Фундамент здания играет важную роль не только в его устойчивости, но и как естественный заземлитель. Он обеспечивает надлежащую проводимость электричества в землю, что позволяет безопасно отводить разряды молний и статическое электричество, предотвращая возможные повреждения конструкции и оборудования.
Кроме того, фундамент особенно эффективен, если выполнен из материалов с хорошими проводящими свойствами, таких как арматура и бетон. Это создает надежный путь для электрического тока, минимизируя риск поражения электрическим током и обеспечивая безопасность жильцов и пользователей здания.
Инструкция по устройству сетей заземления и молниезащите
2.1.1. В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать сооружения, указанные в табл. 2.
Таблица 2.
Пояснения, требования к использованию
Железобетонные фундаменты зданий, в том числе имеющие защитные гидроизоляционные покрытия в неагрессивных и слабоагрессивных средах
Для соединения арматуры железобетонных колонн с арматурой фундамента необходимо использовать перемычку диаметром не менее 12 мм (рис. 1).
Соединение металлических колонн с арматурой фундамента следует выполнять по рис. 2.
Необходимость приварки анкерных болтов стальных колонн (арматурных стержней железобетонных колонн) к арматурным стержням железобетонных фундаментов определяется допустимой плотностью тока в приарматурном слое бетона в соответствии с ПЭУ
Железобетонные фундаменты технологических, кабельных, совмещенных эстакад в неагрессивных и слабоагрессивных грунтах во всех климатических зонах СССР
Металлическое соединение арматуры железобетонных опор и фундаментов не является обязательным
Кабельные тоннели из сборного железобетона при условии установки в них закладных деталей, приваренных к арматуре тоннеля, и последующего соединения закладных деталей стальными перемычками
Допускается использовать в качестве дополнительных естественных заземлителей, если сопротивление растеканию железобетонных фундаментов производственного здания или напряжение прикосновения превышает нормы, установленные ПЭУ
Рельсы электрифицированных железных дорог на станциях и перегонах, а также рельсы подъездных путей тяговых подстанций переменного тока
Заземляющие проводники должны присоединяться к рельсам только механическим способом без применения сварки (рис. 3).
Рельсы кранового пути при установке крана на открытом воздухе. Стыки рельсов должны быть надежно соединены сваркой, приваркой перемычек
Рельсы должны быть присоединены к дополнительному заземлителю, располагаемому вблизи крана
Обсадные трубы скважин
Заземлители опор воздушных линий электропередачи, соединенные с заземляющим устройством электроустановки при помощи грозозащитного троса линии, если трос не изолирован от опор линии
Металлические шпунты гидротехнических сооружений, водоводы, затворы и т.п.
Заземлители повторных заземлений нулевых проводников воздушных линий напряжением до 1 кВ в случае использования не менее двух воздушных линий
Проложенные в земле металлические трубопроводы, кроме трубопроводов канализации и центрального отопления. Запрещается применять в качестве естественных заземлителей чугунные трубопроводы и временные трубопроводы строительных площадок
Если на трубопроводах, используемых в качестве протяженных заземлителей, установлены задвижки, водомеры или болтовые фланцевые соединения, то в этих местах следует смонтировать обходные перемычки из полосовой стали сечением не менее 100 мм 2 . Перемычки приваривают непосредственно к трубам или хомутам, установленным на трубопроводе.
Свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле.
