ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве заземлителя для заземления электроустановок.
Заземлитель, как совокупность соединенных между собой проводящих частей (электродов), находящихся в электрическом контакте с землей, используется в целях безопасности и обеспечения нормальной работы электроустановок.
Минимальное сопротивление растеканию электрического тока через заземлитель в землю является основным критерием работоспособности заземлителя.
Наиболее эффективны составные вертикальные заземлители глубинного заложения (погружаемые на глубину до 30 м в зависимости от заданного значения сопротивления заземления и свойств окружающих грунтов), позволяющие достичь заданное сопротивление растеканию электрического тока с минимальными затратами и на ограниченной площади за счет использования более электропроводящих плотных и влажных слоев грунта, залегающих на большой глубине.
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 50571.5.54-2013 [1] для обеспечения долговечности заземляющего устройства материалы и конструкция заземлителей должны быть устойчивыми к коррозии. Для предотвращения коррозии стержней заземления в грунте используют либо нержавеющие материалы, либо эффективные электропроводящие покрытия, покрывающие углеродистую сталь, подверженную коррозии. Из-за высокой цены заземлителей из нержавеющих материалов, которые в 3-4 раза превышают цену стальных заземлителей с покрытием, чаще предпочтение отдают последним.
Наиболее часто используют цинковое электропроводящее антикоррозионное покрытие, наносимое на стальное изделие. При этом в отношении заземлителей в нормах [1] определена минимальная толщина слоя цинкового покрытия, составляющая 45 мкм.
На практике применяют следующие методы получения цинкового покрытия:
Холодное оцинкование. Достигается путем окраски металлоизделий составами с высоким содержанием высокодисперсного цинкового порошка (содержание цинка в готовом покрытии св. 90%). Метод отличается простотой и высокой технологичностью. К недостаткам метода холодного оцинкования следует отнести относительно невысокую стойкость получаемого покрытия к механическим воздействиям.
Гальваническое оцинкование. Технологический процесс этого метода оцинкования заключается в следующем: стальные конструкции, подвергаемые оцинкованию, и цинковые пластины погружаются в ванну с электролитом. Пластины и конструкции подключаются к источнику постоянного тока. Во время электролиза цинковый анод растворяется и оседает на поверхности стального изделия. Недостатком этого метода оцинкования является то, что толщина гальванических покрытий обычно не превышает 20 мкм, что не достаточно для элементов заземления.
Горячее оцинкование. Нанесение цинка осуществляется погружением в ванну с горячим цинком подготовленного стального изделия, на поверхности которого образуется сплав Fe-Zn, обеспечивающий высокие параметры сцепления и стойкости покрытия к механическим воздействиям. Такое покрытие называют горячецинковым.
Термодиффузионное оцинкование. Сущность метода состоит в образовании на поверхности железа цинкового покрытия за счет перехода атомов цинка в паровую фазу и диффузии цинка в железную подложку при температурах от 450 до 600°С; при этом образуется сплав Fe-Zn сложной фазовой структуры, характеризующийся высоким уровнем сцепления и стойкостью покрытия к механическим воздействиям (образивному износу). Такое покрытие называют термодиффузионным цинковым.
Учитывая повышенную истирающую нагрузку на стержень и муфту от грунта во время погружения, в качестве цинкового покрытия заземлителя на практике используются достаточно твердые и имеющие толщину слоя не менее нормированной горячецинковое покрытие и термодиффузионное цинковое покрытие.
Поскольку по определению заземлитель - совокупность проводящих частей, соединенных между собой, требование устойчивости к коррозии в полной мере относится также и к соединениям. Коррозионная стойкость соединений, наряду со стойкостью самого крепежного элемента, во избежание, так называемой контактной коррозии, снижающей проводимость соединения (продукты коррозии металлов в соединении не обладают проводимостью исходных металлов) определяется подбором соответствующих видов контактирующих между собой металлов. На основании [2] допустимость контактов различных металлов устанавливается с учетом разности их собственных потенциалов и вида агрессивной среды.
