CC BY
177
УДК 621.316.9
О. Г. Евдокимова
АНАЛИЗ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЗАЗЕМЛЯЮЩИХ УСТРОЙСТВ
Развитие электротехники и непрерывное совершенствование применяемого телекоммуникационного электрооборудования потребовали поиска новых технических решений конструкций заземляющих устройств, в том числе для перехода от традиционных к современным модульно-стрежневым. Важными условиями надежной работы модульно-стержневых заземлителей являются: применение материалов и конструкций, устойчивых к коррозии; механическое сочленение стержней методом заклинивания; использование наконечника в виде кругового конуса с углом заострения 45-53°, повышающего производительность работ по заглублению модульно-стержневых заземлителей и обеспечивающего минимум усилия его погружения в грунт.
заземляющее устройство, модульно-стержневой заземлитель.
Введение
Знание истории науки и техники позволяет правильно оценить существующую обстановку в изучаемой отрасли, использовать опыт предыдущих поколений и развивать отрасль с учетом этих факторов.
Устройства заземления видоизменялись и совершенствовались вместе с изменением и совершенствованием самих электроустановок. Электрод -контур заземления - заземляющее устройство - заземляющая система - так в терминологии отражен путь развития техники заземления от простейших искусственных элементов Оллендорфа и Кларссона до сложнейшей подземно-надземной сети.
Усложнение конструкции и повышение степени интеграции оборудования связи и электропитания приводят к необходимости решения ряда вопросов, связанных с проблемой защиты от перенапряжений и импульсных токов.
Организация системы заземления стала неотъемлемой частью при строительстве любого современного сооружения, оборудованного цифровыми системами связи и автоматики, которые предъявляют более высокие требования к характеристикам заземляющих устройств, чем аналоговое оборудование.
В статье сделан краткий аналитический обзор развития конструкций заземляющих устройств с целью формирования подхода к сооружению современных заземляющих устройств для повышения надежности и эффек-
тивности их работы в электротехнических установках, а также дальнейшего усовершенствования конструкции заземлителей.
1 Назначение заземлений
Заземлением какой-либо части электрической установки называется преднамеренное соединение ее с заземляющим устройством с целью сохранения на ней достаточно низкого потенциала и обеспечения нормальной работы системы или ее элементов в выбранном для них режиме [1].
В настоящее время в России заземление и меры защиты регламентируются основополагающими нормативными документами: Правилами устройства электроустановок (7-е издание) и комплексом стандартов ГОСТ Р 50571.
Заземление является одним из основных узлов сооружения электросвязи, от которого зависит как безопасность работы, так и экранирование оборудования от внешних электромагнитных полей.
В зависимости от выполняемой задачи заземления подразделяются на защитное - заземление частей электроустановки с целью обеспечения безопасности людей, рабочее - заземление какой-либо точки токоведущих частей электроустановки, необходимое для обеспечения работы электроустановки; молниезащитное - заземление, отводящее ток молниевого разряда. Кроме того, существует еще измерительное заземление.
Для заземления требуется заземляющее устройство, состоящее из за-землителя, располагаемого в земле, заземляющего проводника, соединяющего заземляемый элемент установки с заземлителем, и заземляющего разъема.
Внешнее устройство заземления, которое скрыто в почве и создается единожды, должно быть организовано так, чтобы характеризоваться следующими основными параметрами: постоянным низким активным сопротивлением, хорошей устойчивостью к коррозии, способностью отвода высокочастотных пиковых токов - и успешно сохранять эти параметры многие годы.
Внутренняя заземляющая сеть должна быть открытой и доступной для модернизации при наращивании или изменении конфигурации защищаемого оборудования.
Соединение с грунтом выполняется двумя способами:
• использованием частей здания или сооружения, находящихся в электрическом контакте с землей, - это естественное заземляющее устройство (ЗУ);
• использованием электродов, имеющих контакт с грунтом, - так называемое искусственное ЗУ.
Оба варианта отнюдь не взаимоисключают, а наоборот, дополняют друг друга. Предмет рассмотрения настоящей статьи - искусственные заземляющие устройства.
