Международные стандарты по качеству заземляющих электродов

   Составные элементы и части заземляющих устройств должны быть рассчитаны и сконструированы таким образом, чтобы их технические характеристики, в условиях нормальной эксплуатации, отвечали требованиям надежности и безопасности, как для людей, так и для окружающей среды.
К основным функциям системы заземления относятся:
- обеспечение требуемого режима нейтрали электрической сети для систем TN и TT;
- обеспечение электробезопасности потребителей и оборудования (защитное заземление);
- выполнение дополнительных требований по заземлению электрического и/или электронного оборудования (функциональное или рабочее заземление);
- обеспечения работы системы внешней молниезащиты и системы уравнивания потенциалов.
   Для случая молниезащиты зданий, система заземления должна быть выполнена в соответствии со стандартами Международной Электротехнической Комиссии (IEC) [1]. В этих стандартах система заземления представлена как неотъемлемая составная часть объекта, предназначенная для различных целей: заземления систем молниезащиты, защитного заземления низковольтных электроустановок и телекоммуникационных систем и т.д., в которых она должна выполнять следующие задачи:

- обеспечить отвод токов молнии в землю,
- способствовать растеканию токов молнии в грунте,
- выполнять уравнивание потенциалов между вертикальными элементами (токоотводами) системы внешней молниезащиты и подводимыми к объекту коммуникациями (подразумевается кольцевое заземляющее устройство).

   При проектировании любой системы заземления важным является не только выбор расположения и количества заземляющих электродов, не только обеспечение требуемого сопротивления заземления, но и правильный выбор типа заземляющих электродов и проводников, их материала, формы и размеров.
   Стандарты [2-5] формулируют требования к качеству заземляющих электродов и работ по их монтажу, которые должны обеспечить длительный срок эксплуатации (обычно в течение 20-30 лет) и стабильность технических параметров. Это:
- достаточная механическая прочность материала, используемого для электродов, проводников и зажимов;
- электрическая и термическая устойчивость к токам, протекающим через них в землю,
- высокая коррозионная стойкость в различных типах грунта.
   При выборе электродов для системы заземления должны учитываться:
- заземляющие и коррозионные свойства материала электрода,
- продолжительность протекания тока и его амплитудное значение,
- электрические и физические параметры грунта.

   Для систем заземления электроустановок размеры заземляющих электродов зависят от тока короткого замыкания и времени его протекания, в то время как для молниезащиты основную роль играют параметры тока молнии.
   Заземляющие электроды и проводники должны быть изготовлены из материала устойчивого к коррозии, такого как медь, омедненная гальванизированным способом или нержавеющая сталь. Материал, используемый для системы заземления и заземляющих проводников, должен быть электрохимически совместимым с материалом соединительных и монтажных элементов, и должен обладать устойчивостью к коррозии в коррозионной атмосфере и влаге. Необходимо исключить вероятность соединения разных материалов, в противном случае они должны быть дополнительно защищены от коррозии.

   Степень коррозии заземляющих электродов зависит от типа материала, из которого изготовлен электрод, и условий окружающей среды. Такие факторы окружающей среды как удельное сопротивление грунта, влажность, растворимые соли (формирующие электролит), степень аэрации и температура оказывают непосредственное влияние на степень и скорость коррозии. Важным фактором являются естественные и промышленные отходы.

   Результат контакта между несовместимыми металлами, наряду с воздействием окружающей среды или электролита приведет к увеличению коррозии анодного металла, и уменьшению коррозии катодного металла. Электролитом данной реакции могут быть подземные воды или влажная почва.
   Распределенные по большой площади ЗУ могут пострадать от разных грунтовых условий в удаленных друг от друга частях. Это может усилить процесс коррозии и поэтому требует особого внимания. Для уменьшения коррозии систем заземления необходимо:
- избегать использования нестойкого к коррозии металла в агрессивной окружающей среде;
- избегать контакта несовместимых металлов (металлов с заметно разной электрохимической и гальванической активностью);
- использовать проводники, полосу, электроды и зажимы соответствующего поперечного сечения для обеспечения достаточной коррозионной стойкости;
- обеспечить изоляцию в точках соединения проводников, не подлежащих сварке, соответствующим изоляционным материалом во избежание попадания влаги;
- во время монтажа муфт, сварочных или механических соединений тщательно соблюдать все технологические требования, применять изоляционные материалы, стойкие к средам, ускоряющим коррозию;
- учитывать гальванический эффект, возникающий при присоединении к заземляющим электродам других металлических конструкций или коммуникаций;
- избегать проектирования систем, в которых естественные коррозионные материалы из катодного металла, например, меди - могут соприкасаться с анодным металлом (например, катодная медь с анодным металлом – сталью).
   Испытания на коррозионную стойкость заземляющих стержней в естественных и лабораторных условиях.
   Процесс коррозии заземляющих стержней является следствием электрохимических процессов в грунте или воздействия блуждающих токов. Степень коррозии заземляющих стержней зависит от типа материала, из которого изготовлен стержень, и условий окружающей среды.

