Железобетонный фундамент может эффективно использоваться в качестве заземлителя благодаря своей способности проводить электричество и обеспечить надежное соединение с землей. Исключительная прочность и долговечность бетона делают его подходящим материалом для заземления, снижая риск коррозии и механического повреждения со временем.
При правильной конструкции и укладке железобетонного фундамента можно достичь оптимального заземления для электрических систем, что важно для обеспечения безопасности и стабильности электроснабжения. Однако необходимо учитывать соответствие местным нормативам и стандартам, чтобы гарантировать его эффективность в качестве заземляющего устройства.
Обзор различных конструкций заземлителей
Безопасная эксплуатация электроустановок различного назначения, выполненных в соответствии с требованиями ПУЭ и других нормативных документов, обеспечивается рядом технических и организационных мер электробезопасности, одной из которых является обустройство заземления, то есть преднамеренного соединения металлических частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции, с заземляющим устройством.
Под заземляющим устройством понимается совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Основным элементом этой системы является заземлитель, электрод которого или совокупность соединенных между собой электродов, находятся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.
Кроме мер электробезопасности, заземление электроустановки также обеспечивает её функционирование в расчетных режимах. Такое заземление называется рабочим или функциональным (например, заземление нейтрали трансформаторов и генераторов).
Молниеприемники внешних молниезащитных систем зданий, сооружений или промышленных коммуникаций соединяются с заземлителем для отвода тока молнии в землю.
Таким образом, заземляющее устройство является многофункциональным, выполняющим, в общем случае, все вышеуказанные функции одновременно.
Заземляющее устройство, используемое для заземления электроустановок одного или разных назначений и напряжений, должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к заземлению этих электроустановок:
· защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции, условиям режимов работы сетей;
· защиты электрооборудования от перенапряжения и т.д. в течение всего периода эксплуатации. И в первую очередь должны быть соблюдены требования, предъявляемые к защитному заземлению.
В нормативной документации требованию к значению сопротивления заземлителя определяются относительно номинального напряжения электроустановки и величины токов короткого замыкания. Требуемые значения электрических характеристик заземляющих устройств должны быть обеспечены при наиболее неблагоприятных условиях, связанных с сезонными изменениями параметров электрической структуры грунта. Под грунтом понимаются любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные системы и часть геологической среды.
Характер поверхности и растительности может дать некоторую начальную информацию относительно более или менее благоприятной характеристики грунта для установки заземлителя. Более точная информация о структуре грунта обеспечивается применением геофизических методов, в частности электроразведкой — методом вертикального электрического зондирования. Отмечается, что геологическая структура грунта в пределах глубин порядка сотен метров в достаточной степени разнообразна и в общем случае имеет горизонтально-слоистый вид с небольшими углами наклона границ и различным удельным электрическим сопротивлением слоев (рис. 1).
Рис. 1. Условный вид геологического строения грунта
Параметры верхнего или активного слоя (грунт глубиной до 3 м) подвержены сезонным изменениям, вызываемым динамикой температуры и влажности. В северных и центральных районах страны наибольшее значение удельного электрического сопротивления слоя сезонных изменений соответствует концу зимнего периода, а для южных – расчетным сезоном являются летние месяцы (рис. 2). Глубинные слои обладают более стабильным удельным электрическим сопротивлением.
Рис. 2. Изменение глубины промерзания грунта по территории РФ
В инженерных методиках расчета сопротивлений заземлителей вся совокупность значений проводимостей слоев грунта приводиться к эквивалентному значению с учетом геометрических размеров заземлителей и циклических сезонных изменений электрических параметров верхних слоев грунта.
Для заземления применяются искусственные и естественные заземлители. Естественными заземлителями являются металлические элементы, проложенные в земле для других целей, но используемые при этом для целей заземления.
В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:
1) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия;
2) металлические трубы водопровода, проложенные в земле;
3) металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле;
4) другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения.
Использование естественных заземлителей в качестве элементов заземляющих устройств не должно приводить к их повреждению при протекании по ним токов короткого замыкания или к нарушению работы устройств, с которыми они связаны.
