Обзор глубинно-модульного заземления

Виды глубинно-модульного заземления на рынке России
Существует несколько способов организации заземляющего устройства, от традиционных, в которых используются уголки, арматура или круг из «чёрной» стали, а также полоса для соединения в контур при помощи сварки; до современных, с использованием глубинно-модульных заземляющих электродов со специальным антикоррозийным покрытием, объединяемых в контур при помощи специальных болтовых зажимов.
В данной статье мы не собираемся говорить о традиционных системах заземления, поскольку на наш взгляд эти системы безнадёжно устарели и не отвечают современным потребностям рынка в надёжной и долговечной системе заземления, гарантирующей стабильно низкий показатель сопротивления, а также простой и удобный способ монтажа. Да и нет особого смысла сравнивать эти абсолютно противоположные системы, тем более, когда речь заходит о нехватке свободного пространства в условиях большого города или необходимости монтажа заземляющего устройства, например, в тесном подвальном помещении. В данной статье мы попытаемся сравнить глубинно-модульные системы заземления, выполненные из различных антикоррозионных материалов.
Так вот, из того, что сейчас представлено у нас на рынке по типу защитного покрытия можно выделить три вида глубинно-модульных заземляющих электродов:
оцинкованные,
омеднённые (или из биметалла),
без покрытия, выполненные из нержавеющей стали.
По типу соединения стержней между собой электроды бывают:
муфтовые (или резьбовые)
и безмуфтовые (или безрезьбовые).
Рекомендуемая максимальная глубина погружения резьбового электрода составляет 30 метров, безрезьбового – 10-15 метров.
Вот, пожалуй, и всё! Тем не менее, перед покупателем встаёт непростая задача: выбрать конкретную систему глубинно-модульного заземления под свою специфическую задачу. В данной статье мы постараемся помочь ему в этом нелёгком деле.
Нормативный аспект
На сегодняшний момент ситуация в России такова, что большая часть продаваемых компонентов для организации глубинно модульной системы заземления импортного производства – и это факт. Также неоспоримым является то, что изготавливают их в соответствии со стандартами Международной электротехнической комиссии (МЭК). Стандарты МЭК и ПУЭ зачастую не совпадают.
Модульное заземление
Любой глубинно-модульный заземляющий электрод (очаг заземления) состоит из следующих компонентов:
Глубинно-модульная система заземления от Элмашпром
1. Стержень заземления
Стержень заземления
Стержень является главным компонентом резьбовой системы и служит составной частью электрода. От диаметра (∅14.2 / 16 / 17,2 / 18 / 20 / 22 мм), материала изготовления (высокопрочная сталь марки 20, хромосодержащий сплав стали марки 14Х17Н2) и материала покрытия (цинк, медь), а также толщины защитного покрытия (150 и 250 мкм) стержня напрямую зависит срок эксплуатации и, следовательно, надёжность всего заземляющего устройства. От длины стержня зависит его назначение (стержень длиной 1,2 метра используется для монтажа в подвальных помещениях; длиной 1,5 – в открытом пространстве).
2. Муфта соединительная
Муфта соединительная
Муфта служит для соединения стержней заземления между собой. Если взглянуть на чертёж электрода «Elmast» видно, что муфта – слабое звено всей системы (при выходе из строя соединительной муфты, при разрыве соединения стержень-стержень – выходит из строя всё заземляющее устройство), поэтому для увеличения срока эксплуатации, а также для защиты самой муфты, она выполняется из антикоррозийного материала: нержавеющей стали и электротехнической латуни. Латунь используется для омеднённых систем, нержавеющая сталь – для систем из оцинкованной и нержавеющей стали. Причём, производитель изначально отказался от цинкования соединительных муфт в пользу «нержавейки», ввиду невозможности нанесения достаточного слоя цинка на поверхность внутренней резьбы муфты.
3. Наконечник
Наконечник
Предназначение наконечника – уменьшение сопротивления грунта при заглублении стержней заземления. Чёрная сталь применяется для омеднённых стержней, для «оцинковки» и «нержавейки» – нержавеющая сталь. Производитель рекомендует использовать наконечник во всех случаях, когда длина электрода превышает 2-х последовательно соединённых стержней.
