В предыдущей статье мы рассматривали наиболее популярные способы повышения эффективности заземлителей за счет увеличения площади контакта с окружающим грунтом и уменьшения переходного сопротивления электрод-грунт путем засыпки вокруг электрода заземления различных минеральных заполнителей с высокой электропроводностью. В этой статье мы хотим заострить внимание на выборе оптимальных размеров сечения и длине заземляющих электродов, так как при проектировании и строительстве объектов энергетического хозяйства заказчики регулярно сталкиваются с такого рода вопросами.
1. Размер сечения и длина заземлителя
Известно, что увеличение диаметра или толщины электрода не дают существенного уменьшения сопротивления заземлителя, не смотря на большую площадь контакта с землей. Например при увеличении диаметра трубы длиной 3м 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 рассчитываются 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 40-50-х 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. Использование таких способов стало популярным в особенности 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.
2. Глубинные заземлители
В реальных условиях земля имеет многослойное строение, однако для практических расчетов принято представлять землю 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».
Одной из основных проблем является 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 пред
проектных 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 в реальности получает значительные расхождения при реализации проекта.
Другой проблемой является то, что зависимость длины заземлителя от его электрического сопротивления в грунте также является не прямой, а логарифмической. На графике 1 можно увидеть, что изменение сопротивления заземлителя не так значительно при увеличении его длины более 6 метров, одновременно с этим существенно возрастают и трудозатраты на монтаж контура заземления.
3. Горизонтальные заземлители
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 случаях, 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, чем монтаж вертикальных электродов.
Лучевые заземлители часто применяют для молниезащиты, где 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.
4. Импульсные токи
Не менее важной характеристикой любого искусственного заземлителя является способность быстрой нейтрализации импульсных токов, возникающих при грозовых разрядах. Для учета этого в формулу для расчета сопротивления заземлителя вводится дополнительно 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 кв/см. 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 эффективными, к воздействию импульсных токов, являются короткие заземлители с большим поперечным сечением, чем протяженные заземлители из полосовой или круглой стали с минимально возможным сечением.
Кроме выше сказанного, любые заземлители из черной углеродистой стали, находясь в земле, подвергаются коррозии, причем в особо неблагоприятных условиях находятся заземлители рабочего заземления, через которые проходят рабочие токи постоянного направления. Часто срок службы может оказаться очень малым (3 - 8 лет). Опыт показывает, что целесообразно строить заземляющее устройство так, чтобы заземление работало без замены электродов не менее 15 лет. Это может быть достигнуто с помощью использования электролитического заземления, срок службы которого более 30 лет.
Значительного увеличения срока службы заземлителей можно достигнуть, если использовать в качестве прослойки между основным грунтом и металлом электрода минеральный активатор грунта типа МАГ-2000. Исследования показывают, что в этом случае при стекании электрического тока с электрода в грунт процесс разрушения электрода от электролитической коррозии резко замедляется.
5. Заключение
Технические требования к заземлению, регламентированные в главе 1.7 ПУЭ, не могут с достаточной степенью точности учесть всех региональных сезонных геоэлектрических и климатических изменений, 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.
В случае с химическими электродами, при использовании их совместно с активатором, либо без него, такая проблема попросту отсутствует, так как 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 наиболее опасные места появления недопустимых значений напряжений 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.