Устройство заземления в грунтах с высоким удельным сопротивлением.

Большинство грунтов имеют низкое или умеренное удельное сопротивление, позволяя, тем самым, достичь желаемой электрической проводимости заземляющего устройства достаточно просто (без использования дорогих и технически сложных методов). Электрическое заземление в условиях вечномерзлых, песчаных и скальных грунтов всегда вызывает большие сомнения у разработчиков проектов электрических систем. Такая почва имеет удельное электрическое сопротивление на порядок больше, чем в обычных условиях, что вызывает большие трудности со строительством заземляющего устройства. Проектных норм, справочной информации и методов решения – единицы, либо вообще нет. Заземляющее устройство получается очень дорогим и часто имеет малый срок службы.

Вариант первый:

Высокоэффективным решением, имеющим большой срок службы, стала электролитическая система заземления, предназначенной для организации заземляющего устройства в условиях грунтов имеющих высокое удельное сопротивление (вечная мерзлота, песок, скалы). Особенностью системы является возможность получения требуемых характеристик (2 Ома) в вышеуказанных грунтах при относительно низких экономических затратах.

В основу устройства положено изменение состава близлежащего грунта путем растворения в нем ионов соли, что приводит к существенному снижению сопротивления почвы и повышению сезонной стабильности параметров заземлителя. При этом площадь заземляющего устройства минимальна, а глубина установки электрода не превышает одного метра (а при необходимости сокращается до 0,5 метра). Нейтральный PH электродного заполнителя препятствует коррозии материала заземлителя (металла), что дает срок службы элементов заземлителя более 50 лет.

Монтаж заземлителей

Монтаж электролитической системы заземления прост и упрощенно состоит из: выемки грунта необходимой глубины и ширины, установка электрода в полученный канал и засыпка пространства между электродом и почвой околоэлектродным заполнителем. Общее монтируемое заземляющее устройство (контур заземления) может иметь удобную, индивидуальную для конкретного случая конфигурацию с любым числом электродов - для получения необходимого результата (характеристик устройства).

Достоинства электролитического заземления

специальная смесь минеральных солей (2) с патентованной добавкой:
не вызывает ускорения коррозии материала электрода
не превращается в электролит сразу всем объемом при повышенной влажности грунта (актуально в весенний период)
делает процесс выщелачивания равномерным и постоянным. Это способствует не просто сохранению концентрации электролита в грунте, а ее увеличению со временем, что способствует уменьшению сопротивления заземления
срок службы заземлителя составляет не менее 50 лет
малая необходимая глубина монтажа электролитического заземления (0,7 м) делает такой заземлитель очень универсальным к применению, без забот о влиянии на него вечномерзлого грунта (в частности, эффекта "выталкивания")

Основа электролитического заземления

Главный элемент электролитической системы заземления - полый электрод (труба) L - образной формы (4) с перфорацией по всей длине, устанавливаемый в зоне протайки вечномерзлого грунта (на глубину 0,7 метра) и заполненный специальной смесью минеральных солей (2). Эта смесь впитывает воду из окружающей среды, превращаясь в электролит (выщелачиваясь), после чего проникает в грунт, повышая его электропроводность (понижая его удельное сопротивление) и уменьшая его промерзание (понижая температуру замерзания). Обмен жидкостями осуществляется через перфорированную поверхность электрода.

Элементы и конструкция электролитической системы заземления

Электрод - заземлитель

Mедная труба в виде буквы “L” с перфорацией по всей длине, заполненная смесью минеральных солей. Для соединения с заземляющим проводником используется 40-сантиметровый медный канат S = 70 мм2, приваренный к трубе.

- Длина вертикальной части электрода = 0,6 метра
- Длина горизонтальной части электрода = 2,4 метра
- Диаметр электрода = 65 мм
- Толщина стенок электрода = 2 мм

Заполнитель околоэлектродный

Грунтовый заменитель из графитовой крошки для увеличения площади электрического контакта электрода с почвой. За счет механических свойств (рыхлость и отсутствие расширяемости при повышении влажности) заменитель:

ускоряет процесс выщелачивания и проникновения электролита в окружающий грунт
не позволяет окружающему грунту закупоривать отверстия в электроде

Колодец для обслуживания

Колодец из стекловолокна или пластика, предназначенный для установки над вертикальной частью электрода (глубина погружения не более 50 см). Предназначен для облегчения обслуживания электрода, проведения замеров его параметров. Материал рассчитан на весь срок службы электрода.

Зажим для подключения проводника

Универсальный профилированный зажим с болтами M8. Дает возможность соединения электрода с заземляющим проводником - круглым проводом либо со стальной полосой. Для этого внутри зажима находиться латунная прокладка, препятствующая образованию электрохимической связи между сталью и медью.

Лента гидроизоляционная

Изолирующая соединение электрода с заземляющим проводником (зажим). Лента защищает соединение от почвенной и электрохимической коррозии путем полного вытеснения воды (влаги) из места соединения, без которой процесс коррозии невозможен. При этом лента не теряет своих физических и механических свойств в течении многих лет.

Комплект электролитического заземления

Комплект электролитического заземления предназначен для организации заземляющего устройства в грунтах, имеющих высокое удельное сопротивление (от 300-500 Ом*м): вечномерзлых, песчаных, скальных без применения специальной техники и насыпного грунта.