2 Основные методы изготовления заземляющих устройств
На сегодняшний день для создания искусственного заземления возможно использование различных технологий.
Добиться требуемого значения сопротивления можно путем устройства в земле определенной комбинации вертикальных и горизонтальных заземли-телей, электрически соединенных между собой.
В качестве традиционного решения при выборе исходных материалов для создания заземляющих устройств применяют прокат черного металла (уголок, трубы, пластины и др.), вертикально или горизонтально погруженный в землю на глубину 3-6 м (иногда глубже) и на расстоянии 3-5 м друг от друга. Все вертикальные заземлители объединяют между собой металлической полосой с помощью сварки или болтовых соединений. Количество вертикальных заземлителей, глубина их погружения и сечение выбираются по определенной методике, которая опубликована в специализированной литературе. Данный метод заземления применяют с самого начала электрификации.
Расход материалов для организации заземления традиционным способом во многом зависит от удельного сопротивления грунта и от величины сопротивления, требуемого для телекоммуникационного объекта. Однако «реальное количество заземлителей, как правило, определяется исходя из нормативного диапазона сопротивления заземления на момент измерения без учета реальных геологических и климатических условий» [2].
Следует отметить, что даже абсолютно правильно спроектированное и выполненное заземляющее устройство, созданное на основе изделий из черного металла, не лишено серьезных недостатков.
Использование обычного проката черных металлов для устройства заземления приводит к быстрому (в течение 5-7 лет) возрастанию сопротивления заземлителя из-за непрерывного процесса коррозии стали в грунте. Контролировать состояние подземной части заземлителя и его сварных соединений возможно только способом шурфовки, что достаточно трудоемко, и этой процедурой на практике пренебрегают.
Кроме того, производство работ традиционными методами (с использованием землеройной техники) в насыщенных инженерными коммуникациями, стесненных условиях современных городских поселений сильно затруднено, а зачастую просто невозможно.
Важно отметить, что традиционные заземлители, особенно угловая сталь и трубы, встречаются все реже, поскольку при повышенных расходах металла не всегда могут обеспечить требуемую величину сопротивления стеканию токов в землю для телекоммуникационного оборудования. У ряда производителей (например, Cisco, LG, Huawei Technologies) требования к активному сопротивлению достаточно строгие - не более 0,5 Ом, а для обычной электроустановки достаточным считается сопротивление не более 4 Ом.
На сегодняшний день это требование является самой распространённой задачей, но в подавляющем большинстве случаев ее трудно реализовать существующими традиционными методами.
В последнее время чаще используют вертикально заглубленные стержни. Следует отметить, что идея использования стержней в качестве электродов заземления отнюдь не нова. Использование стержней в качестве электродов заземления в СССР началось в 1970-80-е годы. Стержни изготавливались из горячекатаной стали марки Ст3 диаметром 12-16 мм, длиной 2,5-5 м (в зависимости от свойств грунта) и забивались в грунт кувалдой или электрифицированным ручным инструментом. Электроды такого типа называют ненаращиваемыми. Усовершенствование методов их погружения привело к возможности использования более длинных вертикальных электродов (до 20 м) - глубинных.
Применение модульно-стержневой системы заземления стало прорывом в области устройства заземлений.
Основоположником технологии модульных стержневых систем заземления в 1970-х годах стала американская компания ERICO (Electric Railway Improvement Company). Сегодня эта технология по праву может считаться интернациональной - ее освоили практически все ведущие производители в области систем заземления.
На российском рынке представлено подобное оборудование таких фирм, как ERICO (США), OBO Bettermann (Германия), Galmar (Польша), DEHN+ SÖHNE (Германия), Ezetek (Словения), ООО «АЛСТРИМ Энерго» (Россия) и другие. Их продукция отличается между собой, но основные принципы остаются неизменными.
Инновационность этой технологии заключается в том, что вертикальный стержень становится своего рода «системой» благодаря модульному наращиванию: стальные стержни с электропроводным антикоррозионным покрытием последовательно соединяются в сегменты необходимой длины.