4. Головка приёмная
Головка приёмная
Применяется вместе с монтажной муфтой для монтажа заземляющего электрода и тоже является расходным материалом. Изготавливается из нелегированной стали с последующим закаливанием. Для монтажа рекомендуется брать одинаковое количество приёмных головок и монтажных муфт.
5. Насадка ударная (под SDS+ и SDS-max)
Насадка ударная
Насадка вставляется в перфоратор/отбойный молоток и используется для передачи ударных нагрузок последнего через приёмную головку, вкрученную в монтажную муфту и далее по всему заземляющему электроду к наконечнику. Её изготавливают в 4-х вариантах исполнения: НУ-1 и НУ-2 разработаны для монтажа при помощи мощного перфоратора с SDS-max головкой (сила удара 20-25 Дж); НУ-3; НУ-4 – SDS+ (5,5 Дж). Используя перфоратор с SDS+ головкой можно эффективно заглубить не более 4-6 стержней подряд, в зависимости от типа грунта; во всех остальных случаях рекомендуется применять перфоратор с SDS-max.
6. Зажим болтовой крестообразный
Зажим болтовой крестообразный
По сути дела, универсальный элемент, который служит для механического соединения электрода/очага заземления и проводника (стальной полосы или круга). Площадь поперечного сечения зажимаемых проводников составляет: для круга: от 78 до 113 мм2 (от ∅10 до ∅12 мм); для полосы: до 250 мм2 (до 50х5 мм). В соответствии с действующей редакцией ПУЭ для стали необходимо применять круг d10 мм; полоса 40х4 мм (на Западе, в основном используют полосу 30х4 мм и зажимы, соответственно рассчитывают с расчётом максимальной ширины проводника 40 мм, но зажимать в него полосу 40х4 мм достаточно неудобно).
Таким образом, данное изделие, в полном смысле универсально, и его можно использовать для присоединения к очагу заземления всех известных в России горизонтальных заземляющих проводников.
7. Лента антикоррозионная
Лента антикоррозионная
Лента служит для изоляции зажима, соединяющего проводник с электродом. Изоляция эта крайне необходима, для того, чтобы, с одной стороны, предотвратить попадание влаги в место соединения 2-х разнородных металлов (сталь-медь / сталь-латунь / латунь-цинк – возникновение гальванического элемента) и, тем самым предупредить негативные последствия в виде усиленной почвенной коррозии; и, с другой стороны, защитить механическое соединение от, так называемой, щелевой коррозии, когда размер щелей между соединяемыми проводниками позволяет агрессивному веществу проникать внутрь соединения и вызывать коррозию.
8. Смазка графитовая электропроводящая
Смазка графитовая электропроводящяя
Графит является одной из кристаллических модификаций углерода – это непрозрачный, мягкий, электропроводный материал со слоёной структурой. Удельное сопротивление графита может достигать 0.3-0.5 мкО⋅м. Производитель настоятельно рекомендует всегда использовать графитовую смазку для заполнения пустот внутри соединения стержень-муфта-стержень, а также стержень-наконечник. Применение смазки при монтаже позволяет максимально снизить переходное сопротивление электрода и достигнуть стабильного, не зависящего от временных перепадов сопротивления заземляющего устройства. Более того, гарантия производителя на антикоррозийное покрытие распространяется только при условии использования графитовой токопроводящей смазки.
Теперь давайте рассмотрим все 3-и вида систем глубинно-модульного заземления по порядку и первой возьмём систему из оцинкованной стали:
Система глубинно-модульного заземления из нелегированной стали с высокотемпературным цинковым покрытием
Система глубинно-модульного заземления из нелегированной стали с высокотемпературным цинковым покрытием
Стальной проводник (железо с примесью углерода и других элементов) – наиболее дешёвый и доступный сплав для изготовления компонентов систем заземления. Несомненное преимущество стали заключается в том, что она обладает высокой механической прочностью; из минусов можно отметить сравнительно высокое, по сравнению с медью, удельное электрическое сопротивление. Обычная (или «чёрная») сталь обладает также низкой устойчивостью к почвенной коррозии, поэтому для повышения защитных свойств её покрывают слоем цинка.