Этот готовый комплект содержит все, необходимые для монтажа заземлителя, компоненты, легко сопрягаемые друг с другом.

Вариант второй:

При обустройстве заземления обычно стремятся вкопать штырь на максимальную глубину, сколько позволяют технические возможности и бюджет. Такой подход связан с необходимостью обеспечить низкое сопротивление заземления в течение всего года. На большой глубине земля не промерзает, к тому же там находятся слои почвы, богатые грунтовыми водами, характеризующиеся низким удельным сопротивлением. Недостатком такого подхода является необходимость бурения, если внизу находятся скальные породы. Кроме этого, существуют виды почв, например, торфяники, где наоборот, удельное сопротивление на большой глубине ниже, чем вблизи поверхности.

В том случае, если заземление используется только для обеспечения молниезащиты объекта, строгой необходимости в установке элементов заземления на большой глубине нет. При настолько низких температурах, что промерзает верхний слой почвы, гроза - явление крайне редкое. Для таких применений может оказаться выгодным использование так называемых протяженных горизонтальных заземлителей. Они представляют собой металлическую проволоку или ленту (как правило, изготовленную из стали и покрытую слоем цинка или меди), уложенную в земле горизонтально на небольшой глубине. Протяженные горизонтальные заземления широко используются для защиты от удара молнии опор линий электропередач, опор воздушных линий связи, объектов добычи нефти и газа.

Лучевой или кольцевой заземлитель?

Сопротивление отдельного горизонтального протяженного заземления уменьшается при увеличении его длины, вплоть до 10 м. При длине больше 10 м начинают сказываться сопротивление и индуктивность проволоки (ленты). Также следует отметить, что при увеличении длины проволоки (ленты) от 5 до 10 м сопротивление заземлителя уменьшается незначительно. Поэтому на практике применяются так называемые лучевые заземлители. В них электрически соединенные между собой элементы заземления расходятся в разные стороны от защищаемого объекта.

Помимо лучевых, известны также кольцевые заземлители. Такой заземлитель представляет собой замкнутое кольцо из проволоки или ленты, уложенное на небольшой глубине вокруг защищаемого объекта. Основное преимущество кольцевого заземлителя - при том же сопротивлении, как правило, занимает меньшую площадь, чем лучевой. Недостаток - при том же сопротивлении, на кольцевой заземлитель требуется больше проволоки или ленты.

Как и из чего делать лучевой заземлитель?

В ПУЭ, рекомендуется изготавливать заземлители из стали или оцинкованной стали. Допускается применение как проволоки, так и ленты. Но, при равной площади сечения, у ленты больше площадь соприкосновения с почвой, чем у проволоки, что повышает надежность заземлителя. Например, для лучевого заземлителя можно использовать оцинкованную стальную ленту толщиной 4 мм и шириной 30 мм. Площадь ее сечения составляет 120 кв. мм. Это полностью соответствует требованиям ПУЭ, где говорится, что толщина ленты для заземления должна быть не менее 4 мм, а площадь сечения — не менее 48 кв мм.

Оцинкованная лента

Оцинкованная стальная лента прослужит около 10 лет. Если вместо нее использовать омедненную стальную ленту, то заземление прослужит уже более 30 лет. Это более современный вариант, не указанный напрямую в ПУЭ. Запрета на использование омедненного заземления в ПУЭ так же нет. По своим электрическим характеристикам омедненная лента полностью соответствует требованиям ПУЭ. Недостатком омедненной ленты является ее высокая цена. При увеличении срока службы ленты в 3 раза стоимость ее погонного метра тоже возрастает примерно в 3 раза. Тем не менее, за счет снижения расходов на замену заземления в итоге получается значительная выгода.

Омедненная лента

При расчёте длины лучей заземлителя можно порекомендовать методику, изложенную в «Руководстве по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений в проводных установках проводной связи и радиотрансляционных узлов» как наиболее удобный для практических целей. Используется методика для многоэлектродного заземления. Предполагается, что ширина ленты равна удвоенному диаметру аналогичной по заземляющим свойствам проволоки. При наличии методических указаний для конкретной отрасли, где используется заземлитель, следует отдавать предпочтение изложенным в них методикам расчета.

Зажимы

Для соединения между собой элементов лучевого заземлителя лучше использовать сварку. В то же время, если проволока или лента покрыты защитным слоем цветного металла, и зажим сделан из цветного металла, ассоциация «Электромонтаж» допускает применение разъемных соединений. При этом лучи заземлителя целесообразно выполнить из ленты, а соединяющие их провода — из проволоки круглого сечения. Для соединения можно рекомендовать зажимы из нержавеющей стали. Они позволяют соединить полосу шириной до 40 мм и два отрезка проволоки круглого сечения диаметром до 10 мм.

Выводы

Лучевые заземлители представляют собой в первую очередь экономичное решение для защиты от удара молнии. Тем не менее, если позволяют требования к заземлению, свойства почвы и климатические условия местности, лучевые заземлители могут быть также рабочими для электроустановок, использующихся в круглогодичном режиме. Несомненным преимуществами лучевых заземлителей, обусловленными малой глубиной их установки, являются простота монтажа и обслуживания.