Искусственные заземлители
Для устройства искусственных заземлителей успешно применяется обычная дешевая черная сталь. Разумеется, можно несколько облегчить заземлители, применив нержавеющую, оцинкованную или алюминированную сталь, защищенную от коррозии. Но обычно дешевле применить черную сталь несколько большего сечения, чем защищенную сталь меньшего сечения, при одинаковом обеспечении заданного срока службы заземлителя.
В некоторых случаях, например при катодной защите сооружений от коррозии, с рабочих заземлителей постоянно уносится металл вследствие электролиза, поэтому электроды применяют массивнее обычных. Но такие случаи в этой книге не рассматриваются.
Обычно искусственным заземлителем является стальной проводник, заложенный в грунт горизонтально или вертикально (либо наклонно), или группа таких проводников-электродов, соединенных между собой. В последнем случае заземлитель называют сложным, а если электроды образуют контур, то сложный заземлитель называют заземляющим контуром. Название «горизонтальных» и «вертикальных» заземлителей весьма условное. Строгое соблюдение горизонтальности необязательно, важно лишь, чтобы электроды находились в грунте на нужной глубине, не мешая пахоте и не подвергаясь повреждениям при работе сельскохозяйственных машин. Поскольку поверхность земли в оврагах, на уклонах и в ряде других мест может оказаться не горизонтальной, то и протяженные (лучевые, «горизонтальные») заземлители будут следовать кривизне поверхности. Для вертикальных электродов также необязательно строгое соблюдение вертикальности.
Горизонтальные заземлители прокладывают на глубине 0,5, на пахотной земле — не менее 1 м. Они рациональны в тех случаях, когда электропроводность верхнего слоя грунта обеспечивает нужную проводимость. Монтаж таких заземлителей наиболее механизирован и выполняется с минимальной затратой ручного труда.
Однако верхние слои почвы чаще имеют большее электрическое сопротивление, чем глубинные. Кроме того, вблизи от поверхности земли растекание тока не идет равномерно во все стороны, как на глубине. Следовательно, сопротивление горизонтальных электродов обычно больше, чем сопротивление вертикальных электродов такой же массы. Поэтому наибольшее распространение в качестве заземлителей получили вертикальные электроды. Лучшую экономичность имеют глубинные вертикальные электроды, достигающие хорошо проводящих нижних слоев грунта.
Заземляющие электроды, смонтированные в грунте перемычки между ними и выводы от заземлителей на поверхность должны иметь следующие минимальные размеры: круглая сталь — диаметр не менее 10 мм; круглая оцинкованная сталь — диаметр не менее 6 мм; угловая сталь — толщина полки не менее 4 мм; общее сечение для заземлителей молниезащиты (грозозащиты) — не менее 160 мм2; полосовая сталь — толщина не менее 4 мм при сечении не ниже 48 мм2 (для магистралей заземления — не менее 100 мм2, для молниезащиты — не менее 160 мм2); отбракованные трубы — толщина стенки не менее 3,5 мм (кондиционные трубы использовать для заземления запрещено ввиду дефицитности).
Минимальные размеры электродов применяют в основном для временных электроустановок, где условия коррозии не имеют решающего значения. Для постоянных установок сечение заземлителей выбирают с запасом на коррозийное разрушение. По условию стойкости от коррозии предпочтительнее круглая сталь, так как разъедание электрода ржавчиной пропорционально площади поверхности электрода, соприкасающейся с грунтом, а площадь электрода круглого сечения наименьшая из всех профилей.
Для обеспечения надежной работы заземлителя в течение 40—50 лет в благоприятных грунтовых условиях достаточно увеличение диаметра стержневого электрода против минимального всего на 2—3 мм, а во влажных грунтах бывает необходимо увеличение диаметра заземлителя даже вдвое.
Сравнение заземлителей из круглой стали с другими профилями показывает ее преимущество не только по коррозионной стойкости. Расчеты показывают, что применение стержневых электродов вместо угловых снижает расход металла в 1,5, а стоимость заземлителя — в 1,75 раза. Кроме того, стержневые электроды легче монтировать.
Контакт заземлителя с грунтом, необходимый для беспрепятственного растекания тока с металла в грунт (имеющий гораздо большее сопротивление, иногда в тысячи раз большее, чем металл), должен иметь достаточную поверхность и быть весьма плотным. Отсюда ясно, почему заземляющие контуры часто имеют большие размеры и включают иногда сотни метров горизонтальных лучей и десятки (а то и сотни) вертикальных электродов.
От заземляемого элемента электроустановки, например от опоры воздушной линии электропередачи, горизонтальные лучи прокладывают в двух противоположных направлениях, либо, если лучей не два, а три или четыре, разносят их под углом в плане 120 или 90° (рис. 1). Такое разнесение лучей необходимо для эффективного использования закладываемого металла, так как рядом расположенные заземлители взаимно экранируются и их использование снижается во много раз.
