ВИЗНАЧЕННЯ 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).
На практиці мінімальний діаметр 3 м штиря заземлення рівний:
1/2 дюйми (1,27 см) для звичайного грунту
5/8 дюйма (1,59см) для сирого грунту
3/4 дюйми (1,91 см) для твердого грунту або для штиря довше 10 футів.