Применение электролитических заземлителей в грунтах с высоким удельным электрическим сопротивлением

Применение электролитических заземлителей в грунтах с высоким удельным электрическим сопротивлением

Важнейшими техническими задачами энергетики являются: обеспечение безопасности обслуживающего персонала; безаварийная работа электрических систем и установок; молниезащита зданий, различных сооружений и линий связи, в том числе с помощью устройства надежных заземляющих устройств (ЗУ), удовлетворяющих требованиям Правил устройств электроустановок (ПУЭ) в течение всего года.

Рисунок 1. Распространение вечной мерзлоты на территории РФ 

Кроме вечномёрзлых и многолетнемёрзлых грунтов высоким удельным сопротивлением обладает ещё целый ряд грунтов, повсеместно встречающийся на территории России. Наиболее распространённые из них представлены в таблице 1. 

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление грунтов.

При проектировании ЗУ, необходимо также учитывать влияние температуры на проводимость грунта. С уменьшением температуры грунта резко повышается его электрическое сопротивление. Влияние температуры грунта на его сопротивление на примере суглинка представлено в таблице 2. 

Таблица 2. Влияние температуры грунта на его удельное электрическое сопротивление.

Методы снижения удельного электрического сопротивления грунта

Таблица 3. Мероприятия, рекомендуемые при сооружении искусственных заземлителей в районах с большим удельным сопротивлением земли.

Независимо от использования этих мероприятий в первую очередь следует изыскивать возможность использования естественных заземлителей [3].
Схожие по принципу действия мероприятия можно объединить и перечень мероприятий свести к следующим:
- применение глубинных заземлителей, в том числе обсадных труб;
- специальная обработка грунта; 
- устройство заземлителей в деятельном слое грунта;
- вынос заземлителей в подозерный или подрусловый талики (зоны грунта в многолетней мерзлоте, находящиеся в талом состоянии).   

Как показывает практика, каждый из предложенных мероприятий имеет свои недостатки. При сооружении глубинных заземлителей бурится скважина на глубину до тех пор, пока сопротивление заземления бурового инструмента не снизится до требуемого значения. Затем в скважину опускается электрод или устанавливается обсадная труба.

Недостаток устройства вертикальных заземлителей увеличенной длины в том, что в условиях многолетней мерзлоты плохо проводящие мерзлые породы простираются на глубину до сотен метров и низкого значения сопротивления заземления удается достичь либо в результате погружения заземлителя на большую глубину за счет увеличения его длины, либо с выходом на подмерзлотный горизонт талых горных пород. Известны случаи, когда скважины для заземлителей бурились на глубину до 400 м [5].

Специальная обработка грунта подразделяется, в свою очередь, на три метода [6]:
- насыщение грунта легкорастворимыми солями;
- замена части грунта материалом с повышенной проводимостью; 
- введение в грунт слаборастворимых в воде соединений.   

Обработка грунта легкорастворимыми солями понижает температуру его замерзания и, тем самым, препятствуя понижению его проводимости при низких температурах, существенно уменьшает сезонные коэффициенты изменения сопротивления заземления. Легкорастворимые соли, такие как поваренная соль, хлористый кальций, хлористый магний, медный купорос, сода и др., вводятся в грунт либо в твердом виде, либо в виде концентрированного раствора.  

Недостаток этого метода обработки грунта - усиленная коррозия электродов и быстрое вымывание внесенных в грунт солей грунтовыми и талыми водами, требующее частого повторения обработки.

В методе замены некоторого объема грунта проводящим материалом обычно используют суспензии из глины или бентонита. При этом вокруг электрода образуется стабильная коллоидная система, которая в дождь накапливает влагу осадков, а в засуху отдает ее окружающему грунту [5].   Данный метод сопряжён с необходимостью большого объема работ по выемке грунта. Так, в [14] замену грунта рекомендовано производить в пределах круга радиусом не менее 20 метров.   

