CC BY
49
Поведение заземлений установок связи в реальных условиях
Морозов Б.Н., Соколов Е.Г., МТУСИ
Одной из самых важных и актуальных задач при обеспечении нормального функционирования сооружения связи является эксплуатация заземляющего устройства. Работа заземлений определяется многообразием физических условий, имеющих место в нашей стране: большим разбросом удельных сопротивлений различных типов грунтов; особенностями площадок, выбираемых для строительства сооружений связи; климатическими и температурными условиями; размещением и компоновкой оборудования; широким использованием новых материалов и тд Не менее важной является и многофункциональность современных заземляющих устройств, которые должны обеспечить подчас одновременно как рабочие функции (например, в антеннах), так и защитные и экранные функции, в том числе защиту от статических напряжений в помещениях с пластиковыми полами. Между тем заземление само подвергается воздействию внешних условий, под влиянием которых меняется.
Важным является вопрос о нагреве заземлителя и ближайших к нему объектов при протекании большого тока. При протекании большого тока в близлежащих слоях земли увеличивается ионизация, и в первый момент сопротивление заземлителя уменьшается, но в дальнейшем земля высыхает, и сопротивление возрастает. У металлов при нагреве сопротивление только возрастает. Общее сопротивление заземлителя также возрастает, что с одной стороны ограничивает ток через объект, но с другой стороны ухудшает экранирующие свойства всей соединительной системь проводников и заземлений в целом. Достаточно сильный нагрев может распространиться и на подключённые кабели. Значение допустимого нагрева никем не нормируется и его влияние не учитывается, между тем в ряде случаев это влияние вполне ощутимо. Допустимая температура нагрева подключаемых элементов обычно составляет от 150 до 400 градусов Цельсия.
Известно, что заземление при протекании по нему импульсных токов меняет свою величину, что характеризуется импульсным коэффициентом. Величина этого коэффициента зависит от пробоя грунта и дуговых процессов, возникающих при стекании с заземлителя токов большой амплитуды. Для стержневых заземлителей этот коэффициент имеет в среднем величину порядка 0.8. В то же время у протяжённых заземлителей, обладающих большой индуктивностью, импульсный коэффициент больше единицы. В процессе протекания тока импульсный коэффициент изменяется. Например, если статическое значение сопротивления равно 1 Ому, его динамическое значение во время разряда может изменяться от 0.1 до 8 Ом при пологом
фронте разряда (30 мкс) и от 0.3 до 10 Ом — при коротком фронте (10 мкс). Причём интересно, что при сравнительно длинных фронтах разряда (порядка 20-30 мкс) снижение сопротивления больше, чем при коротких фронтах, что связано с вольтсекундной характеристикой изоляционных свойств грунта. При очень больших длительностях фронта пробой грунта может не возникнуть. Таким образом, разброс значений составляет больше порядка [1 ]. Соответственно меняются потенциалы на защищаемом элементе и распределение токов в системе. Динамика изменений импульсного коэффициента зависит как от амплитуды, так и от формы тока и наличия высокочастотных составляющих. Обеспечив среднее значение импульсного коэффициента порядка 0.8, мы тем не менее не можем гарантировать сохранность защищаемых элементов.
Надёжность работы заземлителя зависит также от его коррозии. Коррозия определяется химическим составом грунта, его удельным сопротивлением и содержанием ионов водорода, величиной стекающего тока, влажностью и температурой. При коррозии происходит непрерывное и неуклонное увеличение сопротивления заземления. В то же время при строительстве обычно обеспечивают выполнение нормы на величину сопротивления заземления а момент сдачи объекта, не принимая во внимание изменение сопротивления с течением времени. В практике принята для снижения сопротивления обработка окружающего пространства с помощью поваренной соли. Эта обработка имеет большой, но кратковременный эффект, и в качестве следствия приводит к коррозионному разрушению, которое сопровождается неуклонным увеличением величины сопротивления заземления. Более надёжной, но дорогостоящей является пропитка пространства вокруг заземлителя гелем, стойким к воздействию воды и температуры. В Соединённых Штатах рекламируется средство для снижения сопротивлений под названием GEM (Ground Enhancing Material), однако его химический состав не сообщается. GEM даёт долгосрочное уменьшение сопротивления электродов на 50-80 % и уменьшение случайных отклонений под воздействием окружающей среды на 60-70%. Удельное сопротивление GEM составляет 0.4 Ом^м, которое по рекламным данным не зависит от температуры.
Скорость коррозии заземления не является постоянной в течение всего срока эксплуатации. С течением времени она замедляется, за первые пять лет скорость коррозии уменьшается примерно в два раза. Уменьшение скорости коррозии происходит приблизительно по экспоненциальному закону:
V(t) = V0(p)*e -°'14t, (1)
где V0(p) — начальная скорость, зависящая от удельного сопротивления грунта р. Значения V0(p) приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения первоначальной скорости коррозии в зависимости от удельного сопротивления грунта
Уд. сопротивление р, Ом м 10 20 100 200 400 800
Скорость коррозии г/(м* год) 800 400 150 50 25 20
Основными доступными и дешёвыми мероприятиями, повышающими срок работы стальных заземлителей, является применение коксовой или графитовой мелочи в пространстве между грунтом и заземлителем. Скорость разрушения материалов обработки под влиянием электролиза значительно меньше, и разрушение электродов заземления резко снизится. Древесный и каменный уголь, кокс, графит и шлак наряду с хорошей проводимостью обладают также высокой гигроскопичностью, что снижает общую величину сопротивления растеканию тока.
Локальные изменения температуры и влажности и других параметров в грунте вблизи контура заземления влияют также на величину коэффициента использования заземлителей. Чтобы уменьшить величину сопротивления заземления прибегают к параллельному включению нескольких одиночных заземлителей (стержней). Однако общее сопротивление снижается не в n раз (где n — число стержней), а значительно меньше, так как стеканию токов с электродов мешают силы отталкивания между токовыми потоками с каждого электрода. Уменьшается действующее поперечное сечение земли, и сопротивление заземление каждого электрода становится больше. Это явление характеризуют коэффициентом использования зазем-лителей. Когда требуется очень малая величина сопротивления заземления, общее число забитых в землю стержней может достигать нескольких десятков и даже сотен, коэффициент использования которых не велик. В таком положении находятся стержни заземлителей, забиваемых под фундаментом дома. Поэтому при создании заземления здания обязательно должен быть оборудован внешний контур заземления за пределами периметра здания. На величину коэффициента использования заземлителя влияет обработка грунта. Например, обработка грунта вокруг заземлителя поваренной солью увеличивает проводимость грунта вокруг электрода, что эквивалентно увеличению радиуса электрода и сокращению расстояния между ними, что в свою очередь ведёт к уменьшению коэффициента использования электродов. Например, при обработке поваренной солью группы из 20 заземлителей коэффициент использования понижается с 0.68 до 0.46, то-есть более чем на треть. При 40 электродах и обработке солью коэффициент использования ухудшается в 2 раза. Величина сопротивления такого заземления определяется главным образом заземлителями, установленными по периметру контура. Интересно, что обработка грунта при импульсах также играет отрицательную роль, так как увеличение диаметра заземли-телей при искровых процессах уменьшает коэффициент использования заземлителей.
Стремление увеличить коэффициент использования приводит к необходимости замены распределённого по поверхности контура на 2-3 глубинных заземлителя. Иногда установка пары глубинных заземлителей оказывается эффективней и дешевле поверхностных многоэлектродных заземлений, особенно в тех случаях, когда нижерасположенные слои земли обладают хорошей проводимостью. И сама система заземления занимает меньше места на поверхности. Правда при большой длине заземлителя и подводящих проводов возрастает роль индуктивности в процессе распространения тока, а также частоты стекающего тока. Глубинные заземлители могут быть двух типов: это может быть вертикальный заземлитель большой длины (15-30 м), а может быть короткий заземлитель , расположенный на большой глубине и соединённый с системой связующим проводом или металлической лентой. Длина заземлителя, особенно в последнем случае, определяется глубиной расположения хорошо проводящей области грунта. Важно отметить, что глубинное заземление меньше всех подвержено колебаниям величины сопротивления рас-
теканию в течении времени. Так как глубинные заземлители обычно выполняются в небольшом количестве, то и коэффициент использования их достаточно высок.
В особо трудном положении находятся заземлители, расположенные в районах вечной мерзлоты. Мёрзлый грунт, хотя и имеет в своём составе до 50%, обладает очень низкой проводимостью. Над мёрзлым грунтом находится оттаивающий летом и осенью действующий слой, толщина которого составляет от 0.5 м до нескольких метров. Этот слой обладает низким удельным сопротивлением, но его величина сильно зависит от температуры на поверхности, наличия растительного покрова и сооружений на поверхности. При том толщина действующего слоя не постоянна во времени: порядка 0.3-0.5 в мае месяце и достигает величины 2.5 метров в сентябре-октябре. Удельное сопротивление глины и суглинка в талом состоянии имеет величину порядка 500 Ом *м и от 2 до 5 тысяч Ом *м в мёрзлом состоянии. Большое влияние на температуру в грунте оказывает также снеговой покров. Слой снега имеет такое же теплоизолирующее значение при промерзании, как слой песка в 2-3 раза большей мощности, так как теплопроводность снега ничтожна. Высота снегового покрова больше определяет температуру почвы, чем среднегодовая температура воздуха. Поэтому при установке заземлений в этих районах иногда желательно как-то управлять температурным режимом области, в которой размещены заземлители. Это касается растительного и снегового покрова и теплоизолирующих покрытий, расположенных над площадкой, где установлено заземление. Иногда даже возможен искусственный подогрев. Железобетонный фундамент часто является основой системы заземления. Удельное сопротивление бетона при изменении температуры от +18°С до -5°С изменяется в несколько раз, а при -30°С в несколько десятков раз. Важным элементом является извилистость пор в бетоне и количество воздушных включений.
Таким образом, сопротивление заземления не является постоянной величиной и подвержено непрерывным изменениям и во времени, и в процессе воздействия внешних полей, что необходимо учитывать при проектировании и строительстве.
Учитывая основную идею нового Руководства МСЭ-Т по заземлениям и соединениям, что система заземления должна создаваться до строительства вместе с фундаментом и продолжаться во время всего строительства и последующего монтажа оборудования, анализ возможного поведения заземлений следует проводить ещё до начала строительства объекта связи в данном месте.
Литература
1. Третья Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов. — Новосибирск, 2008. — 224 с.
2. Алессандро ФД, Юдоон В., Хавелка М. Практическое применение и эффективность материала, улучшающего заземление// Третья Российская конференция по заземляющим устройствам: Сборник докладов. — Новосибирск, 2008. — С. 9-14.
3. МСЭ-Т. Руководство по заземлениям и связующим перемычкам. — 2003.
4. Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. — М.: МЭИ, 2004.
5. Михайлов М.И, Соколов СА. Заземляющие устройства в установках связи. — 1971.
6. Максименко Н.Н. Проектирование заземляющих устройств промышленных комплексов. — Красноярск, Красноярский государственный университет, 1977.
