Электрод заземления

1 часть. Заземление
(общая информация, термины и определения)

2 часть. Традиционные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)

3 часть. Современные способы строительства заземляющих устройств
(описание, расчёт, монтаж)

2 часть. Традиционные способы строительства заземляющих устройств (описание, расчёт, монтаж)

В этой части я расскажу о традиционных/ классических способах строительства заземлителей, применяемых примерно с начала двадцатого века.

Г. Основные способы строительства

Г1. Несколько коротких электродов (“уголок и кувалда”)

Г1.1. Особенности решения

Г1.1.1. Промерзание грунта зимой
Г1.1.2. Взаимное “экранирование”/ “затенение” электродов

Г1.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления и необходимого количества заземляющих электродов
Г1.3. Монтаж
Г1.4. Достоинства и недостатки
Г1.5. Уменьшение количества электродов

Г2. Одиночный глубинный электрод (“обсадная труба”)

Г2.1. Особенность решения
Г2.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления
Г2.3. Монтаж
Г2.4. Достоинства и недостатки

Г. Основные способы строительства

Напомню, в прошлой части я остановился на общем подходе…

При строительстве заземлителей чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов — у них очень сильно увеличивается сопротивление заземления (ухудшение основной характеристики) в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления.

В качества вертикальных электродов почти всегда выбирают стальные трубы, штыри/ стержни, уголки и т.п. стандартную прокатную продукцию, имеющую большую длину (более 1 метра) при сравнительно малых поперечных размерах. Этот выбор связан с возможностью легкого заглубления таких элементов в грунт в отличии, например, от плоского листа.

Существует два основных традиционных способа/ решения для строительства заземляющих электродов. Оба базируются на применении вертикальных заземляющих электродов.

---

Г1. Несколько коротких электродов (“уголок и кувалда”)

При таком подходе в качестве заземляющих электродов применяются небольшие (2-3 метра) стальные уголки/ штыри. Для создания заземлителя они соединяются вместе около поверхности грунта стальной полосой путем приваривания её к этим элементам электро или газосваркой.

Заглубление электродов в грунт производится банальным заколачиванием их кувалдой, которая находится в руках физически сильного и выносливого монтажника. Поэтому такое решение повсеместно применяется под условным названием «уголок и кувалда».

Большая площадь контакта заземлителя с грунтом (вот о чём я) достигается большим количеством электродов (многоэлектродный заземлитель). Увеличивать глубину электродов (альтернативный путь увеличения площади контакта) очень затруднительно, т.к. с увеличением глубины увеличивается сила трения между монтируемым электродом и грунтом, а вес кувалды и силы монтажника имеют предел.

При выборе уголков/ штырей и другого подходящего металлопроката необходимо учитывать их коррозионную стойкость и возможность пропускать через себя токи большой величины в течении какого-то времени без расплавления.

Минимальные разрешенные поперечные размеры (сечения) заземляющих электродов описаны в таблице 1.7.4 ПУЭ, но последние годы чаще применяются поправленные и дополненные величины из таблицы 1 техциркуляра 11 от 2006 года ассоциации «РосЭлектроМонтаж» (источники).

В частности:

• для уголка или прямоугольного профиля (полосы) из чёрной стали поперечное сечение должно составлять не менее 150 мм² при минимальной толщине стенки 5 мм
• для круглого стержня из чёрной стали минимальный диаметр должен быть 18 мм
• для трубного профиля из чёрной стали минимальный диаметр должен быть 32 мм при минимальной толщине стенки не менее 3,5 мм

Г1.1. Особенности решения

При увеличении количества электродов необходимо учитывать некоторые особенности.

Г1.1.1. Промерзание грунта зимой

Зимой из-за промерзания грунта на глубины, в которых находится половина длины электродов (а это до 2-х метров) сопротивление такого заземлителя увеличивается. Для компенсации этого увеличения (для сохранения удовлетворительного качества заземления) заземлитель выполняется с достаточным “запасом” электродов. Например, для трёхметровых электродов необходимо двухкратное увеличение количества.

Г1.1.2. Взаимное “экранирование”/ “затенение” электродов

Кроме того, увеличением количества электродов необходимо компенсировать само увеличение количества электродов 🙂 Этот негативный момент т.н. “экранирования”/ “затенения” возникает при использовании множества заземляющих электродов и не позволяет близкорасположенным электродам полноценно “рассеивать” ток в окружающий грунт. Выражается в виде коэффициента использования проводимости заземлителя (ссылка на сторонний сайт).

Например: десять электродов глубиной по 3 метра, расположенных в линию на расстоянии 3 метра (т.е. на расстояние = своей глубине) друг от друг “работают” на 60% от своей максимальной эффективности.
Десять этих же электродов, расположенных на расстоянии 6 метров (т.е. на расстояние = своей двойной глубине) друг от друга “работают” на 75% от своей максимальной эффективности.
Стопроцентная эффективность достигается отдалением электродов на расстояния около 30 метров (10 их глубин), что на практике никогда не используется в угоду стремления к адекватной компактности и стоимости монтажа заземляющего устройства.

Г1.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления и необходимого количества заземляющих электродов

Опишу расчёты на примере десяти наиболее часто используемых для такого способа трёхметровых электродов в виде стального равнополочного уголка с шириной полки 50 мм, монтируемых на расстоянии 3-х метров друг от друга в канаве глубиной 0,5 метров (в п. Г1.3. объяснение “почему так”). Грунт, в котором будут монтироваться эти электроды, будет суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Расчёты не сложны и проводятся в 3 этапа.

Получаемое сопротивление заземления
1 этап. Для начала необходимо вычислить сопротивление заземления одного заземляющего электрода.
Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

R1 составит 27,8 Ом
(при p = 100 Ом*м, L = 3 м, d = 0.05 м (50 мм; для плоских электродов под диаметром понимается их ширина), T = 2 м (T — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

2 этап. Общее сопротивление нескольких электродов в идеальных условиях будет меньше сопротивления заземления одного электрода во столько раз, сколько будет электродов.

Для десяти электродов общее сопротивление будет меньше в 10 раз и составит 2,78 Ом.

3 этап. “Компенсации”.
Сезонный коэффициент (увеличения сопротивления заземления в замерзшем зимой грунте) для таких электродов будет равен 2 (откуда это).
Коэффициент использования проводимости электродов будет равен 0.6, т.к. расстояние между электродами будет 3 метра (т.е. равное глубине электрода), а их количество — 10 штук (откуда это).
Оба коэффициента увеличивают сопротивление заземления.

Итоговое общее сопротивление заземления вышеприведенных 10-ти электродов будет равно 5,56 Ом летом и 9,27 Ом зимой.

Необходимое количество заземляющих электродов
Представим, что наша задача — заземлить телекоммуникационное оборудование и для этого необходимо получить заземление с сопротивлением не более 4 Ом.

1 этап. Всё повторяется. Вычисляем сопротивление заземления одного/ одиночного заземляющего электрода.

R1 составит 27,8 Ом.

2 этап. Количество электродов в идеальных условиях напрямую зависит от необходимого сопротивления заземления с округление в большую сторону (“потолок”).

Для достижения 4-х Ом количество электродов получится 7 штук (округление 6,95).

3 этап. “Компенсации”.
Сезонный коэффициент (увеличения сопротивления заземления в замерзшем зимой грунте) для таких электродов будет равен 2.
Коэффициент использования проводимости электродов будет зависеть от рассчитываемого количества электродов — заранее его не выбрать. Однако можно прикинуть наихудший вариант и, допустив, что электродов будет больше 20, взять для расчёта величину 0,5.
Оба коэффициента увеличивают необходимое количество заземляющих электродов.

Итоговое необходимое количество вышеприведенных заземляющих электродов будет равно 28 штук (округление 27,8). Совпадение с сопротивлением заземления одного электрода случайно.

Г1.3. Монтаж

Монтаж описанного выше многоэлектродного заземлителя выглядит примерно так.