Не смотря на то, что цинк – чистый металл, а сталь – сплав железа эта парочка прекрасно совместима вместе. Электродный потенциал цинка (-0,76 В) ниже потенциала стали (-0,04 В). Агрессивная среда, в которой эксплуатируется заземляющий электрод, почва, в данном случае – электролит. Поскольку электродный потенциал защитного покрытия имеет более отрицательное значение, чем потенциал защищаемого металла, такое покрытие называется анодным. Роль анода в нём играет цинк, катода – сталь. В результате химической реакции в электролите анод окисляется, катод – восстанавливается. Иными словами, при попадании электрода в агрессивную среду, почву, цинк будет постепенно растворяться, защищая от коррозии сталь. Причём, даже глубокие царапины, которые могут образоваться на поверхности электрода в процессе монтажа, не приведут к мгновенному появлению ржавчины; пока вокруг места повреждения будет сохраняться слой цинка, коррозия не будет распространяться; а процесс естественного окисления слоя цинка весьма и весьма долгий!
Само же защитное цинковое покрытие наносится «горячим» способом, в процессе которого атомы цинка «проникают» в наружный слой стали в ходе погружения в ёмкость с расплавленным цинком. Толщина цинкового покрытия не менее 150 мкм надёжно защищает сталь не только от почвенной коррозии, но и служит надёжным защитным барьером при монтаже системы.
Срок службы
Срок службы данного изделия напрямую зависит от среды эксплуатации и составляет более 30 лет. Срок гарантии производителя составляет 25 лет. Для увеличения срока эксплуатации систему заземления из оцинкованной стали производитель рекомендует применять в кислых и нейтральных средах с pH от 5 до 7 соответственно.
Система глубинно-модульного заземления из омеднённой стали или биметалла
Система глубинно-модульного заземления из омеднённой стали или биметалла
По праву, медь – один из самых лучших проводников электрического тока, который обладает очень низким удельным сопротивлением (∅ = 0,0175 Ом⋅мм2/м); несколько меньшим сопротивлением обладает только серебро. Другими важными преимуществами меди являются её достаточно высокая механическая прочность и хорошая стойкость к коррозии (медь интенсивно окисляется только при повышенной температуре), а также её хорошая обрабатываемость. Пожалуй, единственный минус меди состоит в её сравнительно высокой цене. Тем не менее, медь можно и нужно использовать в производстве компонентов систем заземления. Следуя этому принципу, для снижения стоимости готового изделия и повышения срока службы заземляющего устройства (ЗУ) используется медь в качестве защитного высокопроводимого покрытия. Полученное в результате соединение называется проводниковый биметалл. Биметалл имеет электрические и механические свойства, промежуточные между свойствами сплошного медного и сплошного стального проводника того же сечения; прочность биметалла больше, чем меди, но электрическая проводимость меньше. Причём, расположение меди в наружном слое, а стали – во внутреннем крайне важно, поскольку, с одной стороны, удельное сопротивление меди меньше, чем у стали [а ток, как известно, растекается по поверхности проводника], соответственно, сопротивление растеканию электрического тока ЗУ будет меньше и заглублять электрод нужно будет на меньшую глубину; и, с другой, медь эффективно защищает расположенную под ней сталь от агрессивной среды.
Агрессивной средой, как уже упоминалось ранее, служит почва – электролит. Сама медь химически малоактивна и начинает окисляться только будучи в коррозийной среде; в результате реакции образуется сульфат меди, который затем гидролизуется и постепенно превращается в устойчивую защитную пленку CuSO4. Иными словами, коррозия меди в почве – процесс самопроизвольно затухающий, так как продукты коррозии защищают поверхность металла от агрессивной среды. Тем не менее, скорость подземной коррозии меди сильно зависит от кислотности среды и многих других факторов. Если проанализировать химическую реакцию биметалла в электролите получим обратную цинку ситуацию, когда электродный потенциал защитного покрытия меди (0,52 В) имеет более положительное значение, чем потенциал защищаемого металла стали (-0,04 В). Такое покрытие называется катодным. Сталь выступает анодом, медь – катодом. При механическом повреждении такого покрытия в процессе транспортировки или монтажа возникает гальванический элемент, в котором защищаемый металл будет растворяться, а защитный слой восстанавливаться. Таким образом, катодное покрытие хорошо защищает основной металл от электрохимической коррозии только при отсутствии в нём механических повреждений (царапин, которые раскрывают стальное основание).
