В современных электроустановках правильный расчёт защитного заземления напрямую влияет на безопасность персонала и надёжность оборудования. Одним из ключевых параметров, который обязательно учитывают при проектировании групповых заземляющих устройств, является коэффициент экранирования заземлителей. В данной статье разберёмся, что это за параметр, как он влияет на сопротивление контура и как правильно его рассчитать.

Понятие экранирования в заземляющих устройствах

Когда несколько вертикальных стержневых заземлителей объединяют в группу, их электрические поля начинают взаимно влиять друг на друга. В результате:

• диффузионная зона токов растекания сужается;
• эффективная площадь контакта с грунтом уменьшается;
• общее сопротивление контура становится выше арифметической суммы сопротивлений одиночных стержней.

Это явление называют экранированием, а величина, его количественно описывающая,, коэффициентом экранирования η (иногда обозначают как η_I или η_экр).

Формально:

η_I = R_факт / R_сумм, где

• R_факт — измеренное (или расчётное) сопротивление группы;
• R_сумм, сопротивление при отсутствии экранирования (идеальное).

Всегда 0 < η_I ≤ 1. Чем меньше значение, тем сильнее экранирование и тем больше придётся увеличивать число стержней для достижения заданного R_з.

Коэффициенты для вертикальных заземлителей

Для стержневых электродов длиной L и диаметром d, расположенных в грунте с удельным сопротивлением ρ, сопротивление одного элемента R_в вычисляется по формуле:

R_в = (ρ / 2πL) · [ln(8L/d) – 1]

При групповом размещении вводится коэффициент использования η_в, значения которого приведены в таблицах (например, СП 256.1325800.2016 или методичке ВОЛЬТ-СПБ).

Пример таблицы (η_в для стержней, расположенных в один ряд):

Как видно, при увеличении шага a или при размещении по контуру (не рядом) коэффициент увеличивается, то есть экранирование снижается.

Коэффициенты экранирования горизонтальных соединительных полос

Горизонтальная полоса, связывающая вертикальные электроды, также вносит вклад в общее сопротивление, но сама подвержена экранированию. Для полос используют коэффициент η_г (иногда обозначен как n в некоторых источниках).

В типовых методиках применяется формула:

n_полос = R_г / (η_г · R_доп)

• R_г, сопротивление одной полосы;
• η_г — коэффициент экранирования полос (0,75…0,99 в зависимости от количества и конфигурации);
• R_доп — нормативное допустимое сопротивление (обычно ≤ 4 Ом для сетей 380/220 В).

Комбинированный контур: порядок расчёта с учётом экранирования

1. Определяем удельное сопротивление грунта ρ (по ГОСТ 22261-2016 или результатам измерений).
2. Выбираем тип электродов (стальные уголки, медные стержни, графитовые модули).
3. Рассчитываем R_в, сопротивление одного вертикального заземлителя.
4. Принимаем первоначальное число стержней n₀ без учёта экранирования: n₀ = R_в/R_доп.
5. Подбираем табличное η_в в зависимости от расстояния между стержнями и их числа.
6. Уточняем число стержней n₁ = n₀/η_в.
7. Повторяем пункты 5-6 итерационно, пока |n_i – n_i-1| < 1.
8. Рассчитываем горизонтальные полосы: длину, число, η_г.
9. Суммируем эквивалентное сопротивление контура R_экв = 1/(1/R_{в группы} + 1/R_{г группы}).
10. Сравниваем R_экв с R_доп. Если не выполняется, увеличиваем n или L, меняем конфигурацию.

Практический пример

Исходные данные:

• ρ = 100 Ом·м (супесчаник);
• электрод L = 3 м, d = 16 мм (стальной стержень);
• требуемый R_з ≤ 4 Ом.

Шаг 1. R_в = (100 / 2π·3) · [ln(8·3/0,016) – 1] ≈ 31,8 Ом.

Шаг 2. n₀ = 31,8 / 4 ≈ 8 шт.

Шаг 3. Принимаем шаг a = 2L = 6 м, размещаем по контуру. По таблице η_в ≈ 0,73.

Шаг 4. n₁ = 8 / 0,73 ≈ 11 шт. Принимаем 12 стержней для симметрии контура.

Шаг 5. Дополнительно прокладываем полосу 40 × 4 мм общей длиной 60 м с η_г ≈ 0,82.

Советы по уменьшению экранирования

• Увеличивайте шаг между стержнями до 2-3 длин электрода.
• Располагайте стержни по контуру здания, а не в один ряд.
• Используйте многоугольные или замкнутые контуры вместо линейных.
• Применяйте графитовые или медные электроды с большей поверхностью.
• Для агрессивных грунтов выбирайте оцинкованную или медную полосу для уменьшения коррозии и стабильности η_г.

Коэффициент экранирования, не просто «корректирующий множитель», а обязательный расчётный параметр, который позволяет на стадии проекта точно определить число заземлителей и избежать излишних затрат или опасных заниженных значений сопротивления. Учёт экранирования особенно важен при плотной посадке электродов, высокоомных грунтах или ограниченных площадках подстанций.

Применяя приведённые формулы, таблицы и итерационный подход, инженер-электрик получит достоверный результат, соответствующий нормативам ПУЭ-7, ГОСТ 12.1.030-81 и СП 256.1325800.2016.