1. От места ввода заземляющего проводника внутрь здания/ объекта по периметру/ контуру этого здания вдоль его стен на удалении в 1 метр копается канава длиной 84 метра (28 электродов на 3 метра) глубиной 0,5-0,7 метра.
2. В эту канаву на расстоянии не менее 3-х метров друг от друга кувалдой забиваются предварительно заостренные с нижней стороны (болгаркой) стальные уголки или отрезки арматуры длиной 3 метра в количестве 28 штук.
3. После забивания всех электродов — в канаву укладывается заземляющий проводник от ввода в здание (где расположен электрощит) до самого дальнего электрода. Обычно при таком способе таким проводником выступает стальная полоса 4*50 мм.
4. Полоса качественно (!) длинным швом приваривается к электродам.
5. Место сварки покрывается слоем битума или антикоррозионной краской, т.к. оно имеет склонность к быстрой коррозии в грунте.
6. Канава засыпается.
7. Снаружи или внутри здания делается переход со стальной полосы на медный провод, подключаемый к электрощиту.
   Для малых мощностей обычно делается вот так:
   

Углубление на 0,5-0,7 метра (канава) необходимо для механической и погодной изоляции проводника (полосы) и верхушек электродов. Например, чтобы не повредить их во время копки грунта для цветника и чтобы сталь меньше намокала во время дождя (это позволяет уменьшить её коррозию, а значит увеличить срок службы).

Взаимное расстояние между электродами не менее 3-х метров является некоторый мерой противодействия эффекту “экранирования”/ “затенения” электродов друг от друга.

Использование сварки для соединения элементов из чёрной стали — настоятельно рекомендовано ПУЭ (п. 1.7.139).

Используемые материалы:

• стальной уголок шириной 50 мм и толщиной стенки 5 мм = 84 метра
• или отрезки стальной гладкой арматуры диаметром 18 мм = 84 метра
• стальная полоса 4*50 мм = около 85 метров
• битум или антикоррозионная краска

Используемый инструмент:

• лопата
• кувалда потяжелее (4-5 кг)
• сварочный аппарат

Используемые ресурсы:

• сильный и выносливый монтажник
• монтажник, обладающий навыками сварщика

Г1.4. Достоинства и недостатки

Достоинства:

• простота
• дешевизна материалов и монтажа
• доступность материалов и монтажа

Недостатки:

• высокая стоимость доставки материала на объект (в легковой автомобиль не положить из-за размеров и веса материалов)
• необходимость применения большого объема грубой силы (копать канаву, махать кувалдой)
• необходима сварка, а значит, сварочный аппарат и человек с навыками сварщика. Ситуация усугубляется при отсутствии на объекте электричества.
• большая площадь, занимаемая заземлителем: часто несколько десятков метров около здания (десять 3-метровых электродов должны будут расположены в канаве длиной 27 метров)
• небольшой срок службы электродов в 5-15 лет (особенно в грунтах с высокими грунтовыми водами). Увеличение поперечных размеров (толщины стали) чревато увеличением сложности монтажа.
• неудобный монтаж, т.к. при использовании даже 2-метровых электродов в начале забивания необходимо вставать на какую-то скамейку/ лестницу и уже с нее “махать кувалдой”
• невозможность монтажа в каменистом грунте

Г1.5. Уменьшение количества электродов

Иногда совместно с этим решением применяется метод кардинального снижения удельного электрического сопротивления грунта, который позволяет сократить количество заземляющих электродов в 2-3 раза при сохранении получаемого сопротивления заземления. Иными словами — этот метод позволяет существенно снизить сопротивление заземления.
Речь идёт о засолении грунта в месте размещения электродов путем добавления в него большого объема поваренной соли NaCl (в среднем — 5 килограмм на метр длины канавы, в которую ведется монтаж). При её растворении в грунте (выщелачивании (wiki)) резко повышается концентрация ионов, участвующих в переносе заряда, а следовательно снижается его (грунта) электрическое сопротивление.

При неоспоримом положительном достоинстве такого метода, а также при его простоте и дешевизне — он имеет два огромных недостатка, которые грозят восстановлением заземлителя практически “с нуля”:

• за счет вымывания соли из грунта (дожди, весеннее таяние снега), концентрация ионов падает до естественного уровня за 1-3 года
• соль вызывает сильную коррозию стали, разрушая электроды и заземляющий проводник за 2-3 лет

---

Г2. Одиночный глубинный электрод (“обсадная труба”)

Г2.1. Особенности решения
Г2.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления
Г2.3. Монтаж
Г2.4. Достоинства и недостатки

При таком подходе заземлителем является глубокий электрод (чаще всего одиночный) в виде стальной трубы, размещенной в пробуриваемом в грунте отверстии. Бурение и размещение в отверстии трубы выполняется специальной машиной — буровой установкой (обычно на базе грузового автомобиля).

Большая площадь контакта заземлителя с грунтом (вот о чём я) достигается большой длиной (вернее, глубиной) электрода. Кроме того, за счет достижения глубинных слоев грунта, в большинстве случаев имеющих меньшее удельное электрические сопротивление, такой способ имеет бОльшую эффективность (меньшее сопротивление заземления), чем первый — при одинаковой суммарной длине электродов.

Г2.1. Особенность решения

При увеличении глубины электрода необходимо учитывать, что в однородном грунте сопротивление заземления снижается не пропорционально этому увеличению (больше глубина -> меньше уменьшение сопротивления).

Поэтому при отсутствии на глубине слоев грунта с более низким удельным электрическим сопротивлением стоит рассмотреть вопрос увеличения количества электродов, а не увеличения глубины одиночного электрода. На решение этого вопроса будут влиять и стоимость монтажа дополнительных электродов, и доступность площади для их размещения.

Но напомню (оригинал): … на практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности.

Г2.2. Расчёт получаемого сопротивления заземления

Опишу расчёты на примере одиночного тридцатиметрового электрода в виде стальной трубы диаметром 100 мм, смонтированной в канаве глубиной 0,5 метров. Грунт, в котором будет монтироваться этот электрод, будет для упрощения расчёта однородным суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Расчёт проводится в 1 этап.

Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

R1 составит 3,7 Ом
(при p = 100 Ом*м, L = 30 м, d = 0.1 м (100 мм), T = 15.5 м (T — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

Сравните с результатом в п. Г1.2. Даже при условии однородного грунта одиночный глубинный заземлитель оказывается много эффективнее, чем многоэлектродный, что скажется на огромной разнице в занимаемой этим заземлителем площадки на поверхности.
Но в этой “эйфории” не стоит забывать про стоимость буровых работ, о чём я упомяну ниже в п. Г2.4. (“Недостатки”).

Г2.3. Монтаж

На практике монтаж такого заземлителя в чём-то проще монтажа многоэлектродного заземлителя из первого решения (Г1).

1. От места ввода заземляющего проводника внутрь здания/ объекта на удалении в 3 метра (для безопасного подъезда установки) в сторону перпендикулярно стены копается канава длиной 3-4 метра глубиной 0,5-0,7 метра.
2. Буровая установка производит бурение и установку электрода (“обсадная труба”).
3. В канаву укладывается заземляющий проводник от ввода в здание (где расположен электрощит) до электрода. Обычно при таком способе таким проводником выступает стальная полоса 4*50 мм.
4. Полоса качественно (!) длинным швом приваривается к электроду-трубе.
5. Место сварки покрывается слоем битума или антикоррозионной краской, т.к. оно имеет склонность к быстрой коррозии в грунте.
6. Канава засыпается.
7. Снаружи или внутри здания делается переход со стальной полосы на медный провод, подключаемый к электрощиту. Например, как описано в п. Г1.3.

Используемые материалы:

• стальная труба диаметром 100-200 мм с толщиной стенки 3,5-5 мм = 30 метров
• стальная полоса 4*50 мм = около 5 метров
• битум или антикоррозионная краска

Используемый инструмент:

• буровая установка
• лопата
• сварочный аппарат

Используемые ресурсы:

• монтажник, обладающий навыками сварщика

Г2.4. Достоинства и недостатки

Достоинства:

• высокая эффективность
• компактность, т.к. не нужно “городить” множество электродов
• сезонная НЕзависимость качества заземления. Зимой из-за промерзания грунта сопротивление такого заземлителя почти не изменяется из-за нахождения в зоне промерзающего грунта не более 5-10% длины электрода.