Стержни заземления для этой системы изготавливают из круглой нелегированной стали диаметром 14,2 и 17,2 мм и покрывают медью электролитическим (или холодным) способом. Толщина слоя покрытия составляет не менее 250 мкм.
Высококачественное медное покрытие обеспечивает отсутствие расслаивания слоя при больших механических нагрузках, например, при монтаже стержня в грунт. Толстый слой меди гарантирует высокую коррозионную стойкость и срок службы заземляющего устройства в грунте более 35 лет, в зависимости от условий эксплуатации. Срок гарантии производителя на защитный слой меди составляет 30 лет.
Длительный срок эксплуатации также во многом достигается благодаря применению резьбовых латунных муфт для соединения электродов между собой и крестового зажима из латуни. Медь и латунь хорошо совместимы, как совместимы цинк и сталь. Более того, прочность латуни на разрыв в 3 раза выше, чем у меди и в 6 раз, чем у цинка.
Систему заземления из омедненной стали (или биметалла) рекомендуется применять в щелочных и нейтральных средах с pH=6-8, однако следует избегать монтажа в сильнокислых (pH=3-5) или сильнощелочных (pH=9-11) средах. Также коррозия меди значительно усиливается при большой концентрации микроорганизмов в почве, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают сероводород, разрушающий защитную оксидную пленку меди.
Cистемы заземления выпускаются в исполнении ∅14,2 и ∅17.2 мм и L=1,2 и 1,5 метра соответственно.
Система глубинно-модульного заземления из высоколегированной нержавеющей стали
Система глубинно-модульного заземления из высоколегированной нержавеющей стали марки 14Х17Н2
Уже из самого названия материала – нержавеющая сталь – следует его основное свойство: он не ржавеет так же легко, как «чёрная» сталь. Это происходит потому, что, «нержавейка» имеет более высокое сопротивление окислению во многих естественных и искусственных средах. Повышенное сопротивление окислению на открытом воздухе и в почве достигается, когда в сталь добавляют более 12 % хрома. Потенциал хрома (-0,74 В) намного отрицательнее потенциала раствора электролита (почвы), поэтому почвенная коррозия, в данном случае будет контролироваться анодной реакцией, т.е. растворением хромосодержащего сплава; однако, вследствие контакта хрома с кислородом, первый формирует инертный пассивный слой из оксида хрома [Cr2O3]. Несмотря на то, что этот слой очень тонкий, именно ему «нержавейка» обязана своим благородным металлическим блеском, именно он защищает сталь от прямого воздействия агрессивной среды (почвы, воздуха). Даже, когда поверхность нержавеющей стали поцарапана, её подвергли резке, механической обработке, химическим или механическим повреждениям, пассивный слой быстро восстанавливается в присутствии кислорода.
Таким образом, пассивный металл может подвергаться коррозии, но он практически не корродирует, поскольку его анодное растворение протекает очень и очень медленно. В науке это явление получило название «пассивацией», а процесс ввода в металл компонента, который вызывает пассивность – легированием металла.
Свой вклад в антикоррозионные свойства нержавеющей стали также вносят и другие элементы, входящие в её состав: никель, молибден и азот, которые повышают сопротивление органическим кислотам и предупреждают почвенную коррозию. Гладко отполированная поверхность также способствует отличной коррозиеустойчивости «нержавейки». Из минусов можно отметить, что удельное сопротивление нержавеющей стали (∅ = 0,1400 Ом⋅мм2/м) на порядок выше, чем у чистой медью. Тем не менее, цена на «нержавейку» несравнимо ниже цены чистой электротехнической меди, а устойчивость к коррозии выше.