При использовании железобетонных фундаментов в качестве естественных заземлителей и обеспечении допустимых напряжений прикосновения не требуется сооружение искусственных заземлителей, прокладка выравнивающих полос снаружи зданий и выполнение магистральных проводников заземления внутри здания. Металлические и железобетонные конструкции при использовании их в качестве заземляющих устройств должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных конструкциях должны предусматриваться закладные детали для присоединения электрического и технологического оборудования.
Однако, при использовании железобетонных фундаментов необходимо учитывать следующее. Если фундамент полностью защищен с помощью специальной теплоизоляции из непроводящих материалов, или если фундамент имеет гидроизоляцию, например, пластмассовые листы толщиной больше 1 мм, использование бетонного фундамента в качестве заземлителя малоэффективно. В этих случаях, металлическую арматуру фундамента можно применять для защитного уравнивания потенциалов, а в целях заземления следует применять искусственный заземлитель. Наличием битумного покрытия на железобетонной конструкции при расчете сопротивления естественного заземлителя можно пренебречь.
Конструкцию искусственных заземлителей можно подразделить на два вида. Заземлители, выполненные из элементарных проводников различного профиля сечения (круглый, прямоугольный, угловой и трубный) и формы (кольцевая, лучевая) и сложные заземлители, которые представляют комбинацию горизонтальных и вертикальных электродов, в том числе и в виде замкнутого контура с внутренними горизонтальными перемычками (сетки).
Рис. 3. Стержневой заземлитель
Рис. 4. Комбинированный заземлитель
Эффективность вертикальными стержневых заземлителей зависит от степени однородности грунта. Увеличение длины электродов в разумных пределах обосновано, если имеется возможность достичь слоев с большей проводимостью. Если структура грунта более или менее однородная, то увеличение длины вертикальных электродов малоэффективно, так как изменяет сопротивление заземлителя незначительно.
Заземлитель укладывается в грунте на определённой глубине, называемой глубиной заложения или обслуживания. Её среднее значение составляет 0,5-0,7 м. Такое заглубление необходимо для уменьшения влияния сезонного изменения проводимости верхних слоев грунта. Если в месте установки заземлителя наблюдается однородная электрическая структура грунта, то величина глубины заложения в пределах от 0,5 до 1 м слабо влияет на снижение сопротивления заземлителя.
Увеличение глубины заложения связано с дополнительными затратами и не позволяет оперативно производить обслуживание заземлителей. В тоже время, сложные заземлители (например, мощных электрических подстанций) могут закладываться на различной глубине от поверхности земли, тем самым уменьшая «шаговое» напряжение и обеспечивая более равномерное распределение напряжения.
Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю. Наименьшие поперечные размеры электродов определяются с учетом коррозии материала, из которого они изготовлены. Для повышения эксплуатационных характеристик заземлителей в этом случае увеличивают сечение электродов или применяют медные проводники или проводники с гальваническим покрытием.
Применение омедненных или оцинкованных стальных электродов широко используется в модульных конструкциях заземлителей, позволяющих выполнять вертикальные электроды произвольной длины из сборного комплекта стержней длиной 1,2-15 м. Эффективность таких систем очевидна (получение стабильного сопротивления в течение всего срока службы системы заземления благодаря отсутствию коррозии), в том числе и с точки зрения производства монтажных работ.
Однако эксплуатационных характеристики таких заземлителей зависят от толщины медного или цинкового покрытия, его пластичности, технологии нанесения на стальной сердечник, а также от способа соединения стрежней между собой.
На российском рынке основным производителем омедненных стержней заземления является компания EZETEK, которая специализируется на разработке, производстве и поставке систем модульно-стержневого, электролитического заземления, а также молниезащиты для объектов любой сложности.
Рис.5. Элементы модульно-стрежневой системы EZETEK
Необходимо отметить и еще один вид заземлителей – электролитический. Конструктивно заземлитель выполнен в виде полого перфорированного электрода, устанавливаемого вертикально, или электрода «г»-образной формы, укладываемого горизонтально на малой глубине (порядка 1 метра).
Рис. 6. Комплект электролитического заземления EZЕТЕК
Полость внутри электрода заполняется специальной солевой смесью. За счет взаимодействия с влагой образуется электролит, который повышает электропроводность грунта. Применение таких заземлителей наиболее эффективно в высокоомных грунтах или в случаях, когда накладываются ограничения на монтаж электродов на большую глубину или ограничена площадь, отводимая для контура заземления.