Недостатки:

• высокая стоимость буровых работ (от 1500-2000 рублей за метр бурения). Приведенный в расчётах (п. Г2.2.) электрод обойдется в 50-60 тысяч рублей.
• (как и у первого способа) необходима сварка, а значит, сварочный аппарат и человек с навыками сварщика.
• (как и у первого способа) небольшой срок службы электродов в 5-15 лет (особенно в грунтах с высокими грунтовыми водами).
  При использовании толстостенной трубы возможно его увеличение до большего срока, однако это вызывает увеличение стоимости этой трубы.

Современные технологии

Традиция — это прогресс в минувшем; в будущем прогресс станет традицией (Эдуар Эррио)

В конце двадцатого века было разработано решение, которое обладает достоинствами обоих описанных выше способов, не имея присущих им недостатков.

Кроме того, сильное влияние засоления грунта на снижение сопротивления заземления (п. Г1.5.) настолько привлекло внимание инженеров, что было найдено “лекарство” от недостатков этого метода — вымывания соли из грунта и коррозии электродов. Оно породило очень интересный способ строительства заземлителя, применимый там, где пасуют простые металлические электроды — в вечномёрзлых, а также каменистых грунтах.

О них я расскажу в следующей, заключительной, части.

UPD: Дополнительно по заземлению в частных домах

Тем, кто живёт в частных домах. /Бодрю/ Ребят, не впадайте в панику из-за большого количества заземляющих электродов в примере. Там я рассчитывал устройство с сопротивлением не более 4 Ом. Это весьма жесткие требования. Для заземления электросети частного дома достаточно строить заземление с сопротивлением не более 10 Ом.
Вот почему:

1. Это сопротивление оптимально с точки зрения работы защитных автоматов
2. Это сопротивление достаточно для подключения к устройству молниеприёмников (ну мало ли — вдруг захотите)
3. Это сопротивление достаточно для гарантированного срабатывания УЗИПов, которые рекомендуется ставить в щит на вводе в дом. УЗИПы нужны для защиты вашего электрооборудования от импульсных перенапряжениях при попадании молнии в воздушную линии электропередачи где-нибудь по ходу линии от трансформатора

10 Ом получить много проще. Это всего 10 электродов. Полдня нормальной работы.

habr.com

В любых зданиях с наличием электрической сети обязательно имеется заземление, которое обеспечивает безопасность человека. Неисправный электрический прибор или короткое замыкание могут подвергнуть человека воздействию электрического тока, а система заземления может спасти ему жизнь, отводя электричество в землю.

Но как обустроить заземление, если здание находится на песке, камнях или вечной мерзлоте? Такой грунт обладает большим удельным сопротивлением, обычный контур заземления работать не будет, поэтому без специальной технологии и оборудования здесь не обойтись. В таких случаях на помощь приходит электролитическое заземление.

О таком оборудовании знают те люди, которые самостоятельно устанавливали заземление на своем дачном участке. Для улучшения работы такого контура приходилось поливать соленой водой место установки металлического электрода в земле. Сегодня заземление электролитического действия изготавливается в виде готового комплекта составляющих элементов, которые остается только купить и правильно установить.

Конструктивные особенности

Несмотря на внешнюю простоту и компактность всего устройства, в нем заложены разработки, связанные с высокими технологиями.

Электролитическое заземление состоит из следующих элементов:

1. Колодец (углубление в грунте, облегчающее последующее обслуживание, делается над электродом, чтобы была видна его верхняя часть). Колодец нужен при монтаже оборудования в вечной мерзлоте, когда основную часть времени грунт закрыт снегом.
2. Заземляющий кабель со специальным зажимом.
3. Специальная смесь минеральных солей.
4. Основной электрод (полый трубопровод с небольшими отверстиями по длине).
5. Особый заполнитель (смесь солей на глиняной основе, засыпается перед монтажом основного электрода).

Место соединения кабеля с электродом изолируется специальной гидроизоляционной лентой, надежно защищающей от влаги и возникновения коррозии. Лента способна сохранять свои свойства долгие годы. В комплекте устройства имеется инструкция по самостоятельной сборке и установке. Правильно проведенная сборка и монтаж обеспечат длительный срок эксплуатации оборудования в любых условиях.

Принцип действия

Работа этого заземляющего оборудования заключается в повышении электропроводности грунта во время водно-солевых химических реакций. Действие электролитического заземления происходит так:

• Внутри трубки с отверстиями находится смесь солей с глиной, которая, впитывает в себя влагу из почвы.
• Образуется водно-солевой раствор электролита, некоторая часть которого просачивается через отверстия и пропитывает находящуюся рядом почву. Эта реакция происходит независимо от температурного режима, с одной скоростью.

Такой обмен веществ позволяет использовать это оборудование в местах, где обычное заземление не работает.

Достоинства

Если сравнивать электролитическое заземление, с другими обычными контурами заземления, то есть несколько преимуществ:

• Небольшая длина электрода в виде трубы с электролитом внутри позволяет уменьшить объем грунтовых работ.
• Удобная и простая установка.
• Возможность монтажа самостоятельно, без обращения к специалистам.
• Водно-солевой электролит поддерживает внутри трубы химическую реакцию на одном уровне, и не происходит быстро. Это позволяет образовать непрерывный электролитный баланс в грунте.
• Во время химической реакции не образуется агрессивных веществ, которые могли бы вызывать сильную коррозию на стальных деталях этого оборудования.
• Такая технология заземления позволяет использовать его в течение длительного времени, которое может достигать более 15 лет.

Недостатки

Электролитическое заземление используют только для особых условий, при невозможности применения обычного контура. Несмотря на простую установку и долговечность конструкции, стоимость всего комплекта довольно высокая, по сравнению с обычным оборудованием, которое чаще всего изготавливают самостоятельно из имеющихся в наличии материалов.

Установка электролитического заземления

Монтаж и подключение комплекта заземления, действующего на электролитическом принципе, не вызывает больших затруднений, и его может осуществить любой домашний умелец.

Что понадобится для монтажа

Перед началом самостоятельной установки потребуются следующие инструменты:

• Прибор для замера сопротивления. Таким прибором может послужить любое устройство, имеющее функцию измерения сопротивления – тестер, мультиметр, омметр и т.д. Если такого прибора нет в наличии, то можно попросить у знакомых на время установки. Если вы часто занимаетесь подобными работами, то целесообразно будет приобрести недорогую модель прибора, так как после установки комплекта оборудования, можно будет в любое время измерить его сопротивление, а также использовать прибор для других работ в электрике.
• Разводной ключ для подключения крестообразного зажима.
• Набор гаечных ключей для затяжки болтовых соединений.
• Инструмент для копки траншеи, если будете копать ее самостоятельно. Это обычно штыковая и совковая лопата, а также стальной ломик.
• Электроинструмент для дробления камня в скальном грунте. Можно использовать отбойный молоток, перфоратор.

Порядок работы

Чтобы электролитическое заземление эффективно и долго функционировало, необходимо выполнять определенный алгоритм действий:

• Выкопать траншею длиной 220 см и глубиной 70 см. Чтобы определить ширину траншеи, необходимо измерить диаметр трубы, из которой изготовлен электрод. Ширина траншеи должна быть в 4 раза больше диаметра трубы. Копку можно выполнять самому лопатой, а можно обратиться за помощью к специалистам, которые выполнят эту работу с помощью специальной техники. Если предстоит установить электролитическое заземление на каменистом грунте или в скальных породах, то обращение к специалистам будет очень кстати, к тому же, эта услуга не слишком дорогостоящая, но экономит ваше время и силы.
• На дно выкопанной траншеи необходимо насыпать специальный заполнитель, входящий в комплект, слоем 2 см. После засыпки заполнителя необходимо выровнять его.
• Электродную трубу необходимо тщательно очистить от упаковочной пленки. Металл должен иметь чистую поверхность, а остатки упаковки не должны оставаться на электроде.
• Установить электродную трубу в подготовленную траншею, положив ее на заполнитель. При монтаже короткая часть изогнутого электрода должна направляться вверх и немного выступать над поверхностью грунта.
• Оставшийся заполнитель высыпать в траншею, чтобы окончательно закрыть всю трубу.
• На верхней части электрода закрепить колодец, имеющийся в комплекте, для возможности дальнейшего обслуживания. Часть колодца, находящаяся в земле, не должна превышать 0,5 метра.
• Подключить к электроду специальный зажим, и затянуть ботовое соединение.
• Заизолировать место подключения гидроизоляционной лентой.
• Подключить конец заземляющего кабеля к зажиму и заизолировать гидроизоляционной лентой место соединения, защитив его от проникновения воды.
• Открыть крышку, которой закрыт электрод, и залить в его полость 20 литров воды для начала химической реакции в электролите.
• Подключить заземляющий кабель в распределительный щит и измерить сопротивление заземления, которое не должно быть более 30 Ом. Во время измерения следует быть осторожным, так как работы по установке еще не закончены. Для проведения измерений лучше использовать резиновые перчатки.
• Если сопротивление укладывается в нормативные значения, то временно следует отключить заземляющий кабель от щитка, чтобы закончить все работы.
• Засыпать траншею, учитывая, чтобы крышка заземляющего электрода осталась видна на поверхности.
• Подсоединить кабель к электрическому щиту и снова провести измерение сопротивления. Если показания прибора нормальные, то работу можно считать законченной. В дальнейшей эксплуатации электролитическое заземление требует периодического контроля, путем измерения его сопротивления.