Срок службы
Гарантийный срок эксплуатации системы из нержавеющей стали - 50 лет, фактический срок эксплуатации может превышать 100 лет, но всегда будет зависеть от конкретных условий среды, в которой она эксплуатируется.
Заключение
Итак, мы только что рассмотрели все 3 вида резьбовых заземляющих электрода на примере изделий под торговой маркой Elmast: из оцинкованной и нержавеющей стали, а также биметалла. Как Вы уже убедились, сама система глубинно-модульного заземления состоит из вполне дискретных компонентов – модулей, которые в процессе монтажа соединяются в единое целое – ЗУ. Что на самом деле различает все три, так это вид защитного покрытия, который обеспечивает надёжность всей системы и длительный срок эксплуатации. Поэтому, собственно, вопрос о выборе защитного покрытия при покупке глубинно-модульного заземляющего устройства (ЗУ) играет на наш взгляд первостепенное значение. Правильный выбор, в данном случае, поможет Вам не только с толком потратить свои деньги, но и не беспокоится о такой важной части своей электроустановки как система заземления в течение многих десятилетий.
pH грунта
Поэтому, если Вы уже приняли решение установить глубинно-модульное ЗУ, но не знаете какой именно защитный материал выбрать, для начала, выясните какой уровень кислотности почвы pH существует непосредственно в месте предполагаемого монтажа ЗУ; сделайте это любым доступным способом. Так:
1) если почва кислая (pH=5), слабокислая (pH=6) или нейтральная (pH=7), то Вам оптимально подойдёт ЗУ из оцинкованной стали;
2) если почва слабокислая (pH=6), нейтральная (pH=7) или слабощелочной, (pH=8) – ЗУ из биметалла будет лучшим вариантом;
3) во всех средах, со всеми показателями кислотности почвы pH Вам подойдёт ЗУ из нержавеющей стали.
Уровень концентрации микроорганизмов и минеральных солей в почве
Второе, узнайте также уровень концентрации микроорганизмов и минеральных солей в составе почвы – это важно! В противном случае, если концентрация будет высокая, ускоренной коррозии не миновать; но даже в таких неблагоприятных условиях есть выход – установка ЗУ из нержавеющей стали, пассивный слой которой будет эффективно сдерживать скорость коррозии. На самом деле, медь, окисляясь, тоже формирует пассивный слой, но слой покрытия меди в 250 мкм крайне мал по сравнению с диаметром цельного стержня из хромосодержащего сплава стали и, соответственно, медь скорродирует намного быстрее «нержавейки»; а когда появятся первые дыры в покрытии, катодная реакция завершит начатое с утроенной скоростью. Вот почему такие крупные сырьевые гиганты, как, например, «Газпром» используют для заземления своих объектов исключительно ЗУ из нержавеющей стали ∅22 мм.
Диаметр стержня заземления
Третье; коль скоро мы подошли к диаметру самого стержня, следует сказать, что, чем больше толщина стержня, тем дольше он будет коррозировать, и, следовательно, тем дольше Ваша ЗУ будет функционировать – защищать Вас, Ваших близких и Вашу электроустановку от коротких замыканий, электрических перенапряжений в сети и разрядов молнии. Но здесь, опять-таки, нужно исходить из соображений экономической эффективности и целесообразности и подбирать изделие в соответствии с Вашими возможностями и техническим требованиям Вашей Энергонадзорной организации, которая, однако, все ещё частенько по старинке предписывает установку ЗУ из «чёрных» уголков – традиционное заземление. Наверное, пройдёт ещё не одно десятилетние, пока некоторые из нас полностью осознают все преимущества глубинно-модульной системы заземления. Вместе с тем, экономить на ЗУ, как показывает наша практика, нельзя! Скупой, как известно, платит дважды.
Срок эксплуатации системы заземления
Ну и наконец, вечного, как известно, ничего нет; НО систему заземления для Вашего объекта, будь то частный коттедж, электрическая подстанция, завод, да что угодно - нужно проектировать из расчёта, что она прослужит как минимум не меньше, чем сам объект.