Важно отметить, что заземляющее устройство приобретает стабильные параметры при его внедрении в глубокие слои грунта, где поддерживаются минимальная воздухопроницаемость, стабильная температура (с понижением температуры грунта его удельное сопротивление возрастает), увеличенная влажность (повышенная влажность грунта может в значительной степени понизить его удельное сопротивление), пониженная электротехническая и почвенная коррозия. Таким образом, глубинное погружение в землю с помощью ударного электроинструмента дает возможность получения требуемого значения активного сопротивления при минимальном количестве точек заземления, что позволяет значительно сократить сроки производства работ и затраты на их проведение.
Кроме очевидной эффективности, использование глубинных электродов обеспечивает гибкость при проведении монтажных работ. Модульная
конструкция заземлителя упрощает монтаж, сборку и перевозку комплектующих для контура заземления. Для них не требуются длинномерные грузовые автомобили большой грузоподъемности, большое пространство, что очень актуально при заземлении базовых станций мобильных операторов, где площадь всегда ограничена.
Кроме того, опыт устройства контуров заземления по традиционной технологии показывает, что предпроектные измерения удельного сопротивления грунта имеют существенную погрешность, поэтому часто глубины скважины, заложенной в проекте, или определённого количества стальных уголков оказывается недостаточно для получения требуемого значения сопротивления. Использование системы модульно-стержневых заземлителей решает эту проблему, поскольку позволяет проводить измерения сопротивления в процессе монтажа глубинного заземления, тем самым исключая лишние трудозатраты, связанные с повторным проведением работ на объекте, если требуемое значение сопротивления не было достигнуто. Система модульно-стержневых заземлителей позволяет избежать лишних трудозатрат и расхода материалов и в том случае, когда нужное сопротивление достигнуто и монтаж можно завершить.
3 Состав системы модульного заземляющего устройства
Система модульного стержневого заземления состоит из небольшого набора компонентов. В ее состав входят собственно стержни, наконечники, направляющая головка, зажимы различного типа, насадка на вибромолот, смотровое устройство.
Схема системы при заглублении стержней заземления представлена на рисунке 1.
Основным элементом модульно-стержневой системы является стержень, предназначенный для забивания в землю. При всей своей внешней простоте это весьма специализированное изделие, что объясняется предъявляемыми к нему высокотехнологичными требованиями. Стержни должны обладать значительной механической прочностью (чтобы легко проникать в грунт на глубину), устойчивостью к коррозии, высокой электропроводностью, совместимостью с грунтом. Фирмы-производители выпускают разнообразные конструкции заземлителей с использованием различных материалов: омедненной и оцинкованной стали, реже - алюминия и нержавеющей стали. Правильный подход к обустройству заземлений предполагает выбор металла заземлителя с учетом влияния почвы.
В наращиваемых системах применяются стержни только круглого сечения с диаметром 12-25 мм и длиной от 1,2 до 5 м. В этих пределах параметры могут варьироваться для удобства монтажа.
Ударный импульс
4
Сопротивление грунта
Рис. 1. Схема системы при заглублении стержня заземления с наконечником: 1 - заостренный наконечник; 2 - стержень заземления; 3 - головка для передачи ударных нагрузок от инструмента к погружаемому заземлителю; 4 - насадка (боек) ударного электроинструмента (на рисунке не показан)
В различных конструкциях стержневых систем производителями используются различные способы соединения стержней между собой (рис. 2). Наиболее распространены четыре варианта:
а) резьбовое соединение с помощью муфты (рис. 2, а);
б) резьбовое «стержень в стержень»;
в) механическое соединение безрезьбовой муфтой (рис. 2, б);
г) механическое сочленение стержня в стержень методом заклинивания (рис. 2, в) [3].
Наиболее распространенным типом соединения заземлителей является резьбовое соединение стержней с помощью муфты. Однако следует отметить, что «недостатком конструкции данного устройства заземления является низкая надежность, обусловленная муфтовым соединением отдельных стальных стержней, которое не позволяет визуально контролировать соединение стержней внутри муфты при прессовании, а также слабой стойкостью муфтового соединения стержней к изломам, неизбежно возникающим в результате изгибов стержней при их погружении в почву, что приводит к потере электрического контакта и неопределенности переходного электрического сопротивления между стержнями» [4].