Третий метод состоит в использовании слаборастворимых в воде проводящих веществ, которые, после введения в грунт, создают в нем нерастворимую в воде и сохраняющую свои свойства продолжительное время проводящую зону. Так, результаты обработки грунта внесением 6 кг слаборастворимого гипса или ангидритогипса на 1 кг грунта сохраняют эффективность до 10 лет. Гигроскопичный гель, образующийся при введении в грунт в начале концентрированного раствора сернокислой меди, затем эквивалентного количества концентрированного раствора железистосинеродистого калия, стоек по отношению к сильным электролитам и нерастворим в воде. Он отличается низким удельным сопротивлением до 2 Ом·м и образует в грунте разветвленную сеть проводящих нитей, обладает влагоудерживающей способностью и не вызывает коррозии электродов [5].   

К недостаткам данного метода можно отнести относительную дороговизну используемых веществ (химикатов), а также повышенную токсичность некоторых компонентов.   Устройство заземлителей в деятельном (поверхностном) слое многолетнемерзлых грунтов, производится заглублением в слой горизонтальных стальных полос или коротких вертикальных стержней. Мощность деятельного слоя в среднем составляет от 1 до 2 метров в песчаных грунтах Крайнего Севера. В глинистых и торфяно-болотных от 0.39 до 1.29 метра. В южных районах мерзлых грунтов глубина деятельного слоя может достигать 2.5-4.5 метров. Сравнительно низкое электрическое сопротивление талых грунтов позволяет обеспечить надежное заземление в летне-осенний период.

Недостаток выполнения заземления в деятельном слое заключается в том, что при промерзании слоя зимой сопротивление заземлителя возрастает во много раз и сохраняется высоким до значительного оттаивания грунта в летний период. Данный метод может быть применён для выполнения молниезащитных заземляющих устройств, поскольку грозовая активность не характерна для зимнего периода времени.

Вынос заземлителя на непромерзающее дно озера, реки или моря в зоне многолетней мерзлоты - это вынос заземлителя в подозерный или подрусловый талики. Соединение заземлителя с заземляемым устройством осуществляется воздушной или кабельной линией, линией из полосовой стали, проложенной в траншее. В качестве заземлителя используют уложенную на дно водоема сетку из проводников, либо плоскую конструкцию в виде гребенки, электродами которой являются как зубья гребенки, так и коллектор этих зубьев в виде лучевой звезды. Исходя из условий непромерзания водоема, выносные заземлители рекомендуют устраивать в водоемах, имеющих поверхность площадью не менее 0,28 кв. км и глубину не менее 2 м [7].  

Недостаток выносных заземлителей - в ограниченных возможностях их выполнения, обусловленных тем, что непромерзающие полностью в зимний период водоемы, а также наличие под ними таликов имеют ограниченное распространение. Выполнение выносных заземлителей экономически целесообразно лишь при наличии непромерзающих полностью водоемов или таликов под ними на небольшом расстоянии от заземляемого объекта. 

Электролитические заземлители

Как видно из описания, предлагаемые в середине прошлого века заземлители для грунтов с высоким удельным сопротивлением имели ряд недостатков. Основными из них являются: громоздкость и сложность конструкции заземлителей, короткий интервал между обработками (просаливанием) грунта, слабая коррозионная стойкость, отсутствие серийного производства заземлителей. При использовании метода частичного замещения грунта вокруг заземлителя на мелкодисперсные низкоомные составы выявлялась проблема его быстрого вымывания.

В настоящее время производителям электролитических заземлителей удалось обойти отмеченные недостатки. Прежде всего – это конструкция заземлителей. В предлагаемых заземлителях для уменьшения сопротивления растеканию тока задействуется сразу два метода дополняющих друг друга, о которых говорилось выше. Во-первых, это обработка грунта электролитом с целью уменьшения его удельного электрического сопротивления. В заземлителях используется не готовый соляной раствор, а сухая смесь солей, что позволяет увеличить по времени процесс выщелачивания и, как результат, увеличить срок службы заземлителя. Во-вторых, частичная замена грунта вокруг электрода на материал оптимизации заземления (МОЗ) с низким удельным электрическим сопротивлением для снижения переходных сопротивлений «заземлитель-грунт». При этом заземлители стали менее громоздки и стали более пригодны для монтажа. Например, произвести монтаж 3-х метрового вертикального или горизонтального электрода вполне под силу одному человеку (рисунок 4). Использование нержавеющей стали или меди для производства заземлителей позволило существенно повысить коррозионную стойкость последних.