Порядок измерения сопротивления

Эта процедура не вызывает больших затруднений. Чтобы получить правильные результаты, необходимо выполнять определенный порядок действий:

• Один измерительный провод подключить зажимом к месту подключения кабеля заземления к электроду.
• Другой провод прибора соединить с техническим штырем, который представляет собой кусок стальной арматуры, вбитый в грунт.
• Величина сопротивления будет отображаться на цифровом или стрелочном индикаторе прибора, в зависимости от его исполнения.

Расчет сопротивления заземления

Для таких расчетов обычно используют следующую формулу:

• С – коэффициент электролита.
• р – удельное сопротивление грунта.
• L – длина изогнутой трубы электрода.
• d – диаметр заземляющей трубы.
• Т – расстояние от поверхности земли до заземлителя.

Особенности установки

Электролит, находящийся в трубе, работает при любых погодных условиях и температурах, но при установке оборудования все-таки существуют некоторые особенности.

• Нельзя устанавливать заземление рядом со зданием, так как может возникнуть эффект «шагового напряжения», которое опасно для жизни.
• Если электролитическое заземление устанавливалось в районе вечной мерзлоты, то от выделяемой тепловой энергии из-за реакции электролита вокруг заземления грунт может подтаивать, в результате появляется так называемая «зона талика». Это место может стать опасным для фундамента домов, дорожного покрытия и других объектов, находящихся вблизи. «Зона талика» обычно представляет собой овал, длина которого около 6 метров, а ширина 3 метра. Это обстоятельство необходимо учитывать при проектировании строительных работ.

Особенности обслуживания

Электролитическое заземление не требует сложного и трудоемкого обслуживания, так как прочные металлические элементы и простая конструкция позволяют функционировать ему длительное время, которое может достигать 50 лет без проведения ремонта.

Обслуживание состоит из следующих работ:

• Измерение сопротивления с периодичностью не реже одного раза за 3 года. Если показания отклоняются от нормы, то в первую очередь необходимо проверить надежность контакта кабеля с электродом. Чтобы подтянуть крепление, следует отключить кабель от щитка, размотать гидроизоляционную ленту, очистить места соприкосновения кабеля и электрода, и снова произвести подключение. После этого следует обязательно заизолировать соединение.
• Один раз за 5 лет необходимо открывать крышку электрода и контролировать наличие солевой смеси электролита. Если ее количество сильно уменьшилось, то нужно досыпать смесь. Обычно этого состава хватает на 15 лет.

Похожие темы:

• Устройство заземления. Правила, виды и особенности. Монтаж

• Система уравнивания потенциалов. Виды и назначение. Установка

• Виды статического электричества. Возникновение и удаление статики

• Защитное зануление. Принцип действия и порядок, чем опасно зануление

• Молниеотводы. Виды и устройство. Принцип действия и особенности

• Заземление в доме-квартире

• electrosam.ru

  Д. Основные способы строительства

  Напомню о достоинствах и недостатках традиционных способов строительства заземлителей, описанных в прошлой части:

  Несколько коротких электродов (п. Г1.4) Достоинства: простота дешевизна материалов и монтажа доступность материалов и монтажа Недостатки: высокая стоимость доставки материала на объект необходимость применения большого объема грубой силы необходима сварка большая площадь, занимаемая заземлителем небольшой срок службы электродов в 5-15 лет неудобный монтаж

  Одиночный глубинный электрод (п. Г2.4) Достоинства: высокая эффективность компактность сезонная НЕзависимость качества заземления Недостатки: высокая стоимость буровых работ необходима сварка небольшой срок службы электродов в 5-15 лет

  Остановился я на общих словах:

  В конце двадцатого века было разработано решение, которое обладает достоинствами обоих описанных выше способов, не имея присущих им недостатков.
  Кроме того, сильное влияние засоления грунта на снижение сопротивления заземления (п. Г1.5.) настолько привлекло внимание инженеров, что было найдено «лекарство» от недостатков этого метода — вымывания соли из грунта и коррозии электродов. Оно породило очень интересный способ строительства заземлителя, применимый даже там, где пасуют простые металлические электроды — в вечномёрзлых, а также каменистых грунтах.

  модульное заземление».

  При таком способе строительства заземляющий электрод необходимой длины (глубины) представляет собой сборную конструкцию из нескольких коротких (1,5 метра) стальных штырей-модулей, имеющих небольшие поперечные размеры (диаметр менее 20 мм) с цинковым или медным покрытием, которые соединяются последовательно друг за другом. Для заглубления используется обычный бытовой электрический отбойный молоток с достаточной энергией удара.

  Как и в случае «обсадной трубы» (п. Г2) — большая площадь контакта заземлителя с грунтом достигается большой длиной (глубиной) электрода. За счет достижения глубинных слоев грунта, в большинстве случаев имеющх меньшее удельное электрические сопротивление, такой способ имеет большую эффективность (меньшее сопротивление заземления).

  

  Соединение штырей между собой может производится несколькими способами:

  • «глухое отверстие + шип». На одной стороне штыря имеется глухое отверстие глубиной 50-70 мм, а на другой стороне — шип длиной 50-70 мм, имеющий диаметр чуть больше паза. При монтаже шип запрессовывается в отверстие.
  • «глухое отверстие + штифт + глухое отверстие7. Штырь с обоих сторон имеет глухое отверстие глубиной 50-70 мм. Штифт длиной 100-140 мм используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже он вставляется между штырями и запрессовывается в оба отверстия. Считается весьма ненадежным способом соединения.

  
  

  • «резьба + муфта + резьба». Штырь с обоих сторон имеет резьбу длиной 50 мм. Муфта, отрезок трубы с внутренней резьбой, используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже она накручивается на заглубляемый штырь, после чего в нее закручивается следующий штырь. Как показала многолетняя практика — это наиболее надежный способ соединения, позволяющий монтировать сборные заземляющие электроды до 40 метров глубиной с гарантированным сохранением необходимых электрических и антикоррозионных свойств по всех длине. Такая глубина является компромиссом между максимальной энергией удара отбойного молотка, силой трения между монтируемым электродом и грунтом, механической прочностью муфты (её стоимостью). Без увеличения энергии удара невозможно еще большее заглубление электрода из-за силы трения. При увеличении энергии удара необходимо увеличивать прочность муфты, что вызывает увеличение её стоимости.

  
  

  Окисляется/корродирует прежде всего именно цинк, защищая, таким образом, железо.

  Когда вся его масса проучаствует в реакции (окислится) — начнет корродировать сталь.

  Достоинства:

  • отсутствие необходимости механической защиты покрытия при монтаже. Повреждение целостности покрытия не приводит к последствиям, т.к. цинк всё равно защищает железо, находясь рядом.
  • дешевое, налаженное и широко распространенное производство оцинкованных изделий со стандартной для этого материала толщиной покрытия от 5 до 30 мкм («горячее» и «холодное» цинкование)
  • антикоррозийная защита не только штырей, но и всех металлоконструкций в зоне действия. Однако эти металлоконструкции чаще всего не нуждаются в такой защите.

