Эффективное заземление электроустановок (продолжение). Длинный или короткий заземлитель?

  

 

 

 

 

Известно, что увеличение диаметра или толщины электрода не дает существенного уменьшения сопротивления заземлителя, несмотря на большую площадь контакта с землей. Например, при увеличении диаметра трубы длиной 3 м с 2 до 5 см ее сопротивление в однородном грунте с сопротивлением 100 Ом*м уменьшается лишь на 15 %. Это следует также из формулы, по которой рассчитывается сопротивление растеканию традиционных вертикальных электродов: изменение диаметра мало влияет на сопротивление растеканию, так как значение диаметра входит в расчет под знаком логарифма. Увеличение же длины трубы, например, с 1 до 3 м при диаметре 5 см приводит к уменьшению сопротивления растеканию почти в 2,5 раза.

В 40–50­х годах прошлого столетия для большей эффективности контура заземления и сокращения его площади были предложены такие решения, как глубинные заземлители, устанавливаемые в предварительно пробуренные скважины глубиной свыше 10 м, и горизонтальные протяженные заземлители, укладываемые в траншеях. Применение таких способов стало особенно популярным при строительстве ПС или ВЛ на изолирующих основаниях, таких как вечная мерзлота, скальный грунт, сухой песок и т. п. Рассмотрим эти способы заземления немного подробнее.

 

 

В реальных условиях земля имеет многослойное строение, однако для практических расчетов принято представлять ее в виде двухслойной структуры. Во многих случаях удельное сопротивление нижнего слоя ниже сопротивления верхнего слоя, поэтому принято считать, что использование глубинных заземлителей приводит к существенной экономии средств, труда и материалов. Однако здесь имеется много подводных камней.

Одна из основных проблем – погрешность вычислений, которая возникает при переходе от многослойной модели грунтов к двухслойной. Особенно это проявляется при проектировании электроустановок в районах Крайнего Севера. Известно, что геоэлектрическая структура вечномерзлых грунтов не имеет четкой горизонтальной границы, что существенно влияет на результаты предпроектных изысканий и замеров сопротивления грунта. Исследования показывают, что погрешность между расчетными значениями сопротивления и фактическими может достигать 60 %. В результате заказчик, будучи уверенным в достоверности представленной информации, при реализации проекта получает значительные расхождения.

Другая проблема в том, что зависимость длины заземлителя от его электрического сопротивления в грунте также не прямая, а логарифмическая. На графике 1 можно увидеть, что изменение сопротивления заземлителя не так значительно при увеличении его длины свыше 6 м, одновременно с этим существенно возрастают и трудозатраты на монтаж контура заземления.

 

 

Вертикальные, особенно глубинные заземлители могут обеспечивать хорошую проводимость за счет контакта с нижними слоями грунта, часто имеющими высокую проводимость. Однако во многих случаях сопротивление грунта в поверхностных слоях невелико, и при этом оказывается рациональным применение горизонтальных заземлителей, особенно если нижние слои грунта обладают увеличенным сопротивлением.

В других ситуациях горизонтальные заземлители необходимы из-за отсутствия механизмов для монтажа вертикальных электродов в скальных, гравийных и других грунтах. Если же скальный грунт закрыт слоем земли, то выполнение горизонтального или лучевого заземлителя может оказаться менее трудоемким и сравнительно дешевым по сравнению с монтажом вертикальных электродов.

Лучевые заземлители часто применяют для молниезащиты. При этом важна хорошая проводимость заземлителя в летнее время, а именно тогда ее может обеспечить горизонтальный заземлитель, проложенный в торфяном или другом хорошо проводящем талом верхнем слое земли. То же относится и к сезонным электроустановкам, работающим в летнее время.

 

 

Не менее важная характеристика любого искусственного заземлителя – способность к быстрой нейтрализации импульсных токов, возникающих при грозовых разрядах. Для учета этого в формулу для расчета сопротивления заземлителя дополнительно вводится импульсный коэффициент. При значительных по величине импульсах тока в грунте вблизи заземлителя возникают настолько большие напряженности электрического поля, что в отдельных участках земли происходит частичный искровой пробой.

Согласно исследованиям искровой пробой в средних по проводимости грунтах возникает при напряженности электрического поля Е = 3 см2. В случае возникновения искрового пробоя шунтируется переходное сопротивление прилегающих участков грунта и уменьшается общее сопротивление заземления. Это явление приводит как бы к увеличению размеров заземлителя по сечению и уменьшению удельного сопротивления грунта. На практике более эффективны к воздействию импульсных токов короткие заземлители с большим поперечным сечением, чем протяженные заземлители из полосовой или круглой стали с минимально возможным сечением.

Помимо этого, любые заземлители из черной углеродистой стали, будучи в земле, подвергаются коррозии, причем в особо неблагоприятных условиях находятся заземлители рабочего заземления, через которые проходят рабочие токи постоянного направления. Часто срок их службы оказывается очень мал (3–8 лет). Опыт показывает, что целесообразно строить заземляющее устройство так, чтобы заземление работало без замены электродов не менее 15 лет. Этого можно достигнуть с помощью использования электролитического заземления, срок службы которого свыше 30 лет.

Значительно увеличить срок службы заземлителей можно, если использовать в качестве прослойки между основным грунтом и металлом электрода минеральный активатор грунта типа МАГ­2000. Исследования показывают, что в этом случае при стекании электрического тока с электрода в грунт процесс разрушения электрода от электролитической коррозии резко замедляется.

 

 

Технические требования к заземлению, регламентированные в главе 1.7 ПУЭ, не могут с достаточной степенью точности учесть все региональные сезонные геоэлектрические и климатические изменения, особенности прокладки заземлителей или рельеф местности. Учитывая большие геометрические размеры протяженных заземлителей, выбор точных моделей грунтовых структур для них в принципе невозможен. Традиционные модели грунтов в районах со сложными грунтовыми условиями приводят к значительным погрешностям и невозможности сопоставления расчетных и измеренных величин.

При использовании химических электродов совместно с активатором либо без него такая проблема попросту отсутствует, поскольку в этом случае нет необходимости оценивать погрешность исходной информации за счет их небольшой длины. Расчет же параметров заземлителей носит оценочный характер, и его цель – указать места, наиболее опасные с точки зрения возникновения недопустимых значений напряжения прикосновений, которые в дальнейшем следует проверить практическими измерениями. То же можно отнести и к высокой способности электролитического заземления нейтрализовать импульсные токи, возникающие при грозовых разрядах.