Рис. 1. Схемы искусственных заземлителей:
а — протяженные (горизонтальные) лучи-заземлители: б — то же в разрезе; е, г — контур (сложный заземлитель) из вертикальных и горизонтальных электродов в плане и разрезе: в. е — сложный заземлитель из наклонных и горизонтального электродов в плане и разрезе; 1, 2, 3 — горизонтальный, вертикальный и наклонный электроды заземления соответственно; 4 — вывод от заземлителя (заземляющий проводник)
По этой же причине вертикальные заземлители нужно удалять друг от друга на возможно большее расстояние, равное хотя бы длине электрода. Например, если десять вертикальных электродов длиной по 5 м расположить в одну линию на расстоянии по 5 м друг от друга, то коэффициент их использования составит всего лишь 0,47, а если те же электроды расположить для экономии места по замкнутому треугольнику или четырехугольнику, то использование будет еще хуже. То же относится к случаю применения наклонных электродов, которые разносят в плане под равными углами аналогично горизонтальным и погружают в землю под углом около 45° для наилучшего использования.
В ряде случаев, указываемых расчетом, неравномерность распределения потенциалов на поверхности земли над заземлителем и вокруг него создает опасные напряжения шага и прикосновения. Для выравнивания потенциалов в таких случаях можно выполнить заземлитель в виде сетки из горизонтальных элементов, прокладываемых в земле вдоль и поперек территории электроустановки и соединенных сваркой в местах пересечений. Размер каждой ячейки такой сетки обычно составляет от 6X6 до 10X10 м.
Вокруг опоры BЛ потенциалы можно при необходимости выровнять заземлителем, выполненным в виде концентрических колец, заложенных в грунт и соединенных с опорой.
Сетчатый заземлитель снижает напряжения шага и прикосновения до допустимых значений на всей занимаемой им площадке, однако за пределами сетки опасность может сохраниться. Поэтому в опасных местах, например на подходах к территории подстанций или вокруг фундаментов опор ВЛ, укладывают дополнительные заземлители на постепенно увеличивающейся глубине и соединяют их с основными заземлителями.
Площадь, отводимая под заземлитель, и расход металла могут быть снижены защитным изолирующим ограждением, сооружаемым вокруг заземлителя. Простейшее ограждение из диэлектрического материала препятствует растеканию тока по поверхности земли, этим снижает напряжение шага по сравнению с напряжением на заземлителе не менее чем в 100 раз и выравнивает потенциал за пределами заземлителя.
Вертикальная часть ограждения располагается от уровня поверхности на глубину 0,4—0,6 от глубины заложения верха заземлителя. Отбортовка ограждения (рис. 2) выполнена под углом 60—95° к вертикали и имеет длину, составляющую (0,1—0,15) /S [S — площадь заземлителя (сетки)]. Для устройства ограждения может быть использован любой недорогой диэлектрический материал, обладающий достаточной механической прочностью и имеющий электрическую прочность не менее 1 МВ/м.
Рис. 2. Устройство для выравнивания потенциалов за пределами заземлителя:
1 — контур заземления (заземлитель, сетка); 2 и 3 — отбортовка и вертикальная часть сплошного контурного (кольцевого) ограждения над периметром заземлителя; h3 — глубина заложения заземлителя; hg — высота (глуби» на заложения) вертикальной части ограждения, равная (0,4—0,6)Л3: L — длина отбортовки, равная (0,1—0,15) l^S, где S — площадка, занятая заземлителем; а — угол отбортовки
Наиболее подходят для этой цели изоляционные материалы на битумной основе, например бризол, выпускаемый промышленностью из отходов производства и имеющий электрическую прочность не менее 20 МВ/м.
При стекании тока / с заземлителя, например с заземляющей сетки, вокруг заземлителя формируется электрическое поле. На поверхности земли возникает электрический потенциал, и напряжение шага может достигать опасных значений непосредственно за пределами заземлителя даже при применении известных способов выравнивания потенциалов. По данному новому предложению геометрические параметры ограждения установлены в результате анализа электрического поля, формируемого заземлителем совместно с диэлектрическим выравнивающим ограждением, и отвечают требованиям безопасности. Устройство применимо для заземлителей любой конструкции и при любых геоэлектрических структурах грунта.
Во многих случаях описанные выше заземлители из профильной стали не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к заземляющим устройствам. В засушливых местах трудно добиться стабильной проводимости таких заземлителей, в скальных грунтах их трудно монтировать, а в агрессивных грунтах трудно обеспечивать защиту от коррозии и долгий срок службы. Для таких случаев разработаны конструкции специальных заземлителей.
Специальный заземлитель для засушливых районов может быть выполнен, например, в виде железобетонной емкости, устанавливаемой ниже поверхности земли и наполняемой водой через верхний съемный люк. Заземлитель снабжают водораспределительной системой в виде отрезков металлических труб с отверстиями для стока воды, расположенными равномерно по всей длине труб. Трубы покрыты слоем влагопоглощающего материала (бетон, цемент). Скорость фильтрации влаги через бетон в землю устанавливается за счет подбора марки бетона. Это дает возможность избежать частых регулировок увлажнения и сократить трудозатраты, связанные с необходимостью регулярного увлажнения. Вывод от железобетонной емкости к заземляемому оборудованию, например к нейтрали трансформатора, присоединяется к стальным стержням армировки железобетона.