Фундаментное заземление
Использование фундаментного заземлителя является экономичным решением, позволяющим получить хороший заземлитель с большим сроком службы.
Использование фундамента здания в качестве заземлителя является предпочтительным вариантом заземления при условии обеспечения непрерывной электрической связи по его арматуре.
Заземляющие электроды должны располагаться на глубине не менее 0,5 м за пределами защищаемого объекта и быть как можно более равномерно распределенными.
Данный тип заземления имеет ряд преимуществ, а именно:
- не требует земляных работ;
- глубина установки заземлителя исключает возможность воздействии на него отрицательных влияний сезонных погодных условий;
- обеспечивается хороший контакт с грунтом;
- охватывается фактически вся поверхность фундамента здания, что приводит к минимизации импеданса заземлителя;
- обеспечивается оптимальное расположение заземления для системы молниезащиты;
- с начала монтажа здания заземлитель можно использовать В качестве заземления для электрической установки стройплощадки.
Помимо эффекта заземления, находящиеся в бетоне заземляющие проводники обеспечивают хорошую базу для основной системы уравнивания потенциалов.
Учитывая, что фундаментный заземлитель состоит из металлических элементов, залитых бетоном в фундаменте строительного объекта, для обеспечения непрерывности передачи тока в такой конструкции следует обращать особое внимание на качество соединения металлических элементов.
Для обеспечения гарантированного электрического соединения арматуры рекомендуется комплектовать фундамент дополнительной внутренней ячеистой сетью выполненной из стержней или полосового металла и связанной со сталью арматуры с помощью винтовых зажимов. Шаг крепления должен составлять не более 2-х метров.
Металлическую арматуру фундамента можно использовать в качестве заземлителя, при условии, что соединения удовлетворяют требованиям надежной механической и непрерывной электрической связи.
Для функционирования в качестве заземлителя системы молниезащиты из фундамента должны быть предусмотрены внешние выводы для подключения токоотводов.
При невозможности использования фундаментного заземления необходимо предусматривать искусственные заземлители (глубинные либо кольцевые).
Общие требования
У бетона, применяемого для сооружения фундаментов зданий, есть определенная проводимость и, как правило, хороший контакт с окружающим грунтом. Поэтому электроды из черного металла полностью встроенные в бетон можно применять как заземлители, при условии, что бетон не изолируют от грунта с помощью специальной теплоизоляции или другими способами. Из-за химических и физических эффектов черный металл, сталь горячего цинкования и другие металлы, встроенные в бетон на глубину больше 5 см, надежно защищены от коррозии практически на все время существования здания. Также, где это возможно, следует применять проводящие конструкции зданий.
Пример применения замоноличенных в бетон фундаментных заземляющих электродов
Если фундамент здания должен быть полностью защищен от потери тепловой энергии с помощью изоляции из непроводящих материалов, или если фундамент должен иметь гидроизоляцию (например, применяют пластмассовые листы толщиной больше 0,5 мм), использование бетонного фундамента в качестве заземлителя неэффективно.
В этих случаях металлическую арматуру можно применять для защитного уравнивания потенциалов, а в целях заземления следует применять другой заземлитель, например, замоноличенные в бетон фундаментные заземляющие электроды, расположенные ниже изолированного фундамента, или размещение заземления вокруг здания или заглубленные в грунт фундаментные заземляющие электроды.
Конструкция замоноличенных в бетон фундаментных заземляющих электродов
- Для конкретных фундаментов без металлической арматуры, конструкция замоноличенных в бетон фундаментных заземляющих электродов должна соответствовать типу и размерами фундамента. Предпочтение следует отдавать замкнутым кольцевым конструкциям, состоящим из одного или нескольких колец или прямоугольным конструкциям с линейными размерами до 20 м.
- Чтобы избежать снижения (менее 5 см) расстояния до грунта, замоноличенных в бетон проволочных электродов, следует применять специальные средства. Если в качестве электродов используют полосу, то она должна быть зафиксирована относительно края, таким образом, чтобы избежать образования полостей без бетона под полосой. Если присутствует арматура, проволочные электроды должны быть скреплены с ней с промежутками не более 2 м. Применение клиновых соединителей следует избегать.