  Недостатки:

  • сравнительно небольшое увеличение срока службы штыря из-за малой толщины покрытия — до 15-25 лет.
  • Толстый слой цинкового покрытия имеет высокую стоимость. Кроме того, очень редко встречается производство, имеющее техническую возможность для этого.
  • сокращение срока службы штырей в присутствии большого количества металлоконструкций, расположенных рядом с ними

  Медное покрытие

  В паре «медь-железо» медь является окислителем, а железо — восстановителем/донором. Окисляется/корродирует прежде всего железо, защищая таким образом медь.

  Странно… нам необходимо противоположное действие. Но тут кроется особенность электрохимической реакции: она возможна только в присутствии электролита/воды. Если железо изолировать от него, то реакция останавливается.

  Поэтому медное покрытие должно быть толстым и однородным для того, чтобы не допустить его глубокого повреждения при монтаже и таким образом не допустить попадания электролита/воды к железу.

  При этом положительно сказывается мягкость/пластичность чистой меди: она сильно уменьшает силу трения при сцарапывании, что не позволяет острому элементу в грунте (например, камню) полностью процарапать покрытие по глубине — до стального сердечника. Камень просто скользит по поверхности, снимая небольшой наружный слой. Такое поведение меди можно сравнить с мылом, используемым для снятия застрявшего на пальце кольца.

  Достоинства:

  • очень большой срок службы омеднённого штыря — до 100 лет (при соблюдении целостности покрытия)

  Недостатки:

  • необходимость создания покрытия большой толщины (от 200 мкм) для его защиты от глубокого повреждения при монтаже. Такое покрытие дороже более тонкого.
  • дорогостоящее и редкое производство омеднённых изделий с большой толщиной покрытия

  Моё субъективное мнение
  Раз уж добавляем покрытие для защиты от коррозии, то оно должно обеспечивать наиболее долгий срок службы при одинаковой стоимости производства (в сравнении с другими вариантами).
  В этой плоскости я считаю, что лучшим выбором являются омеднённые штыри при условии безоговорочного качества покрытия, выраженного в:

  • толщине не менее 200 мкм
  • высокой адгезии обеспечивающей сохранение защитного слоя при изгибе штыря (иногда встречается при монтаже).

  Причём омеднённые штыри гораздо выгоднее оцинкованных из-за высоких цен на изготовление последних при стремлении достигнуть сопоставимый срок службы.

  Испытания, проведённые одной из лабораторий экспериментально показали, что срок службы омеднённого штыря с покрытием толщиной 250 мкм в агрессивном грунте (кислом или щелочном) составляет не менее 30 лет, а в обычном суглинке достигнет 100 лет.

  Также известно испытание, проведённое с 1910 по 1955 год Национальным Институтом Стандартов и Технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)). Было реализовано обширное исследование подземной коррозии, во время которого 36 500 образцов, представляющих 333 разновидности покрытий из черных и цветных металлов и защитных материалов, подвергались испытанию в 128 местах по всей территории Соединенных Штатов.
  Одним из результатов этого исследования стал факт, что штырь заземления, покрытый 254 мкм меди, сохраняет свои технические характеристики в течение более 40 лет в большинстве типов почвы. А стержневые электроды, покрытые 99,06 мкм цинка, в этих же грунтах могут сохранять свои качества лишь в течение 10-15 лет.

  Underground corrosion (United States. National Bureau of Standards. Circular 579)
  Автор: Melvin Romanoff; Издатель: U.S. Govt. Print. Off., 1957)

  Отдельно хочу отметить использование в качестве материала штырей нержавеющей стали. Этот материал имеетзамечательные антикоррозионные свойства в сочетании с отличными механическими характеристиками, облегчающими производство деталей. Его единственный, но перечеркивающий достоинства недостаток — высокая стоимость.

  Г2.1).

  При увеличении глубины электрода необходимо учитывать, что в однородном грунте сопротивление заземления снижается не пропорционально этому увеличению (больше глубина -> меньше уменьшение сопротивления).

  

  Поэтому при отсутствии на глубине слоев грунта с более низким удельным электрическим сопротивлением стоит рассмотреть вопрос увеличения количества электродов, а не увеличения глубины одиночного электрода. На решение этого вопроса будут влиять и стоимость монтажа дополнительных электродов, и доступность площади для их размещения.

  На практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности.

  почти полностью повторяет расчёт одиночного электрода из п. Г2.2. за исключением поперечных размеров — у модульного заземления диаметр электрода не превышает 20 мм.

  На примере тридцатиметрового составного электрода из омеднённых штырей диаметром 14 мм, смонтированного в канаве глубиной 0,5 метров. Грунт, в котором будет монтироваться этот электрод, будет для упрощения расчёта однородным суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

  Расчёт проводится в 1 этап.

  Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

  

  R1 составит 4,7 Ом (при p = 100 Ом*м, L = 30 м, d = 0.014 м (14 мм), T = 15.5 м (T — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

  Этот результат хуже, чем у электрода, имеющего диаметр 100 мм, но замечу — уменьшение диаметра электрода в 7 раз (700%) вызвало увеличение сопротивления заземления всего на 27%.

  Монтаж модульного заземления очень лёгкий и доступен даже девушке.
  Штыри забиваются в грунт друг за другом отбойным молотком постепенно увеличивая глубину заземляющего электрода. Отбойный молоток размещается над штырём.
  Задачи монтажника: ровно держать молоток над штырём (не «на весу», т.е. молоток своим весом давит не на руки, а на монтируемый штырь) и наращивать электрод — устанавливать следующий штырь над уже заглубленным.

  

  Если монтаж выполняется вне здания то, монтаж модульного заземления/заземлителя производится в канаве небольшой длины и глубиной 0.5 метра в которую также укладывается заземляющий проводник (медный провод или традиционная стальная полоса), идущий до объекта (электрощита).

  Если монтаж выполняется внутри здания (в подвале), то монтаж заземлителя производится на уровне пола. Далее медным проводом полученный заземлитель подключается к щиту.

  И при использовании стальной полосы и при использовании медного провода для их соединения со штырём в основном используется болтовой зажим из латуни или нержавеющей стали.

  Иногда можно встретить способ соединения с помощью экзотермической сварки (смесь горючего материала с медной пылью заливает место контакта проводника и штыря, сваривая их между собой). Но это экзотика.

  Подробнее о монтаже резьбовых штырей можно познакомиться на YouTube.

  UPD: Отбойный молоток можно взять в аренду на сутки (от 500-700 рублей) или купить почти в любом магазине электроинструмента (от 9-10 т.руб.).

  Д2. Электролитическое заземление (для вечномёрзлых или каменистых грунтов)

  Напомню об отмеченном в п. Г1.5. методе иногда применяемом для существенного уменьшения сопротивления заземления.

  Засоление грунта в месте размещения электродов путем добавления в него большого объема поваренной соли NaCl. При её растворении в грунте (выщелачивании) резко повышается концентрация ионов, участвующих в переносе заряда, а следовательно снижается его (грунта) электрическое сопротивление.

  При неоспоримом положительном достоинстве такого метода, а также при его простоте и дешевизне — он имеет два огромных недостатка:

  • за счет вымывания соли из грунта (дожди, весеннее таяние снега), концентрация ионов падает до естественного уровня за 2-3 года
  • соли вызывают сильную коррозию стали, разрушая электроды и заземляющий проводник за 3-5 лет. Эти недостатки грозят восстановлением заземлителя практически «с нуля».

  Нужны были меры противодействия этим недостаткам и ими стали:

  • постоянное поддержание концентрации ионов в грунте. Иными словами, их пополнение новыми порциями.
  • использование в конструкции материалов, минимально подверженных воздействию соли, и менее агрессивных компонентов этих солей

  В итоге было разработано решение, получившее название «электролитическое заземление» (электролит — раствор солей).

  Электрод такого типа представляет собой трубу небольшой длины (обычно 2-3 метра) из нержавеющей стали, имеющей почти по всей длине перфорацию. Внутри этой трубы находятся гранулы (не порошок) смеси солей.