В зависимости от агрессивности среды и степени опасности возникновения контактной коррозии по табл. 3 [2] устанавливаются «допустимые», «ограниченно допустимые» и «недопустимые» контакты металлов (отмечены в таблице 3 соответственно знаками «+», «×», «-»). Выбор контактов металлов следует проводить по соответствующей табл. 3 [2] из металлов, которые расположены в пределах одной группы. Например, для контакта с цинковым сплавом, покрытием допустимы цинковые же сплавы, покрытия. Напротив, углеродистая сталь не допустима для контакта с цинковыми сплавами, покрытиями.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемой полезной модели является заземлитель фирмы «ИГУР» [3].
Заземлитель (фиг. 1) содержит стальные стержни 1 с защитным цинковым покрытием. На концах стержней нарезана резьба, позволяющая их соединение посредством резьбовой муфты 2 в длинный электрод заземления. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник 3, а на каждый последующий через муфту - стальной оголовок 4, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента. Для погружения последующего стержня оголовок выворачивают из муфты, а вместо оголовка заворачивают следующий стержень, на противоположный конец которого устанавливают муфту с оголовком и т.д. Резьба 5 стальных стержней 1 (фиг. 2) не имеет покрытия, а муфта 2 выполнена из металла, допустимого для контакта со сталью, например латуни или меди, или бронзы, или медно-никелевого сплава, или хромистой стали, или хромоникелевой стали, или титанового сплава, а в область контакта введена электропроводящая антикоррозионная смазка.
Заземлитель ИГУР имеет следующие достоинства.
1. Имея цинковое покрытие, стержень заземления из углеродистой стали обладает коррозионной стойкостью в большинстве грунтовых условий.
2. Резьба стержней не имеет защитного покрытия. Резьба сформирована или расточена уже после оцинкования, что практически оправдано, поскольку, технологически сложно (не возможно) выдержать необходимые параметры (допуски) резьбы при ее оцинковании и обеспечить свинчиваемость деталей резьбового соединения.
Недостатком данного заземлителя является то, что муфта выполнена из дорогих нержавеющих материалов, цена которых в 3-4 раза превышают цену аналогичных элементов из углеродистой стали с защитным цинковым покрытием, что удорожает заземлитель.
Задачей полезной модели является удешевление заземлителя при обеспечении коррозионной стойкости контактного муфтового соединения стержней заземления в грунте (земле).
Поставленная задача решена тем, что заземлитель, состоящий из отдельных стальных стержней с защитным цинковым покрытием, выбранным из группы, включающей горячецинковое покрытие и термодиффузионное цинковое покрытие, с резьбой по концам каждого стержня, позволяющей соединение их по длине посредством резьбовой муфты, причем резьба на стержне не имеет защитного покрытия, согласно полезной модели муфта выполнена из углеродистой стали с антикоррозионным цинковым покрытием, выбранным из группы, включающей горячецинковое покрытие и термодиффузионное цинковое покрытие.
Однако, в соответствии с табл. 3 [2] контакт оцинкованной муфты с углеродистой сталью (металл резьбы стержня) является «недопустимым» контактом (отмечено в таблице 3 знаком «-»). Для исключения этого обстоятельства и обеспечения допустимости контакта, в предлагаемом техническом решении внутренняя резьбовая часть муфты лишена цинкового покрытия, т.е. резьбу муфты формируют или растачивают уже после оцинкования. Таким образом, обеспечивается «допустимый» контакт углеродистой стали резьбы муфты с углеродистой сталью резьбы стержня.
