Під терміном заземлення маємо на увазі електричне підключення якого-небудь ланцюга або устаткування до землі. Заземлення використовується для установки і підтримки потенціалу підключеного ланцюга або устаткування максимально близьким до потенціалу землі. Ланцюг заземлення утворений провідником, затискачом, за допомогою якого провідник підключений до електроду, електродом і грунтом навколо електроду.

Заземлення широко використовується з метою електричного захисту. Наприклад, в освітлювальній апаратурі заземлення використовується для замикання на землю струму пробою, щоб захистити персонал і компоненти устаткування від дії високої напруги.

Низький опір ланцюгу заземлення забезпечує стікання струму пробою на землю і швидке спрацьовування захисних реле. В результаті стороння напруга щонайшвидше усувається, щоб не піддавати його дії персонал і устаткування.

Щоб найкращим чином фіксувати опорний потенціал апаратури в цілях її захисту від статичної електрики і обмежити напруги на корпусі устаткування для захисту персоналу, ідеальний опір ланцюгу заземлення повинен бути рівний нулю. З подальшого опису стане ясно, що на практиці цього добитися неможливо.

Достатньо низькі, але не граничні, значення опору задані в останніх стандартах безпеки NEC®, OSHA і ін.

ОПІР ЗАЗЕМЛЯЮЧОГО ЕЛЕКТРОДУ

На мал.1 показаний заземляючий штир. Його опір визначається наступними компонентами:

(А) опір металу штиря і опір контакту провідника з штирем;
(Б) опір контакту штиря з грунтом;
(В) опір поверхні землі протікаючому струму, інакше кажучи, опір землі, який часто є найважливішим з перерахованих доданків.

Докладніше:

(А) Зазвичай заземляючий штир робиться з добре провідного металу (повністю мідний штир або з мідним покриттям) і клемою відповідної якості, тому опором штиря і його контакту з провідником можна нехтувати.

(Б) Національне бюро стандартизації показало, що опором контакту електроду з грунтом можна нехтувати, якщо електрод щільно вбитий і на його поверхні немає фарби, масла і подібних речовин.

(В) Залишився останній компонент – опір поверхні грунту. Можна уявити, що електрод оточений концентричними шарами грунту однакової товщини. Ближній до електроду шар має найменшу поверхню, але найбільший опір. У міру видалення від електроду поверхня шару збільшується, а його опір зменшується. Кінець кінцем, внесок опору видалених шарів в опір поверхні грунту стає незначним.Область, за межами якої опором шарів землі можна нехтувати, називається областю ефективного опору. Її розмір залежить від глибини занурення електроду в грунт.

Теоретично опір землі можна визначити загальною формулою: R =pL / A
(Опір = Питомий опір х Довжина / Площа )

Ця формула пояснює, чому зменшується опір концентричних шарів у міру їх видалення від електроду:
R = Питомий опір грунту х Товщина шаруючи / Площа
При обчисленні опору землі питомий опір грунту вважають незмінним, хоча це рідко зустрічається в практиці. Формули опору землі для систем електродів дуже складні і при цьому часто дозволяють обчислювати опір лише приблизно. Найчастіше використовується формула опору заземлення для випадку одного електроду, отримана професором Дуайтом (H. R. Dwight) з Массачусетського технологічного інституту:

R =p/2пL x ((In4L)-1) /r

R =, де

R – опір заземлення штиря в омах
L – глибина заземлення електроду
r – радіус електроду
p - середній питомий опір грунту в Ом·см.

ВПЛИВ РОЗМІРІВ ЕЛЕКТРОДУ І ГЛИБИНИ ЙОГО ЗАЗЕМЛЕННЯ

Вплив розміру: збільшення діаметру штиря зменшує опір заземлення трохи. Подвоєння діаметру знижує опір менше, ніж на 10% (див. мал.2).

Вплив глибини заземлення штиря: опір заземлення зменшується із збільшенням глибини. Теоретично при подвоєнні глибини опір зменшується на 40 %. Стандарт NEC (1987, 250-83-3) наказує заземляти штир мінімум на 8 футів (2,4 м) для забезпечення хорошого контакту із землею (див. рис.3). В більшості випадків штир, заземлений на 10 футів (3 м), задовольняє вимогам NEC.

Мінімальний діаметр сталевого штиря рівний 5/8 дюйма (1,59 см), а мідного або покритого міддю сталевого штиря - рівний 1/2 дюйми (1,27 см) (NEC 1987, 250-83-2).

Приведена вище формула Дуайта показує, що опір заземлення залежить не тільки від глибини і площі поверхні електроду, але і від питомого опору грунту. Воно є головним чинником, який визначає опір заземлення і глибину заземлення штиря, яка буде потрібно для забезпечення малого опору. Питомий опір грунту сильно змінюється залежно від району земної кулі і пори року. Воно в значній мірі залежить від вмісту в грунті електропровідних мінералів і електролітів у вигляді води з розчиненими в ній і солями. Сухий грунт, що не містить розчинних солей, має високий опір.

Два типи грунту в сухому вигляді можуть стати фактично ізоляторами з питомим опором більше 109 Ом · див. Як можна бачити в таблиці на малюнку, опір зразка грунту змінюється вельми швидко при збільшенні змісту вологи в ній приблизно до 20%.