Алюминиевые оболочки кабелей не допускается использовать в качестве заземлителей
Оболочки кабелей могут служить единственными заземлителями при числе кабелей не менее двух
Рис. 1. Соединение арматуры железобетонных конструкций: 1 – молниеприемная сетка; 2 – токоотвод; 3 – арматура колонны; 4 – заземляющая перемычка; 5 – арматура фундамента
Рис. 2. Соединение металлической колонны с арматурой железобетонного фундамента: 1 – арматура подошвы; 2 – арматура фундамента; 3 – фундамент; 4 – фундаментные болты (не менее двух), соединенные с арматурой фундамента; 5 – пластины для приварки проводников заземления; 6 – стальная колонна
* При соединении металлической колонны с арматурой железобетонного фундамента необходимо учитывать следующее:
а) фундаментные болты (не менее двух) должны быть соединены с арматурой подколонника сваркой;
б) соединение арматуры подколонника с арматурой подошвы должно быть выполнено сваркой;
в) если пространственный каркас подколонника не пересекается с арматурными сетками подошвы фундамента, то его следует нарастить в двух местах с помощью отдельных арматурных стержней и соединить их сваркой с арматурными сетками;
г) если подошва фундамента не армируется, то достаточно соединить сваркой арматуру подколонника и фундаментные болты;
д) все стержни каркаса арматуры фундамента должны быть соединены между собой сваркой;
е) пластины размером 50х100 должны иметь толщину более 5 мм для приварки проводников заземления. Расстояние от пластины до уровня чистого пола должно быть не более 500 мм. Сварной шов выполняют по ширине пластины с двух сторон.
Рис. 3. Присоединение к тяговому рельсу проводников защитного заземления: 1 – провод заземления; 2 – зажим заземления; 3 – крюковой болт
2.1.2. Естественные заземлители должны быть связаны с магистралями заземлений не менее чем двумя проводниками, присоединенными к заземлителю в разных местах. Это требование не распространяется на опоры воздушных линий электропередачи (ВЛ), повторное заземление нулевого проводника и металлические оболочки кабелей.
2.1.3. В случае использования естественных заземлителей (особенно протяженных) при выборе мест присоединения к ним защитных проводников необходимо учитывать возможность разъединения заземлителя, например, при ремонтных работах.
Заземление. Естественные заземлители
Чаще всего для того, чтобы заземлить электроустановку, используют заземлители естественного типа, например металлические части (арматуру), входящие в устройство железобетонных элементов, допустим, фундаменты опоры линий электропередач и подстанций, а также фундаментов зданий. Кроме того, в качестве естественного заземлителя могут использоваться разного рода металлические подземные коммуникации, например трубопроводы, броня или оболочка кабелей. В некоторых случаях допустимо для заземления использовать и наземные коммуникации, например рельсовые пути.
Чем использование естественных заземлителей лучше по сравнению с искусственными?
Естественные заземлители допустимо использовать в случае, если они способны обеспечить выполнение абсолютно всех требований, которые предъявляют к заземляющим конструкциям.
Искусственные же заземлители нужно применять, когда нужно в значительной степени уменьшить токи, которые через естественные заземлители будут уходить в землю.
Это значит, что в большинстве случаев вы можете использовать только естественные заземлители, не прибегая к искусственным. С помощью данного конструктивного шага можно в значительной степени уменьшить количество материалов, необходимых для сооружения заземления, кроме того будут снижены финансовые и трудовые затраты, а также эксплуатация заземляющего устройства будет намного проще, нежели при применении искусственного заземления.
В каком случае в качестве заземляющего устройства можно применять железобетонный фундамент строения?
Данный технологический шаг разрешается использовать лишь в том случае, если грунт, на котором установлено строение, имеет влажность 3% или больше. Бетон при меньшем показателе влажности способен оказывать достаточно сильное электрическое сопротивление, следовательно, он не будет представлять собой заземляющую конструкцию.
Железобетонный фундамент можно использовать в качестве заземлителя еще и в том случае, если на него будет оказывать воздействие какая-нибудь не слишком агрессивная среда, например грунтовые воды с небольшим показателем жесткости. Кроме того, допустимо применение фундамента в качестве заземлителя при отсутствии гидроизоляции или в случае, если поверхность фундамента будет дополнительно защищена с помощью битумного покрытия, как этого требует СНиП.
Когда категорически запрещено использовать железобетонные фундаменты в качестве заземляющего устройства?
Не следует подводить заземляющий провод к железобетонному фундаменту строения в случае, если он находится в достаточно агрессивной среде, так как это вызовет дополнительную коррозию.
Также не следует использовать железобетонный фундамент в качестве естественного заземлителя, когда железобетонные конструкции имеют в своей структуре напрягаемую арматуру.