Рис. 2. Способы соединения стержней:
а - резьбовое соединение с помощью муфты; б - механическое соединение безрезьбовой муфтой; в - механическое сочленение стержня в стержень; 1 - стережнь заземления нижний; 2 - стережнь заземления верхний; 3 - расклинивающая вставка в виде усеченного конуса; 4 - разрез шейки стержня; 5 - уплотняющее кольцо
Основными установленными причинами разрушения соединительных муфт являются:
- отсутствие соединения стержень-муфта-стержень по причине неполного вворачивания стержня заземления;
- значительный люфт резьбового соединения муфта-стержень-муфта по причине снижения производителем класса точности резьбы, изготавливаемой методом накатки, или слишком тугое соединение по причине завышения производителем диаметра стержня заземления;
- применение производителем материалов с показателями, не соответствующими параметрам, требуемым при изготовлении соединительных муфт и стержней заземления.
Обеспечение надежного электрического контакта между отдельными стальными стержнями и повышение таким образом надежности заземлителя в работе представляется возможным за счет отказа от применения муфтового соединения и использования механического сочленения стержня в стержень методом заклинивания.
К вспомогательным элементам системы модульного заземления относятся: соединительные зажимы, наконечники для забивания стержней в грунт, ударная головка, выполненная из высокопрочной стали, и специальные средства, защищающие смонтированное устройство от возникновения очагов коррозии.
Продукция разных торговых марок производителей модульных систем заземления различается лишь вариациями конструкций и ассортиментом аксессуаров.
Для облегчения погружения электродов в грунт применяется наконечник (см. рис. 1), который монтируется на первый подлежащий заглублению стержень заземлителя. В результате анализа экспериментальных исследований зависимости лобового сопротивления от угла заострения наконечника при различных коэффициентах трения грунта установлено, что оптимальной формой наконечника, обеспечивающей минимум усилия при его погружении в грунт, является круговой конус [5]. Следует отметить, что оптимальный угол раскрытия (заострения) наконечника (для глинистых и песчаных грунтов), максимально облегчающий прохождение грунтов и тем самым повышающий производительность работ по заглублению модульно-стержневых заземлителей, составляет 45-53° [6].
Заключение
Развитие электротехники и непрерывное совершенствование применяемого телекоммуникационного электрооборудования потребовало поиска новых технических решений конструкций заземляющих устройств, в том числе для перехода от традиционных к современным модульно-стрежневым.
Важными условиями надежной работы модульно-стержневых зазем-лителей являются:
- применение материалов и конструкций, устойчивых к коррозии;
- механическое сочленение стержней методом заклинивания;
- использование наконечника в виде кругового конуса с углом заострения 45-53°, повышающего производительность работ по заглублению модульно-стержневых заземлителей и обеспечивающего минимум усилия при его погружении в грунт.
Библиографический список
1. Заземления в установках высокого напряжения / Е. Я. Рябкова. - М. : Энергия, 1978. - 224 с.: ил.
2. Заземляющие устройства и средства их контроля. Какими им быть? / М. Б. Зингер // Автоматика, связь, информатика. - 2008. - № 12. - С. 9-12.
3. Стержневые системы заземления. Технология и рынок / А. Завистовский // Сети и бизнес. - 2007. - № 2 (33). - С. 110-119.
4. Пат. 103424 Российская Федерация, МПК Н 01 R 4/66. Заземлитель / Костроми-нов А. М., Костроминов А. А., Шершакова О. Г. ; заявитель и патентообладатель Костро-минов А. М., Костроминов А. А. - № 2010144663/07 ; заявл. 01.11.10 ; опубл. 10.04.11, Бюл. № 10. - 5 с.: ил.
5. Определение формы наконечника, обеспечивающей минимальное усилие прокола / В. К. Тимошенко // Строительство трубопроводов. - 1969. - № 3. - С. 18-20.
6. Оптимальный угол раскрытия наконечника модульно-стержневого заземлите-ля / О. Г. Шершакова // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2011. -Вып. 3 (28). - С. 217-226.
© Евдокимова О. Г., 2012 58