  Кроме привычного NaCl в смеси присутствуют еще 3 компонента. Состав якобы является секретом производителей, но мы то знаем, как это бывает

  Промышленно выпускается два вида труб. В вертикальном исполнении и горизонтальном (в виде повёрнутой буквы «Г» — вот так «I___»).
  Такой электрод помещается в грунт: вертикального исполнения — в заранее сделанную скважину необходимой глубины (2,5 — 3,5 метра); горизонтального исполнения — в заранее выкопанную канаву глубиной 0,7 метра длиной 2,5 метра.

  

  Влага из грунта впитывается солями в электроде и выходит в виде раствора (электролита) в этот же грунт, пропитывая его и вызывая уменьшение его удельного электрического сопротивления.
  Из-за чего, уменьшается сопротивление заземления электрода (трубы), размещенной в этом грунте.

  Т.к. смесь солей находится в гранулах и в её составе присутствует специальная добавка, она не растворяется всем объемом в весеннее время, когда грунт пропитан водой. Таким образом достигается длительный и равномерный выход электролита из электрода, постепенно увеличивающий (а не просто сохраняющий) концентрацию ионов в окружающем грунте. Обычно заводской «заправки» электрода хватает на 15 лет, после чего возможна неоднократная «дозаправка».

  Применение в качестве материала трубы из нержавеющей стали и использование менее агрессивной, чем NaCl смеси солей, обеспечивают срок службы «оболочки» такого электрода не менее 50 лет.

  могущая представлять опасность для фундамента рядом стоящего здания или дорожного покрытия. Зона талика на поверхности грунта представляет собой овал размером около 3х6 метров. Поэтому в ходе проектных работ необходимо учесть это и отдалить электроды от объектов, могущих быть повреждёнными.

  

  расчёта сопротивления заземления электрода горизонтального исполнения, т.к. это наиболее распространённый на практике вариант, имеющего длину горизонтальной части 2,4 метра и её диаметр 65 мм. Грунт, как обычно, будет однородным суглинком с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

  Сопротивление заземления одиночного горизонтального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

  

  В случае электрода электролитического заземления к формуле добавляется коэффициент, описывающий концентрацию электролита в грунте около этого электрода:

  

  Коэффициент варьируется от 0,5 до 0,05. Постепенно он уменьшается, т.к. электролит проникает в грунт на бОльший объем, при это повышая свою концентрацию. В обычном грунте он составляет 0,125 через 1-2 месяца выщелачивания солей. Процесс можно ускорить добавлением воды в электрод на заключительной стадии монтажа.

  R1 составит 4,14 Ом (при С = 0,125, р = 100 Ом*м, L = 2.4 м, d = 0.065 м (65 мм), T = 0.6 м (Т — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглублённого электрода)).

  Отличный результат для одиночного заземлителя размером всего в 2,4 метра!
  Но, как всегда, расплата за результат в цене такого электрода… О чём ниже в п. Д2.4. (недостатки).

  Монтаж электрода электролитического заземления горизонтального исполнения самый простой из всех встреченных мной способов. По сути это банальное закапывание электрода на небольшую глубину.
  Роется канава глубиной 0,7 метра и длиной 2,5 метра. На дно опускается электрод. Используя болтовой зажим, подключается заземляющий проводник. Канава закапывается.

  Дополнительно можно залить в горловину электрода литров 5 воды для ускорения процесса выщелачивания.

  Д2.1.3.

• большой срок службы заземляющего электрода (не менее 50 лет) при его «дозаправке» смесью солей. Решение изначально создавалось с таким свойством.
• очень слабая сезонная зависимость качества заземления
• не нужна сварка. Элементы конструкции надежно сопрягаются без неё.
• Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений РД 34.21.122-87 ГОСТ Р 50571.21-2000 (МЭК 60364-5-548-96)
  Заземляющие устройства и системы уравнивания электрических потенциалов в электроустановках, содержащих оборудование обработки информации
• Технический циркуляр 11/2006 ассоциации «Росэлектромонтаж»
• Underground corrosion (United States. National Bureau of Standards. Circular 579) Автор: Melvin Romanoff; Издатель: U.S. Govt. Print. Off., 1957)
• Публикации на сайте «Заземление на ZANDZ.ru»
• Собственный опыт и знания

Источник: www.zandz.ru

www.elec.ru

 

Область техники

Изобретение относится к системе электропередачи постоянным током высокого напряжения (ПТВН). В частности, изобретение относится к заземлению системы ПТВН-электропередачи. Точнее, изобретение предлагает электрод заземления и способ заземления системы ПТВН-электропередачи.

Электроды заземления в данном контексте означают устройства, используемые для соединения точки заземления системы ПТВН-электропередачи с землей. Электроды заземления могут включать в себя один или более питающих кабелей, идущих к проводящей среде, такой как грунт или морская вода.

Предпосылки изобретения

По сравнению с системой электропередачи переменным током системе ПТВН-электропередачи требуется только два провода. По меньшей мере один из этих проводов должен быть изолирован от земли. Поэтому один из проводов может быть реализован в виде воздушной линии или кабеля высокого напряжения. Другой провод может реализовываться с использованием земли в качестве проводящей среды. В случае биполярной передачи при нормальных условиях работы используют еще один провод такого же типа. Но для передачи тока небаланса требуется провод заземления. Биполярная система ПТВН-электропередачи должна быть также в состоянии работать как униполярная система ПТВН-электропередачи. При такой работе провод заземления передает весь постоянный ток, передаваемый системой ПТВН-электропередачи.

Система ПТВН-электропередачи включает в себя первую преобразовательную подстанцию, соединенную с первой сетью электропередачи переменного тока, вторую преобразовательную подстанцию, соединенную со второй сетью электропередачи переменного тока, и по меньшей мере два провода, соединяющие первую и вторую преобразовательные подстанции. Каждая преобразовательная подстанция имеет точку заземления, соединенную с электродом заземления для установления электрического контакта с землей. Таким образом, провод заземления включает в себя электрод заземления на каждой преобразовательной подстанции и землю между этими двумя электродами заземления.

Биполярная система ПТВН-электропередачи обычно включает в себя пару воздушных проводов, поддерживаемых множеством опор от первой преобразовательной подстанции до второй преобразовательной подстанции. Провода подвешиваются на изоляторах с траверс опор. На каждой опоре также установлены защитные провода для защиты от молний. Обычно расстояние между двумя соседними опорами составляет около 400 м. Каждая опора заземлена.

Электрод заземления содержит множество электродных элементов для установления электрического контакта с землей. Обычно земля — это грунт и/или морская вода. Поэтому электрод заземления может быть наземным (заземленным) электродом или морским (заводненным) электродом. Электроды действуют в качестве анодов, т.е. проводят ток в проводящую среду, или в качестве катодов, т.е. принимают ток из этой среды.

Термин «заземленный электрод» в данном контексте обозначает электрод заземления, находящийся в грунте. Заземленный электрод переносит постоянный ток от системы ПТВН-электропередачи в грунт, или наоборот. В данном контексте термин «грунт» следует рассматривать в общем смысле как обозначающий проводящую, но неоднородную среду.

Помимо требований по току и сопротивлению заземленные электроды должны быть также электрически безопасными, обладать высокой эксплуатационной надежностью и достаточно длительным сроком службы и, кроме того, они не должны вызывать каких-либо вредных экологических последствий, например высыхания почвы вблизи электрода.

Для того чтобы достичь достаточно низкого сопротивления заземления, заземленный электрод обычно имеет большое количество электродных элементов, расположенных в виде древовидной структуры. Поэтому каждый электродный элемент соединен с точкой заземления через питающий провод, вспомогательный питающий провод и множество дополнительных вспомогательных питающих проводов. Цель заключается в том, чтобы электрический ток был равномерно распределен от точки заземления к каждому электродному элементу. Для достижения этой цели каждый электродный элемент должен иметь одинаковую длину соединения до точки заземления. Поэтому каждый электродный элемент соединен так, как будто все они соединены с точкой заземления параллельно.

В известном устройстве электрода заземления заземленный электрод соединен с точкой заземления преобразовательной подстанции одним или более питающими кабелями. Каждый подэлектрод запитывается от отдельного питающего подэлектрод кабеля. Подэлектрод включает в себя засыпку и активный электродный элемент (заземляющий электрод), заделанный в эту засыпку. В большинстве случаев засыпка представляет собой слой кокса. Электродный элемент находится в электрическом контакте с питающим подэлектрод кабелем и имеет активную часть своей поверхности, находящуюся в электрическом контакте с засыпкой. В случаях, если подэлектрод содержит более чем один такой электродный элемент, то эти элементы связаны друг с другом кабелями межсоединения.