Другая конструкция специального заземлителя направлена на сведение к минимуму скорости электролитического растворения заземлителя-электрода, что уменьшает потерю его массы и увеличивает в 5—10 раз срок его службы. Это достигается устранением непосредственного контакта поверхности электрода с электролитом почвы (рис. 3,а).
Заземлитель состоит из токопроводящей засыпки и погруженного в верхнюю часть этой засыпки электрода (токопровода). Нижняя часть засыпки выполнена в грунте и имеет непосредственный контакт с окружающим массивом земли, а верхняя зона, находящаяся выше поверхности земли, заключена в защитный кожух, например в виде цилиндра из гетинакса или другого изолирующего материала. Токоввод погружен в проводящую засыпку, на поверхность которой уложен пресс-диск, компенсирующий усадку проводящей засыпки и улучшающий контакт токоввода с засыпкой. Нижний конец токоввода расположен выше поверхности земли, а верхний соединен с гибким изолированным кабелем, служащим для присоединения к заземляемому оборудованию.
Еще одна конструкция совмещает в себе естественный чаземлитель (фундаментную сваю сооружения) и искусственный выполненный в виде металлических пластин, расположенных на поверхности сваи и соединенных с аоматурным каркасом сваи (рис. 3,6).
Рис. 3. Специальные заземлители:
а — засыпной для агрессивных грунтов; б — свая-заземлитель; е — тонкостенный с пластичным сердечником; 1 — электрод; 2— пригрузка (пресс-диск); 3 — заземляющий проводник (вывод к заземляемому оборудованию); 4 — крышка; 5 — верхняя зона засыпки; 6 — изолирующий кожух; 7 — нижняя зона засыпки; 8 — металлическая пластина на боковой поверхности сваи; 9— арматурный каркас сваи и его соединение с пластиной; 10 — съемная наковальня для забивки электрода; 11 — запрессованный полужесткий стержень
Свая при этом ограждается от действия электрокоррозионных факторов и от протекания блуждающих токов через бетон сваи, что увеличивает долговечность не только заземлителя, но и фундамента. Проводимость сваи как заземлителя увеличивается почти вдвое, что сокращает работы по устройству дополнительных искусственных заземлителей, особенно трудоемкие при строительстве в условиях многолетнемерзлых грунтов.
Свая имеет железобетонный ствол с арматурным каркасом и монтажными петлями, электрически соединенными металлическими связями с каркасом и с дополнительно установленными металлическими пластинами на боковой поверхности сваи. Таким образом, свая представляет собой квадратный заземлитель. При длине сван 8 м расчетное сопротивление растеканию такого заземлителя в грунте с удельным сопротивлением 500 Ом-м составляет 42 Ом. Аварийные токи стекают через заземляющие проводники и через пластины в грунт минуя бетон, так как доля аварийного тока, поступающего через арматуру и с арматуры через бетон в землю, весьма мала по сравнению с током через пластины.
Одна из конструкций заземлителей, предложенная за рубежом, показана на рис. 3, в. Цель разработки — уменьшение металлоемкости и облегчение его забивки в грунт.
Заземлитель имеет тонкостенную (1—2 мм) металлическую трубку, в которую впрессован полужесткий стержень из пластичного материала, имеющий некоторую жесткость, достаточную для того, чтобы являться структурной опорой упругой тонкостенной трубки. Это обеспечивает возможность некоторого изгибания электрода и обход препятствий (например, небольших камней), встречающихся при забивке электрода в землю. Для повышения срока службы, т. е. для уменьшения коррозии, материалом трубки предлагается нержавеющая сталь. Наконечник, имеющийся в нижнем конце электрода, нужен только для забивки, поэтому нет необходимости изготовлять его из антикоррозийного материала. Форма наконечника может быть острой либо закругленной для лучшего соскальзывания с препятствий, встречающихся в грунте. Вместо изготовления наконечника можно обжать конец трубки с заполнителем.
Диаметр и длина электрода определяется параметрами заземляющего устройства для конкретного объекта. Типичным диаметром трубки принят диаметр 15 мм. Предварительный диаметр сердечника, впрессуемого в трубку, должен быть несколько больше, чем внутренний диаметр трубки. Как вариант трубка может быть заполнена текучим материалом, например эпоксидной смолой, полиуретаном или эластомером, затвердевающим внутри трубки. Полужесткий заполнитель располагается внутри стальной трубки по всей ее длине. Более жесткие материалы и более толстые стенки трубки снижают гибкость стержня и уменьшают способность электрода обходить препятствия в грунте, что ведет к поломкам. Чрезмерно пластичные материалы не обеспечивают достаточной прочности стенок, необходимой для забивки на достаточную глубину, принятую около 2,3 м. Для забивки предусмотрена съемная наковальня, имеющая плечо упирающееся в конец трубки, и выступ, сопрягающийся с внутренним диаметром трубки и сердечником.