повинность», ведь всё и затевалось для собственной безопасности. Поэтому для прочих, давно эксплуатируемых домов, сразу после устройства контура заземления рекомендуется пригласить специалистов, чтобы провести замеры и убедится в его работоспособности. Для измерения сопротивления растеканию «конкретно Вашего» устройства заземления подготовьтесь, но временно не делайте подключение в щит, при замерах оно должно быть не более 30 Ом. После подключения – не более 10 Ом.

Однако, никто не застрахован от ошибок и форс-мажорных обстоятельств, контрольные замеры могут выявить значения сопротивления, превышающие норму. Для устранения таких недостатков «малой кровью», придётся добить дополнительный электрод.

Таким образом рассчитывается, монтируется и подключается правильное заземление частного дома. Как видно – всё можно сделать своими руками. Кстати, нигде нет ограничений, что право на изготовление контура имеют только лицензированные организации, но воспользоваться их услугами для проверки – необходимо.