Если учесть все указанные выше разрешения и ограничения, то может получиться так, что в вашем строении можно вообще отказаться от изготовления искусственного заземлителя. Это позволит в значительной степени уменьшить длину заземляющих проводников, которые будут находиться в самом строении, что в итоге приведет к достаточно ощутимой экономии средств и материалов.
Как необходимо соединять элементы заземляющего устройства?
Абсолютно все детали как металлических, так и железобетонных конструкций должны быть соединены таким образом, чтобы в них была сделана непрерывная электрическая цепь, которая проходит непосредственно по металлу.
Если колонны изготовлены из железобетона, то нужно дополнительно предусмотреть специальные закладные детали в них, которые должны находиться на каждом из этажей здания.
Данные элементы конструкции нужны для того, чтобы к ним можно было присоединить заземляемое электрическое и технологическое оборудование.
Если в зданиях имеются сварные, болтовые или же заклепочные соединения, то их будет вполне достаточно для того, чтобы соорудить непрерывную электрическую цепь по металлу. Если некоторые из элементов металлоконструкций не оснащены подобными соединениями, то к ним нужно дополнительно приварить гибкие перемычки, сечение которых должно составлять 100 мм2 или даже больше.
Какие железобетонные конструкции не стоит использовать в качестве заземлителей?
Лучше всего не подводить заземляющий провод к сборным фундаментам, выполненным из железобетона. По возможности стоит соединить арматуру соседних блоков между собой, лишь после этого допустимо изготовление естественного заземления. В противном случае, если этого сделать не удастся, лучше всего изготовить искусственное заземление.
Как следует соединять железобетонные конструкции между собой?
Если фундамент дома выполнен из свай, то их арматуру лучше всего соединить с арматурой ростверка или блоков фундамента с использованием электродуговой сварки.
Однако пространственные каркасы колонн и стаканов фундаментов, которые обычно выполняют из металла, а также арматурные сетки их подошв нужно сваривать путем точечной сварки.
Из чего изготавливают закладные детали?
Закладные детали лучше всего сооружать в виде отрезков, выполненных из угловой стали размерами 63 х 63 х 5 мм, а длиной около 60 мм. Их следует приварить к арматуре таким образом, чтобы они выходили на поверхность бетона.
Для изготовления металлических перемычек используют стержни диаметром 42 мм. Их приваривают непосредственно к закладным деталям.
Если здание будет оборудовано молниеприемной сеткой, она должна быть объединена в единую конструкцию с колоннами, которые используются в роли токоотводящих проводников, а также с фундаментами, выполняющими функцию заземлителя. При этом к данной сетке нужно присоединить все конструкции, изготовленные из металла и выступающие над кровлей, например антенны, вентиляционные шахты, трубы и прочие металлические изделия.
Металлические перемычки необходимо размещать в конструкции строения в случае, если в роли естественного заземлителя будут выступать трубы водопровода. Данные перемычки необходимо устанавливать на водомерах и задвижках.
В случае если при проведении ремонтных работ нужно снять перемычку, то предварительно необходимо установить еще одну. Кроме того, заземляющие проводники нужно соединять с трубами водопровода за водомером.
Категорически запрещается использовать в качестве заземляющего проводника канализационный трубопровод, так как в месте своих стыков канализационные трубы не обладают действительно качественным электрическим контактом.
На подстанциях в качестве естественных заземлителей могут выступать стойки из железобетона. Однако в этом случае для их изготовления должен использоваться специальный электротехнический бетон.
Какие естественные заземлители используются на линиях электропередач?
В данном случае в качестве заземлителя можно использовать подножники, изготовленные из железобетона и свай. Так поступать наиболее разумно в случае, если они устанавливаются на грунт, среднее сопротивление которого составляет 300 Ом/м, то есть в глиняных и супесчаных грунтах.
Кроме того, был проведен целый ряд экспериментов, которые показали, что даже в песчаных и скальных фунтах бетон основания линии электропередач получает постоянное увлажнение.
Из-за этого уже через несколько месяцев после его установки он превращается в естественный заземлитель, причем сопротивление данной конструкции в течение года будет не слишком значительно колебаться, так что такими значениями можно и пренебречь.