Засыпка занимает значительный объем вокруг электродного элемента и, в свою очередь, также заделана в грунт. Активной частью поверхности засыпки является та часть ее поверхности, которая находится в электрическом контакте с грунтом.

Из US 6245989 (Иоссель) известен заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения. Задача этого заземленного электрода состояла в улучшении скорости растворения запитывающих элементов и в улучшении срока службы и надежности электрода. Поэтому заземленный электрод согласно Иосселю содержит электродные элементы, отделенные друг от друга электронепроводящими межэлементными экранами (барьерами).

Заземленный электрод, содержащий подэлектроды, секции и подсекции, может занимать значительный участок земли. При общеизвестной круговой схеме расположения его диаметр может составлять в диапазоне от 500 до 1000 метров. Обычно заземленный электрод расположен на удалении от преобразовательной подстанции, т.к. течение постоянного тока может мешать функционированию расположенного рядом с ним трансформатора. Значительный участок земли также занят преобразовательной подстанцией и линией электропередач с опорами, несущими провода между преобразовательными подстанциями.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы найти пути обеспечения возможного заземленного электрода для системы ПТВН-электропередачи.

Эта задача решена согласно изобретению с помощью заземленного электрода, охарактеризованного признаками независимого пункта 1 формулы изобретения, и с помощью способа, охарактеризованного этапами, указанными в независимом пункте 9 формулы изобретения. Примерные варианты реализации изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению заземленный электрод содержит множество электродных секций, соединенных с электродом линии. Каждая секция содержит по меньшей мере один или множество параллельно соединенных электродных элементов и подстроечный резистор для соединения с электродом линии. Поэтому за счет подстройки отдельных подстроечных резисторов компенсируют разность сопротивления между секциями, в результате чего ток будет распределяться равномерно в каждый электродный элемент. Электрод линии предпочтительно расположен вдоль линии опор.

В одном варианте реализации изобретения секция включает в себя опору и электродные элементы заземления опоры. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя изолированный провод, поддерживаемый на опорах. В еще одном варианте реализации электрод линии включает в себя кабель, который изолирован от земли. В еще одном варианте реализации электродные секции включают в себя традиционно расположенные электродные элементы.

В одном варианте реализации изобретения заземленный электрод включает в себя заземление опоры множества соседних опор. В еще одном варианте реализации заземленный электрод охватывает ответвления опор, расположенных отдельно друг от друга. В еще одном варианте реализации изобретения электрод линии включает в себя по меньшей мере два провода, каждый из которых соединен с одинаковым числом заземлений опор.

Согласно изобретению может использоваться любое число заземлений опор, а также может выбраться любое положение опор вдоль электрода линии. Электрод линии может быть очень длинным, в типичном случае — примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии можно использовать на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Согласно первому аспекту изобретения задача решается заземленным электродом для системы ПТВН-электропередачи, содержащей множество электродных секций, причем каждая электродная секция содержит множество электродных элементов, при этом и заземленный электрод содержит электрод линии, и каждая электродная секция содержит подстроечный резистор для соединения с электродом линии.

Согласно второму аспекту изобретения задача решается способом заземления системы ПТВН-электропередачи, согласно которому:

обеспечивают множество электродных секций, содержащих электродные элементы;

для каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор;

соединяют электродные секции последовательно вдоль электрода линии; и

подстраивают подстроечный резистор, уравнивая ток в каждой секции.

Краткое описание чертежей

Прочие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более понятны специалисту в данной области техники из приводимого ниже подробного описания в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего электрод линии и множество электродных секций согласно изобретению;

Фиг.2 — принципиальная конструкция опоры, несущей линии ПТВН-электропередачи;

Фиг.3 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при конструкции соединения в средней точке; и

Фиг.4 — принципиальная схема заземленного электрода, содержащего множество электродных секций и электрод линии, при соединении в две ветви.

Описание предпочтительных вариантов реализации

Обращаясь к Фиг.1, заземленный электрод согласно изобретению содержит множество электродных секций 1, соединенных с электродом 2 линии. Заземленный электрод соединен с точкой 3 заземления преобразовательной подстанции 4. Преобразовательная подстанция включает в себя один конец системы ПТВН-электропередачи (не показано). Преобразовательная станция содержит первый преобразовательный мост 5 и второй преобразовательный мост 6 и выполнена с возможностью работы в биполярном режиме. Каждая электродная секция содержит подстроечный резистор 17. Электродные секции также содержат электродные элементы 20, схематически показанные символом заземления, для соединения с землей.

В показанном на Фиг.1 варианте реализации каждая электродная секция 1 может включать в себя опору 8 линии, которая показана на Фиг.2. Опора имеет вертикальную стойку 9 и траверсную конструкцию 10, несущую линии 11 ПТВН-электропередачи. Линии электропередачи подвешены на изоляторах, и в показанном варианте реализации эти линии электропередачи содержат три провода в расположении треугольником. Сверху опоры имеются два электрода 13 линии, свешивающихся с изоляторов 14. Опора имеет систему заземления, содержащую выравнивающее распределение потенциала кольцо 15 и заземление 16 основания опоры. Опора содержит подстроечный резистор 17, соединяющий систему заземления опоры с электродами линии. Сверху опора имеет пару защитных проводов (не показаны) для молниезащиты.

Как показано на Фиг.1, электрод линии обладает сопротивлением 18 линии между каждой опорой. На этой Фиг.1 также показаны электродные секции в виде опоры, имеющей сопротивление 19 заземления. Как также показано на Фиг.1, электрод линии может соединять соседние опоры, а также первую группу опор (четыре на левой стороне фигуры) и вторую группу опор (три на правой стороне фигуры).

Подстроечный резистор нужен в каждой опоре электрода линии, чтобы обеспечивать равномерное токораспределение между заземлениями опор. Напряжения прикосновения уменьшают обычными защитными кольцами, выравнивающими распределение потенциала в земле у опор. В связи с коррозией, в основном с течением времени вызываемой небольшим током небаланса в биполярном режиме работы, требуется существенное усиление заземляющих проводов заземления опор. Заземляющие провода заземлений опор должны иметь сплошные противовесы или радиальные противовесы из медных проводов относительно большого поперечного сечения, например: 2Ч150 мм².

Электрод линии можно также соединить с точкой заземления преобразовательной подстанции при конструкции соединения в средней точке, при этом питающая линия 21 имеет сопротивление 22 запитывания, как показано на Фиг.3. Еще одна конструкция соединения показана на Фиг.4, в которой электрод линии подсоединен в виде двух параллельных ветвей. Электрод состоит из первой ветви 23, имеющей сопротивление 24 первой ветви, и второй ветви 25, имеющей сопротивление 26 второй ветви. Первая ветвь соединена с каждой второй электродной секцией, а вторая ветвь соединена с остальными электродными секциями. Основное преимущество заключается в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен на преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке. Каждый второй подстроечный резистор соединен с одним из проводов электрода. Остальные подстроечные резисторы соединены с другим. При этом электрод состоит из двух равных ветвей. Основное преимущество состоит в том, что баланс токов между двумя ветвями может быть измерен в преобразовательной подстанции, что облегчает обнаружение короткого замыкания на землю. Помимо этого, токораспределение улучшится тем же образом, как и в схеме с подводом в средней точке.

Один электрод линии может охватывать примерно 250 опор линии ПТВН в случае номинального тока электрода в 3000 А. Когда имеются в распоряжении обе воздушные линии полюса и оба полюса преобразовательной подстанции, нужно использовать сбалансированный биполярный режим работы. Если один из полюсов преобразовательной подстанции должен быть недоступным, то необходимо как можно скорее применить металлический режим работы («металлический возврат») и поддерживать его до тех пор, пока не будет устранено короткое замыкание. Только после неудачной попытки поддержать напряжение одной линии будет происходить униполярная работа в течение длительного срока (около суток).