   Целью исследования было сравнение степени и скорости коррозии двух разных типов покрытия, наиболее часто используемых для стержней заземления: нанесенного электролитическим способом медного покрытия и цинкового покрытия, нанесенного горячим способом.
   Лабораторные испытания стальных заземляющих стержней с медным покрытием, производимых польской компанией Galmar, и стальных заземляющих стержней с цинковым покрытием, нанесенным горячим способом, проводились в Лаборатории Факультета Инженерного Дела по испытаниям структуры материалов Варшавского Политехнического Университета [7]. Испытания проводились на отрезках стержней диаметром 20 мм и длиной 68 мм с цинковым покрытием толщиной Zn 0,08 мм, нанесенным горячим способом, а также испытывались стержни, омедненные электролитическим способом толщиной покрытия Cu в 0,250 мм. Сегменты стержней были помещены в раствор, содержащий уксусную кислоту CHCOOH и ацетат натрия CHCOONa с молярным отношением 1:1, рН составляло 4,8 (типичный показатель кислотности почвы в Польше). Степень коррозии измерялась гравиметрически с интервалом в 7 дней на протяжении 35-ти дней испытания. Дополнительные испытания были проведены для измерения коррозионной стойкости при помощи электрохимического метода. 33

Фотографии опытных образцов до и после проведения 35-ти дневного испытания приведены на рис. 1 и рис. 2.

Рис.1. Фотографии отрезков заземляющего стержня с цинковым покрытием, нанесенным горячим способом, толщиной Zn - 0.08 мм (а) до и (б) после проведения испытания на коррозионную стойкость.

Рис. 2. Фотографии отрезков омедненного электролитическим способом заземляющего стержня с толщиной покрытия Cu - 0.250 мм (а) до и (б) после проведения испытания на коррозионную стойкость.

Испытаниям на коррозионную стойкость были подвергнуты также отрезки заземляющих стержней, соединенные латунными или бронзовыми муфтами. При этом было проведено измерение активного сопротивления соединений до, и после проведения испытания на коррозионную стойкость (рис. 3).

Рис. 3. Фотографии частей омедненного заземляющего стержня, соединенного латунной муфтой, (а) до и (б) после проведения испытания на коррозионную стойкость.

   Результатами проведенных гравиметрических и электрохимических испытаний доказано, что в данной искусственно созданной среде заземляющие стержни подвергаются коррозии равномерно и пропорционально времени испытания. Среднее значение степени коррозии цинкового покрытия нанесенного горячим способом составляло 1,1 мм в год и было почти в 25 раз выше, чем степень коррозии медного покрытия, нанесенного электролитическим методом согласно технологии фирмы GALMAR.
   Кроме этого констатировано, что соединительные муфты не влияют на степень коррозии заземляющих стержней, а процессы коррозии соединительных муфт не имеют значительного влияния на значение активного сопротивления в соединении. Среднее активное сопротивление в месте соединения до проведения испытаний составляло 0,11 Ом, а после проведения испытаний – 0,17 Ом.
   В естественных условиях сравнительные испытания на коррозию заземляющих стержней были проведены специалистами Лаборатории Гражданского Морского Флота США [8].
Опытные образцы заземляющих стержней были изготовлены:
- из мягкой стали;
- стали с цинковым покрытием, нанесенным горячим способом;
- стали с медным покрытием, нанесенным электролитическим методом;
- нержавеющей стали;
- алюминия и других материалов.