Какие еще есть естественные заземлители?
Помимо тех заземлителей, о которых было сказано выше, существует еще целый ряд возможных естественных заземлителей, например в их роли могут выступать металлические трубопроводы, через которые протекает какая-нибудь негорючая жидкость, обсадные трубы артезианских колодцев.
В случае если вы решите использовать исключительно естественный заземлитель для безопасности своего дома, то протекающие по заземляющему проводу электрические токи не должны быть больше допустимых для каждого составного элемента заземляющего устройства.
Можно ли использовать железобетонный фундамент в качестве заземления молниезащиты?
Современные здания, как правило, имеют в своем составе железобетонные конструкции и стоят на железобетонном фундаменте. Это обстоятельство значительно упрощает создание систем заземления. Действующие нормативные документы рекомендуют использовать в первую очередь естественные заземлители.
Применительно к заземлению электрооборудования до сих пор действует ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление». Применительно к системам молниезащиты сложилась гораздо более сложная ситуация, поскольку в них заземление должно пропускать через себя большой электрический заряд за короткий промежуток времени.
Особенности заземления для систем молниезащиты
Основным документом, регламентирующим устройство молниезащиты, является СО 153-34.21.122-2003 "Инструкция по молниезащите зданий, сооружений и промышленных коммуникаций". Но данный нормативный документ касается вопросов использования железобетонного фундамента в качестве естественного заземлителя очень кратко.
В п. 3.2.3.3 говорится, что арматура должна отвечать требованиям п. 3.2.2.5, т.е. обеспечивать электрическую непрерывность соединения между элементами. Кроме этого, для предварительно напряженного бетона необходимо оценить воздействие протекающего электрического ток на предмет возможных механических воздействий. Остальные факторы (марка бетона, свойства почвы, защитное покрытие железобетонных конструкций) в Инструкции не рассматриваются, хотя они важны для оценки возможности использования фундамента в качестве заземления. Поэтому на практике приходится обращаться к документу РД 34.21.122-87 «Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений».
Согласно РД 34.21.122-87, п. 1.8, рекомендуется использовать естественные заземлители, кроме случаев, когда с целью защиты от агрессивных грунтов металлические элементы фундамента имеют эпоксидное или полимерное покрытие. Также запрещается использование фундамента для заземления системы молниезащиты при влажности грунта менее 3%. П. 1.8 Инструкции требует наличия непрерывного электрического соединения железобетонного фундамента с токоотводом по арматуре, причем соединение арматуры с закладными деталями должно быть выполнено сваркой.
Современный подход к заземлению для систем молниезащиты предусматривает нормирование не значения сопротивления растеканию, а типовых конструкций заземления. РД 34.21.122-87 рассматривает железобетонный фундамент в качестве одной из таких типовых конструкций. Согласно п. 2.2 Инструкции сказано, что для использования в качестве естественного заземления молниезащиты пригодны железобетонные фундаменты произвольной формы, имеющие площадь контакта с грунтом не менее 10 кв. м. Еще одно важное ограничение — фундамент не должны разрушаться при попадании молнии.
В то же время, агрессивные грунты в большинстве случаев представляют собой естественное природное явление, которое встречается даже в самых экологически чистых местностях. Соответственно, наличие у фундамента защитного покрытия — весьма распространенное явление. Применение при этом отдельного заземления зачастую нецелесообразно ни с технической, ни с экономической точек зрения. Другой вопрос, что такой фундамент должен обеспечить необходимый уровень электробезопасности при ударе молнии.
Агрессивные грунты и защита железобетона от их действия
В настоящее время вопросы защиты железобетонных конструкций от агрессивного воздействия грунтов регулируются в России межгосударственным стандартом ГОСТ 31384-2008 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие требования». Согласно этому ГОСТ, агрессивность грунта определяется по глубине, на которую бетон разрушается, либо теряет защитные свойства относительно стальной арматуры, за 50 лет. Слабая степень агрессивности — менее 10 см, средняя — от 10 см до 20 см, высокая — более 20 см.