Технические преимущества состоят в следующем:

значительно сниженный по сравнению с обычными электродами электрический потенциал поверхности земли на расстоянии вплоть до 50-100 км от электрода;

сниженный риск появления токов утечки в трансформаторах и инфраструктуре;

не требуется отдельная электродная площадка;

используется полоса отчуждения линии постоянного тока;

в качестве электродных элементов (заземлителей) могут использоваться заземления основания опор общепринятой конструкции, с выполненными из меди заземляющими проводами.

Требуется некоторое вспомогательное оборудование и усиление конструкции линии. Для соединения электрода с преобразовательной подстанцией в линии ПТВН можно использовать усиленный(е) провод(а) с достаточной площадью поперечного сечения. В зависимости от конфигурации электрода нужен один или два провода. Провод(а) может быть изолирован одним единственным стеклянным, фарфоровым или композиционным опорным изолятором.

Чтобы свести к минимуму риск повреждений или опасность в случае короткого замыкания на землю, могут быть предприняты меры по обнаружению и защите от короткого замыкания на землю при помощи управляющих действий на преобразовательной подстанции. Обнаружение короткого замыкания на землю может быть основано на измерении тока небаланса в электродной схеме с двумя равными ветвями электрода и/или измерении сопротивления. Использование разрядников для защиты от перенапряжений на защитном проводе на каждой опоре, помимо обнаружения короткого замыкания на землю, уменьшит количество коротких замыканий на землю и повысит надежность защиты электрода.

Электрод должен быть сконструирован так, чтобы исключить даже кратковременные токи в смежной сети переменного тока и трансформаторах преобразовательной подстанции, которым требуется слабое электрическое поле на поверхности земли и слабое увеличение электрического потенциала земли. Для достижения низких напряжений на поверхности требуется достаточно длинный электрод линии. Необходимо учитывать коррозию, вызываемую с течением времени очень небольшим током небаланса во время нормальной биполярной работы. Поскольку при полном токе электрод будет работать очень редко и в течение коротких временных интервалов, обычно — одни сутки, вызванная в ходе униполярной работы коррозия будет маловажной проблемой. Напряжение прикосновения и шаговое напряжение на опорах электрода линии должно быть ниже допустимых значений. Электрод должен быть снабжен средствами обнаружения/защиты от замыкания на землю.

Согласно изобретению в качестве электрода используется линия постоянного тока. Это можно сделать путем изолирования заземляющих проводов и усиления их, чтобы они выдерживали полный постоянный ток. На каждой опоре некоторый ток поступает в землю через подстроечные резисторы. Благодаря этому электрод может быть выполнен очень длинным, обычно — примерно 100 км. Это является выгодным по сравнению с традиционными электродами, которые обычно являются круглыми с диаметром максимум 1000 м. Электрод линии может использоваться на одном или на обоих концах линии ПТВН-передачи.

Опорам от преобразовательной подстанции к дальнему концу электрода линии необходимы короткие изоляторы для провода(ов) электрода. Опоры электрода линии имеют подстроечный резистор, соединенный с проводом(ами) электрода, для достижения равномерного токораспределения. Этот резистор может быть предпочтительно установлен вблизи проводов электрода. При этом кабелю, идущему от резистора вниз к заземлению основания опоры, изолирование не требуется (или требуется очень небольшое). Заземление основания опоры служит в качестве заземляющего электрода электрода линии. Заземление основания опоры относится к общеизвестному типу, состоят, например, из радиальных противовесов или непрерывного противовеса. Тем не менее, общую площадь поперечного сечения заземляющих проводов можно увеличить ввиду дополнительной, связанной с постоянным током коррозии, которая невелика, но и не является пренебрежимо малой с течением времени. При необходимости в основании опоры можно предусмотреть кольца, выравнивающие распределение потенциала.

Усиленный(е) провод(а) электрода линии ПТВН используют для соединения электрода линии с нулевой шиной преобразователя ПТВН. Провода должны быть изолированы на каждой опоре от подстанции к дальнему концу электрода линии. Провод(а) может(могут) также содержать оптические волокна для связи. Низкое сопротивление защитных проводов вдоль электрода линии содействует равномерному токораспределению между заземляющими электродами. Сопротивление между преобразовательной подстанцией и точкой запитывания электрода не влияет на токораспределение, но потери мощности растут с увеличением сопротивления.

Обычный молниезащитный трос со встроенным волоконноптическим кабелем рассчитан на слишком низкую максимальную допустимую нагрузку, чтобы выдержать предусматриваемый номинальный ток (3000 А). Например, максимальная непрерывная нагрузка OPGW с наибольшим сечением, выпускаемым компанией ALCATEL, составляет 763 А. Вместо него можно использовать два фазных провода со встроенным волоконнооптическим кабелем (OPPC). Например, АААС (провод из алюминия/алюминиевого сплава) с сечением 946 мм², рассчитанный на

1766 А каждый.

В случае волоконноптического фазного провода с сечением 946 мм² (Lumpi) сопротивление постоянному току этого провода составляет 0,0356 Ом/км. Результирующее сопротивление между соседними опорами в электроде линии составит 0,00712 Ом (длина пролета — 400 м). Однако возможны и другие решения без оптического кабеля. Низкое сопротивление улучшает токораспределение в электроде линии. Поэтому альтернатива состоит в том, чтобы использовать — по меньшей мере в пределах электродной части линии — два защитных провода крупного сечения, чтобы достичь низкого сопротивления. Например, провод Jorea ACSR1, с сечением 1274 мм², с сопротивлением 0,0226 Ом/км. Поперечное соединение между двумя проводами на каждой опоре в этом случае приводит к сопротивлению 0,00453 Ом между соседними опорами.

Хотя они и выгодны, объем изобретения не должен ограничиваться приведенными здесь вариантами реализации, но также включает в себя и варианты реализации, очевидные специалисту в данной области техники. Например, электрод линии может в равной мере содержать изолированный кабель в земле. Кроме того, электродные элементы могут быть выполнены с обычной конструкцией и установлены между опорами. В усовершенствованном варианте изобретения для электрода линии могут использоваться защитные провода.

1. Заземленный электрод для системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, имеющей преобразовательную подстанцию (4) с точкой (3) заземления, причем заземленный электрод соединен с точкой заземления и содержит множество электродных секций (1), при этом каждая электродная секция содержит по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что заземленный электрод содержит электрод (2) линии, и тем, что каждая электродная секция (1) содержит подстроечный резистор (17) для соединения электродной секции с электродом линии.

2. Заземленный электрод по п.1, в котором электрод (2) линии одним концом соединен с точкой (3) заземления.

3. Заземленный электрод по п.1, в котором средняя точка электрода (2) линии соединена с точкой (3) заземления через питающий провод (21).

4. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электрод линии включает в себя первую ветвь (23), соединенную с каждой второй электродной секцией, и вторую ветвь (25), соединенную с остальными электродными секциями.

5. Заземленный электрод по любому из пп.1-3, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

6. Заземленный электрод по п.4, в котором электродная секция (1) включает в себя опору (8) линии, содержащую подстроечный резистор (17) и электродный элемент (20).

7. Заземленный электрод по п.5, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

8. Заземленный электрод по п.6, в котором электродный элемент включает в себя заземление (16) опоры.

9. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

10. Заземленный электрод по п.6 или 7, или 8, в котором электрод линии содержит провод (13), подвешенный с помощью изоляторов (14) на опоре (8).

11. Заземленный электрод по п.5, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

12. Заземленный электрод по п.6 или 9, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

13. Заземленный электрод по п.10, в котором электрод линии содержит защитный провод, который также выполняет функцию молниезащиты.

14. Способ заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения, содержащей множество электродных секций (1), имеющих по меньшей мере один электродный элемент (20), отличающийся тем, что в каждой электродной секции обеспечивают подстроечный резистор (17), соединяют электродные секции с электродом (2) линии и подстраивают подстроечный резистор, чтобы уравнять электрический ток для каждой секции.

15. Способ по п.14, в котором электрод линии обеспечивают с уменьшающейся проводящей площадью между каждым соединением секции в направлении от точки заземления.

16. Применение заземленного электрода по любому из пп.1-13 или способа по любому из пп.14-15 для заземления системы электропередачи постоянным током высокого напряжения.

www.findpatent.ru