   Девять вертикальных стержневых заземлителя, изготовленных из различных материалов, длиной 2,4 м и диаметром 5/8 дюйма (14,2 мм) каждый, были зарыты в грунт на 7-летний период времени. Стержни проверялись по истечении 1, 3, и 7 лет.
   Кроме визуального осмотра у каждого заземляющего стержня были произведены измерения потери массы, являющейся следствием коррозии. Потеря массы в процентах, соответствующая определенному материалу заземляющего стержня, отображена в табл. 1. Специалисты Лаборатории Гражданского Морского Флота сделали заключение, что только стальные заземляющие стержни с медным покрытием толщиной Cu – 0,250 мм и заземляющие стержни, изготовленные из нержавеющей стали, отвечают требованиям коррозионной стойкости в естественных условиях (имеют низкую степень коррозии).

Таблица 1. Данные относительной потери массы из-за коррозии в естественных условиях для заземляющих стержней (в зависимости от материала, из которого они изготовлены).

   На приведенных ниже фотографиях указаны примеры коррозии стержней заземления, погруженных на различную глубину (рис. 4, 5 и 6). На рис. 4 показаны:
(а) верхняя часть (ближайшая к поверхности почвы) омедненного электролитическим методом заземляющего стержня с толщиной покрытия Cu - 0.250 мм,
(б) верхняя часть заземляющего стержня с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом,
(с) верхняя часть заземляющего стержня из мягкой стали без покрытия, по истечении 7-летнего периода испытания в естественных условиях.
   На рис. 5 показана средняя часть тех же стержней, находящаяся на большей глубине. Стержень из мягкой стали (б) был разрушен коррозией по всему сечению на глубине 1.23м. На рис. 6 показана самая нижняя часть тех же стержней, где у стержня с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом, (б) в результате коррозии значительно уменьшился диаметр (на глубине ниже 2 м).

Рис. 4. Снимки верхней части стержней заземления по истечении 7 лет испытания в естественных условиях; (а) омедненный стержень заземления, (б) стержень заземления с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом, (с) стержень заземления из мягкой стали без покрытия.

Рис. 5. Снимки средней части стержней заземления по истечении 7 лет испытания в естественных условиях; (а) омедненный стержень заземления, (б) стержень заземления с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом, (с) стержень заземления из мягкой стали без покрытия.

Рис. 6. Снимки нижней части стержней заземления по истечении 7 лет испытания в естественных условиях; (а) омедненный стержень заземления, (б) стержень заземления с цинковым покрытием, нанесенным горячим методом, (с) стержень заземления из мягкой стали без покрытия.

   Испытания на коррозионную стойкость, проведенные в естественных условиях, показали несомненное преимущество заземляющих стержней с медным покрытием, срок эксплуатации которых выше, а затраты на эксплуатацию системы заземления состоящей из вертикальных заземляющих стержней с медным покрытием, меньше.

   В Новосибирске с 22 по 25 марта на базе Сибирской энергетической академии и Новосибирского государственного технического университета состоялась вторая Российская конференция по заземляющим устройствам. В ней приняли участие представители большинства регионов России, а также специалисты из Казахстана, Латвии, Польши, Украины.
На конференции обсуждались:
− действующие нормативные документы;
− методы расчета и проектирования заземляющих устройств, а также изысканий под заземляющие устройства;
− характеристики заземлителей на высокой частоте и при стекании токов молнии;
− коррозия и долговечность заземлителей;
− конструктивное исполнение заземляющих устройств электрических станций, подстанций, линий электропередачи, объектов связи.
   Рассмотрев среди многих других важных проблем вопрос о коррозионной стойкости заземляющих устройств, Конференция записала в своих решениях следующие рекомендации по изменению главы 1.7 ПУЭ «Заземление и защитные меры безопасности»:
Рассмотренный на Конференции опыт показал, что применение оцинкованных заземлителей не увеличивает их долговечность, и это положение ПУЭ следует исключить. Ниже предложена редакция соответствующих параграфов и таблицы.
1.7.111. (измененный 1-й абзац) Искусственные заземлители могут быть из черной стали; стали, омедненной гальваническим способом или медными. Далее по тексту.
1.7.112. (измененный 3-й абзац)
- применение заземлителей и заземляющих проводников из черной стали с гальваническим медным покрытием или медных.

Таблица 1.7.4.
Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле (выделены измененные и дополненные строка и столбец)

   Выводы:
   Результаты лабораторных и натурных испытаний на коррозионную стойкость заземляющих стержней с различным покрытием показали техническую и экономическую эффективность применения электродов с медным покрытием и их преимущества по сравнению с электродами из черной стали или оцинкованных горячим способом.