К первичным методам защиты относят изменения состава бетона, а также комплекс проектно-конструкторских решений, снижающих уровень коррозии. Бетон должен быть более плотным, обеспечивать более надежную защиту стальной арматуры, чем обычно. К вторичным мерам относят нанесение на железобетонные конструкции защитных покрытий, а также обработка антисептиком, если причиной коррозии является действие бактерий.
Вторичная защита железобетона подразумевает нанесение специального покрытия
Для слабоагрессивных грунтов применяют в основном первичные методы защиты, а вторичные — по мере необходимости. В среднеагрессивных грунтах обязательно применение как первичной, так и вторичной защиты, причем последняя ограничивает доступ веществ, вызывающих коррозию, к железобетону. Наконец, в грунтах с высокой степенью агрессивности применяются в обязательном порядке и первичные, и вторичные методы защиты, причем вторичные методы должны полностью изолировать железобетон от действия агрессивной среды.
Влияние типа бетона и свойств почвы на параметры заземления
Удельное электрическое сопротивление водоупорного бетона, используемого для первичной защиты от агрессивных грунтов, значительно выше, чем у обычного. Это связано с более плотной структурой, содержащий минимальное количество пор. Для водоупорного бетона удельное объемное электрическое сопротивления может быть вычислено на основании данных о коэффициенте водопоглощения и марке по водонепроницаемости. Встречаются сорта бетона, устойчивые к действию агрессивных сред за счет введения в их состав специальных присадок. Объемное удельное сопротивление таких сортов бетона определяется путем проведения измерений на конкретных образцах.
Возможность использования железобетонного фундамента в качестве заземления системы молниезащиты в значительной степени зависит от свойств грунта. Как правило, если грунт обладает высокой степенью агрессивности, использование фундамента в качестве заземления также невозможно, поскольку ГОСТ требует обеспечить полную изоляцию железобетона от агрессивной среды.
А вот с грунтами малой и средней степенями агрессивности вполне можно работать. Тем не менее, они накладывают свои ограничения не только в связи с тем, что мероприятия по защите увеличивают сопротивление растеканию. Агрессивные грунты обычно богаты сульфатами и хлоридами. В результате электролиза выделяются хлор и сера, которые вносят дополнительный вклад в разрушение железобетона. Поэтому для грунтов слабой и средней агрессивности для оценки способности фундамента «работать» заземлением в качестве критерия берется плотность тока, стекающего с арматуры (о том, где взять предельно допустимые значения этого параметра, будет сказано далее).
Методики оценки
В России до сих пор действует ГОСТ 12.1.030-81. “Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.” У него есть справочное приложение “Оценка возможности использования железобетонных фундаментов промышленных зданий в качестве заземлителей”. Казалось бы, вот он, официальный нормативный документ, но… В качестве критерия пригодности взято сопротивление растекания. Этот критерий пригоден для расчета заземлений электроустановок, но в молниезащите он сейчас не применяется.
Единственным справочным документом по оценке пригодности фундамента к использованию в качестве заземления применительно к молниезащите, в России до сих пор являются Материалы по проектированию и эксплуатационному контролю «Использование заземляющих свойств строительных конструкций производственных зданий и сооружений», выпущенные в 1991 г. ВНИИПЭМ. По свойствам грунта, бетона и защитного покрытия на основании приведенных в Материалах формулах и графиках вычисляется значение плотности тока, стекающего с арматуры. Сравнение данного параметра с нормативными значениями позволяет сделать вывод о возможности использования фундамента в качестве заземления. Авторы Материалов рассчитали нормативные показатели, установив зависимость между плотностью тока и напряжением прикосновения, нормируемого ГОСТ 12.1.038-82 «Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов».
То есть, параметры заземления на основе железобетонного фундамента косвенно нормируются по ГОСТ 12.1.038-82, иных же стандартов для них в России до сих пор нет. Материалы ВНИИПЭМ от 1991 г. устанавливают зависимость напряжения прикосновения от параметров почвы, бетона и конструкции фундамента. Тем не менее, их нельзя применять “механически”, возможность использования фундамента для систем молниезащиты должны оценивать специалисты.