- У замоноличенных в бетон проволочных электродов должен быть выполнен, по крайней мере, один вывод (терминал) для каждого бетонного элемента здания, для соединения с электрической системой здания, с соответствующей точкой контакта (например, с главной заземляющей шиной) или должно быть окончание в специальном закладном элементе, заложенном в поверхность бетона для соединения. В точке соединения вывод должен быть доступен для обслуживания и измерений.
Для системы молниезащиты и для зданий со специальными требованиями относительно оборудования информационных технологий, требуется более одной точки подключения к заземлителю, например, для токоотвода системы молниезащиты.
Для соединений в фундаменте проложенных в грунте вне бетонного фундамента должна быть учтена возможность коррозии стальных проводников. Для таких соединений, рекомендуется, чтобы они входили в бетон в пределах здания или снаружи, на соответствующей высоте над уровнем земли.
- Соединения должны быть надежными и с соответствующими электрическими характеристиками
- Металлическую арматуру фундамента можно использовать в качестве электрода, при условии, что соединения удовлетворяют техническим требованиям. Паяные соединения допускаются только с разрешения главного инженера (архитектора) проекта на основании анализа конструкции здания. Соединения, с применением проволочной стальной брони не используют в качестве защиты, но могут подходить для обеспечения электромагнитной совместимости информационных технологий. Напряженную арматуру не следует использовать в качестве заземлителя.
Если сваренные сетки, сделанные из проводов меньшего диаметра, применяют для армирования, то их можно использовать в качестве электродов, если они надежно соединяются больше чем в одной точке с выводом или другими частями заземлителя, чтобы обеспечить, по крайней мере, ту же самую площадь поперечного сечения. Минимальный диаметр отдельных проводников таких сеток должен быть не менее 5 мм с четырьмя соединениями между выводом и сеткой в различных точках каждой сетки.
- Соединение электродов не должно выполняться транзитом между различными частями протяженных фундаментов. В этом случае, для обеспечения необходимых электрических соединений, соединители должны быть установлены вне бетонного основания.
- Замоноличенные в бетон фундаментные заземляющие электроды отдельных опор (например, при строительстве больших помещений), должны быть соединены с замоноличенными в бетон фундаментными заземляющими электродами других опор, с применением соответствующих заземляющих проводников.
Возможные проблемы коррозии для других заземленных установок, расположенных снаружи замоноличенных в бетон фундаментных заземляющих электродов
Следует учитывать, что обычная сталь (без покрытия или горячего цинкования) замоноличенная в бетон обладает электрохимическим потенциалом, равным меди, заглубленной в грунт. Следовательно, есть опасность электрохимической коррозии с другим заземлителем, выполненном из стали и заглубленным в грунт вблизи фундамента, и соединенным с замоноличенным в бетон фундаментным заземляющим электродом. Этот эффект можно также наблюдать для армированных фундаментов больших зданий.
Никакой стальной электрод не следует устанавливать в грунте вблизи бетонного фундамента кроме электродов, изготовленных из нержавеющей стали или изготовленных другим способом с хорошей защитой от влаги.
Горячее цинкование, окраска или другие подобные покрытия не достаточны для этих целей. Дополнительные заземлители вокруг и около таких зданий не следует изготавливать из стали горячего цинкования для обеспечения достаточного срока службы этой части заземлителя.
Окончание работ по установке замоноличенных в бетон фундаментных заземляющих электродов
После подготовки электродов и/или соединенной арматуры, перед заливкой бетона следует подготовить соответствующие документы. Документы должны содержать описание, планы и фотографии и быть включены в состав основного комплекта документов электрической установки.
Бетон, применяемый для фундамента, должен содержать не менее 240 кг цемента на 1м 3 бетона. У бетона должна быть соответствующая полужидкая консистенция, чтобы заполнить все полости, расположенные ниже электродов.
- Услуги
- Энергетическое обследование
- Заземление ZANDZ
- Заземление фундамента
- Молниезащита INDELEC
- Услуги лаборатории неразрушающего контроля
- Разработка программы по энергосбережению
Лауреат I степени национальной премии "Золотой Меркурий" 2021-22
Лауреат II степени национальной премии "Золотой Меркурий" 2023
Член новосибирской ТПП
Участник специального проекта «Семейные компании России»