Вместе с тем, сама углеродистая сталь не обладает стойкостью к коррозии. Поэтому для обеспечения коррозионной стойкости контактного соединения приняты следующие дополнительные меры защиты:
изоляция от воздействия внешней среды. Она достигается самой конструкцией муфты, выполненной в виде гильзы, закрывающей собой все соединение, что препятствует проникновению агрессивных агентов к контакту через ее стенки (фиг. 3);
исключение агрессивного воздействия среды при ее проникновении к контакту через зазор в резьбовом соединении муфты со стержнем путем введения в соединение при монтаже специальной электропроводящей антикоррозионной смазки по ГОСТ 10434-82 [4], содержащей ингибиторы. В качестве смазки могут применяться «Суперконт», «Экстраконт» или другие аналогичные составы, используемые для предохранения от коррозии электрических контактов в агрессивных химических средах.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 - общий вид заземлителя в сборе.
На фиг. 2 - контакт двух стержней посредством муфты в разрезе.
На фиг. 3 - общий вид контакта двух стержней посредством муфты
Заземлитель (фиг. 1) содержит стальные стержни 1 с защитным цинковым покрытием, выбранным из группы, включающей горячецинковое покрытие и термодиффузионное цинковое покрытие. На концах стержней нарезана резьба, позволяющая их соединение посредством резьбовой муфты 2 в длинный электрод заземления. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник 3, а на каждый последующий через муфту - стальной оголовок 4, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента. Для погружения последующего стержня оголовок выворачивают из муфты, а вместо оголовка заворачивают следующий стержень, на противоположный конец которого устанавливают муфту с оголовком и т.д. Резьба 5 стальных стержней 1 (фиг. 2) не имеет покрытия, внутренняя резьбовая часть муфты 2 также лишена защитного покрытия, муфта выполнена в виде гильзы, закрывающей собой все соединение (фиг. 3).
При монтаже контактного соединения в него дополнительно вводят электропроводящую антикоррозионную смазку пастообразной консистенции. Соединение заполняют смазкой с избытком. При завинчивании соединения возникающее избыточное давление способствует плотному заполнению зазора в резьбовом соединении между муфтой и стержнем, надежно запирая контактное соединение от воздействия агрессивной среды.
Возможность удешевления заземлителя следует очевидным образом из сущности полезной модели вследствие замены муфт, изготовленных из более дорогих нержавеющих материалов на дешевые муфты, выполненные из углеродистой стали с антикоррозионным цинковым покрытием, выбранным из группы, включающей горячецинковое покрытие и термодиффузионное цинковое покрытие. Возможность обеспечения коррозионной стойкости контактного соединения стержней заземления в грунте подтверждается как ускоренными лабораторными испытаниями в агрессивной среде в течение 28 суток, так и длительными натурными испытаниями образцов заземлителей заявленной конструкции в грунте в течение 5 лет.
Условием нормальной работы заземлителя на протяжении всего срока его службы является неизменность заданного значения его электрического сопротивления. Отказом считают превышение значения сопротивления установленному значению, что является следствием коррозионных процессов, снижающих проводимость соединения, поскольку продукты коррозии металлов в соединении хуже проводят электрический ток в сравнении с исходными металлами.
В ходе проведенных испытаний оценку нормальной работы заземлителя проводили путем сравнения первоначального значения сопротивления (до воздействия агрессивной среды) с повторными значениями, полученными через определенный период времени выдерживания образцов заземлителей в агрессивной среде, а также визуальным осмотром контактных поверхностей после выдерживания в среде.
Полученные результаты испытаний показали неизменность значений сопротивления после длительного выдерживания образцов в агрессивной среде и в натурных грунтовых условиях, а также отсутствие видимых повреждений контактирующих поверхностей, что свидетельствует о коррозионной стойкости контактного (муфтового) соединения и выполнении поставленной задачи полезной модели.
Библиографические данные
1. ГОСТ Р 50571.5.54-2013 Электроустановки низковольтные. Выбор и монтаж электрооборудования. Заземляющие устройства, защитные проводники и проводники уравнивания потенциалов.
2. ГОСТ 9.005-72. Единая система защиты от коррозии и старения. Металлы, сплавы, металлические и неметаллические неорганические покрытия. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами.
3. Патент РФ №89289, (51) МПК H01R 4/66, (22) 18.05.2009, (54) Заземлитель.
4. ГОСТ 10434-82. Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования.