МОДУЛЬНО-СТЕРЖНЕВОЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Полезная модель относится к области электроэнергетики и может быть использована в качестве заземлителя для обеспечения безопасности при эксплуатации электроустановок различного назначения, в том числе технологического оборудования телекоммуникационных объектов, современного цифрового оборудования бизнес-центров, медицинского оборудования и т.п.
Токопроводящие свойства грунта, в который погружают заземляющие устройства, характеризуются, прежде всего, удельным сопротивлением грунта. С целью достижения минимального сопротивления растеканию электрического тока чаще всего используют эффективные в отношении токоотведения более плотные грунты (включая водонасыщенные слои), залегающие преимущественно ниже 10...15 - метровой отметки. При этом применяют заземляющие устройства, погружаемые на соответствующую глубину.
С другой стороны, для обеспечения наибольшей долговечности заземлителей материалы, из которых они изготовлены, и их конструкции должны быть устойчивыми к коррозии. Для предотвращения коррозии в грунте используют либо нержавеющие материалы, либо эффективные токопроводящие покрытия, покрывающие черные металлы. Последние предпочтительнее с точки зрения минимизации соотношения «цена/долговечность».
К наиболее распространенным антикоррозионным металлическим покрытиям для заземляющих устройств относятся покрытия железа или латуни медью или цинком, нанесенных тем или иным промышленным способом (гальваническим, распылением, погружением в расплавленный металл и т.п.).
Известен биметаллический заземляющий электрод по патенту на полезную модель (RU 48112, МПК H01R 4/66, опубл. 10.09.2005 г.), представляющий собой стальной стержень с медным защитным покрытием, полученным методом МИОМ (т.е. натягиванием на стальной стержень медной оболочки), на поверхности которого нанесены рифты. Устройство оснащено заостренной законцовкой, облегчающей погружение устройства в грунт.
Одним из недостатков данного устройства является отсутствие возможности его наращивания по длине, и, как следствие, невозможность использования его в качестве
глубинного заземлителя (как правило, по технологическим причинам стержни заземлителей изготавливаются длиной 1,2-3,0 м).
Известно также устройство заземления по патенту на полезную модель (RU 58266, МПК H01R 4/66, опубл. 10.11.2006 г.), включающее отдельные стальные стержни с медным покрытием, соединительные муфты из электропроводного материала и заостренный наконечник, расположенный на стержне, который первым погружается в почву, при этом по концам каждого стержня выполнены шейки по диаметру меньше диаметра стержня, а в торце каждой шейки имеется отверстие для установки между двумя соседними шейками стального шарика, который по диаметру больше внутреннего диаметра отверстия шейки, при этом соединение заостренного наконечника и установка самого устройства происходит путем прессования.
Данное устройство может устанавливаться на глубину до 30 метров и обладает высокой электропроводностью, однако к его недостаткам следует отнести сложность его конструкции, трудоемкость изготовления (большое количество деталей и операций по их изготовлению), сложность монтажа, невысокую коррозионную стойкость.
Известна модульно-стержневая система заземления, выпускаемая Производственным объединением «ЭнергоЭМС» (производитель оборудования - OOO «ЕЗЕТЕК-Р»), Россия (Каталог фирмы «ЭнергоЭМС» см. по ссылке http://www.energoems.ru/ezetek/grounding.html), представляющая собой совокупность соединенных между собой проводящих стержней, находящихся в электрическом контакте с проводящей средой (грунтом).
В этом устройстве омедненные стержни изготовлены из круглой стали диаметром 14,2 и 17,2 мм, покрытой электролитическим способом медью (чистотой 99,9%) слоем толщиной 0,25 мм. Стержни обладают высокой прочностью и погружаются на глубину до 30 м. При этом стержни изготавливаются длиной 1,2 м или 1,5 м, а между собой они соединяются посредством резьбовых муфт, произведенных из латуни. Для монтажа омедненных стержней используют электромолоток. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник, а на каждый последующий через муфту - стальную головку, воспринимающую нагрузку от ударного инструмента.
Как утверждают производители, медное покрытие стержней обладает высокой адгезией и пластичностью, что позволяет погружать их в грунт без нарушения целостности и отслаивания медного слоя. Кроме того, преимуществом этого
заземлителя является то, что медное покрытие имеет большую электропроводимость по сравнению с цинковым, полученным горячим цинкованием.
Однако данное устройство заземления, так же, как и описанные выше, имеет ряд существенных недостатков. Прежде всего, это сложность и трудоемкость нанесения медного покрытия гальваническим способом, а также большие затраты на производство готовых изделий, включая транспортные расходы на их доставку к месту установки.
К тому же медное покрытие, полученное гальваническим путем, представляет собой однородную, консолидированную, гладкую поверхность, имеющую минимальную (в отличие, например, от пористой поверхности) площадь контакта с окружающим грунтом. По данным нормативной документации (см., например, ГОСТ 9.303-84. «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические», стр.56) медное покрытие рекомендуется применять в качестве технологического подслоя для уменьшения пористости, а для защиты от коррозии как самостоятельное покрытие не рекомендуется из-за низкой коррозионной стойкости.
Кроме того, заземлители с медным покрытием имеют ограниченную область применения. Они не могут быть использованы для заземления оборудования, требующего защиты катодного типа (например, стальные трубопроводы различного назначения), поскольку медное покрытие может явиться причиной гальванического повреждения контактирующих с ним железосодержащих материалов. В таких случаях более целесообразным является использование покрытия на основе цинка, являющегося анодным по отношению к железу.
Известны устройства заземления, выпускаемые немецкой фирмой DEHN+SOHNE (Каталог немецкой фирмы DEHN см. в сети Интернет по ссылке http://www.dehn-ru.com/). Заземлитель выполнен в виде стального стержня длиной 1,5 м и диаметром 20-25 мм с цинковым покрытием, полученным методом горячего цинкования (окунанием в расплав цинка). С одного конца стержень имеет выступающую часть двух типов S и Z, а с другого - полость, размерами и конфигурацией совпадающей с выступающей частью. Для соединения стержней по длине выступающая часть одного стержня забивается в полость другого стержня, обеспечивая жесткое их соединение. Электрический контакт между отдельными стержнями осуществляется через поверхности их сопряжения.
Недостатками данного устройства так же, как и предыдущего, являются большие затраты на производство изделий и сложность нанесения покрытия. Процесс нанесения покрытия предполагает наличие дорогостоящего стационарного оборудования, в частности, ванн с расплавом цинка, оборудования для подъема и перемещения образцов из ванн, а также разогрев цинка до его расплава при высокой температуре порядка 450-620°С. При этом производственное оборудование должно быть размещено на специализированных участках в цехах завода, что неизбежно отдаляет процесс производства заземлителей от потребителей и повышает затраты на транспортировку.
Кроме того, глубина погружения в грунт указанного заземлителя ограничивается 4-5 метрами. При дальнейшем погружении стержней в грунт конструкция жесткого соединения стержней по длине при отсутствии соединительных муфт не обеспечивает надежного электрического контакта между стержнями, что может привести к нарушению контакта из-за его деформации вплоть до разрушения.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является заземлитель по патенту на изобретение (RU 2265930, МПК H01R4/66, опубл. 10.12.2005 г.), представляющий собой модульно-стержневое заземляющее устройство, состоящее из отдельных стальных стержней с электропроводным антикоррозионным цинковым покрытием, с выполненной по концам каждого стержня резьбой, позволяющей соединение их в длинный заземлитель. Соединение стержней обеспечивается с помощью муфты, выполненной из твердого алюминиевого сплава с содержанием меди менее 0,5%, допустимого для электроконтакта с цинковым покрытием стержня. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник, а на каждый последующий через муфту - стальной оголовок, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента.
Известный заземлитель позволяет упростить процесс его изготовления, уменьшить сопротивление растеканию электрического тока и расширить область применения за счет использования в качестве токопроводящего слоя на стержнях покрытия типа ZINGA (см. Проспект бельгийской компании "ZINGA-Metall" в Интернет по ссылке: www.zinga.ru). Покрытие ZINGA - это промышленный продукт, представляющий собой трехкомпонентный жидкий состав, полностью готовый к применению, основой которого является электролитический цинк с размерами частиц 3...5 мкм чистотой 99,995%, причем частицы цинка имеют овальную форму, что позволяет значительно увеличить содержание цинка в покрытии и, соответственно, его
электропроводность, а также улучшает сцепление с поверхностями даже с небольшой шероховатостью.
Второй и третьей составляющими ZINGA являются летучие вещества (ненасыщенные углеводороды) и связующие агенты (нейтральные смолы). В высохшем слое покрытия содержится 96% цинка, что обеспечивает надежную катодную (активную) защиту железа от коррозии путем создания гальванической пары с железом, как и при обычной гальванизации цинком. При этом обеспечивается антикоррозионное покрытие, по характеристикам аналогичное защите, которую дает горячее оцинковывание. В то же время, если горячеоцинкованное покрытие содержит (в зависимости от глубины слоя) от 80 до 85% цинка чистотой до 98%, покрытие ZINGA представляет собой однородный тонкопленочный слой, состоящий из 96% цинка чистотой до 99,995%, защищенного благодаря смолам, присутствующим в его составе, что существенно влияет на защитные характеристики самого покрытия.
Преимуществом покрытия ZINGA является простота его нанесения на поверхность изделий, сравнимая с простотой нанесения краски. Несмотря на высокую плотность и содержание в сухом покрытии 96% чистого цинка, ZINGA в нормальных условиях является жидкостью и, следовательно, может наноситься без какого-либо дополнительного нагрева кистью или покрасочным пистолетом. Оно может наноситься на рабочей площадке, максимально приближенной к потребителю, а не только в цехе, что не требует больших затрат на производство.
К тому же экспериментально установлено, что, поскольку в состав покрытия ZINGA, помимо основного составляющего Zn, входит также летучий растворитель (ароматические углеводороды), испаряющийся во время его высыхания, покрытие ZINGA имеет пористую структуру, то есть более развитую площадь контакта с окружающей средой (грунтом) по сравнению с однородной, гладкой поверхностью, образуемой медным покрытием, нанесенным гальваническим путем, что приводит к увеличению электропроводимости пористого цинкового покрытия до величин, практически сравнимых с электропроводимостью медных покрытий.
В то же время известный заземлитель обладает и рядом существенных недостатков. В частности, покрытие ZINGA характеризуется низкой механической прочностью, не позволяющей сохранять защитные свойства при погружении электрода в грунт. Абразивное воздействие грунта на покрытие снимет значительную часть защитного слоя, содержащего в качестве связующего элемента органические смолы. Частичная потеря защитного покрытия возможна также при транспортировке стержней
заземлителя, при погрузочно-разгрузочных работах и в процессе их хранения, что неизбежно приведет к потере антикоррозионной стойкости изделия.
Кроме того, высокая проводимость покрытия ZINGA обеспечивается большим содержанием в его составе металлического цинка (до 96%). В процессе эксплуатации заземлителя содержание цинка будет уменьшаться вследствие его «вымывания» под воздействием агрессивной среды окружающего грунта, а количество связующих агентов (нейтральных смол) останется прежним. В результате чего переходное сопротивление «заземлитель - грунт» будет возрастать, а электропроводность, соответственно, падать.
Полезная модель решает задачу повышения надежности эксплуатации заземляющего устройства и экономической эффективности его применения. Техническим результатом от использования заявленной полезной модели является повышение механической прочности и коррозионной стойкости устройства при сохранении его высоких электропроводящих свойств и минимального соотношения между стоимостью изготовления устройства и долговечностью его работы.
Для достижения технического результата модульно-стержневое заземляющее устройство, состоящее из отдельных стальных стержней с электропроводящим антикоррозионным покрытием, с резьбой по концам каждого стержня, позволяющей соединение их по длине с помощью муфт, выполненных из материала, допустимого для электроконтакта с покрытием стержней, причем для погружения в грунт первый стержень с одного конца снабжен установленным на него заостренным наконечником, а на противоположном конце каждого последующего стержня установлены последовательно муфта и оголовок, предназначенный для воздействия ударного инструмента, отличающееся тем, что антикоррозионное покрытие стержней выполнено цинковым, нанесенным термодиффузионным способом.
Кроме того, муфты также выполнены из стали и снабжены цинковым покрытием, нанесенным термодиффузионным способом.
Антикоррозионное цинковое покрытие стержней и муфт выполнено толщиной от 0,10 мм до 0,11 мм.
Резьбовые концы соседних стержней установлены в муфте с обеспечением плотного сопряжения их торцевых поверхностей.
Для облегчения сборки устройства наружная поверхность муфты снабжена сетчатым рифлением.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором показан общий вид заявленного устройства.
Модульно-стержневое заземляющее устройство состоит из отдельных стальных стержней 1 с нанесенным на них электропроводящим антикоррозионным покрытием. Для образцов устройства длина стержней составляет, например, 1,2 м или 1,5 м, а их диаметр - 16 мм. На концах стержней 1 накатана резьба, позволяющая соединить их в заземлитель требуемой длины. Соединение стержней обеспечивается с помощью соединительной муфты 2, выполненной из материала, допустимого для электроконтакта с покрытием стержней в соответствии с ГОСТ 9.005-72. «Единая система защиты от коррозии и старения. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами» (см. стр.4, табл.3), например, из стали. В другом варианте изготовления соединительная муфта 2 может быть выполнена латунной или из другого медного сплава, однако, с точки зрения технологичности производства устройства в целом, предпочтительнее муфты из того же материала, что и стержни, т.е. стальные.
На стержни 1 и муфты 2 нанесено антикоррозионное цинковое покрытие, полученное термодиффузионным способом в соответствии с ГОСТ Р 9.316-2006. «Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия термодиффузионные цинковые. Общие требования и методы контроля», обеспечивающее высокую стойкость к коррозии. В зависимости от эксплуатационных условий толщина покрытия может быть выполнена любой в диапазоне 15...150 мкм, однако экспериментально установлено, что для заявленного устройства наиболее оптимальной по соотношению стоимости и качества (прочности) покрытия его толщина должна быть не менее 100 мкм, но не более 110 мкм, т.е. от 0,10 мм до 0,11 мм.
Соединительная муфта 2 имеет внутреннюю резьбу, а размеры ее (длина образованной на концах стержней резьбы, а также длина самой муфты) рассчитаны таким образом, чтобы соседние стержни 1 были плотно установлены в ней с двух сторон, а их резьбовые концы соприкасались друг с другом в ее центре, образуя плотное сопряжение их торцевых поверхностей. При этом обеспечивается надежный электрический контакт между стержнями, а силовые нагрузки, возникающие при забивании стержней в почву, муфте не передаются. Тем самым муфта предохраняет резьбу от коррозии, механических повреждений и инородных включений и обеспечивает надежное токопроводящее соединение стержней на весь срок службы, при этом сама подвергаясь минимальным механическим воздействиям от усилия забивания.
При погружении в грунт на первый стержень 1 с одного конца наворачивают заостренный стальной наконечник 3 из закаленной стали, а на противоположном конце каждого последующего стержня с помощью муфты 2 устанавливают стальной оголовок 4, также изготовленный из закаленной стали, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента.
Для облегчения сборки устройства на внешней поверхности соединительной муфты 2 в средней части нанесено сетчатое рифление 5, например, в виде сплошной накатки или в виде двух кольцевых поверхностей, разделенных промежутком между ними.
Заявленное заземляющее устройство имеет следующие преимущества по сравнению с известными устройствами аналогичного назначения.
1. Выполнение заземляющего устройства в виде модульно-стержневой конструкции с антикоррозийным покрытием.
2
Для устройства модульно-стержневого глубинного заземлителя, в отличие от горизонтально расположенных рассредоточенных заземляющих устройств, с учетом процесса монтажа требуется небольшая площадь под проведение земляных работ (порядка 0,25 м). В соответствии с действующими нормами возможна установка заземляющего устройства на расстоянии 0,8 м от фундамента здания. Тем самым в городских условиях вертикальные заземлители "снимают" проблему необходимости разрушения дорожных покрытий (асфальт, мостовые). При этом технология монтажа модульно-стержневого заземляющего устройства позволяет установку заземляющих устройств в подвалах зданий с высотой потолка от 1,5 м.
2. Антикоррозионное покрытие выполнено термодиффузионным цинкованием. Термодиффузионный метод нанесения покрытия обеспечивает повышение коррозионной стойкости изделий на молекулярном уровне благодаря проникновению атомов цинка в молекулы железа с образованием железоцинковой фазы, что приводит к упрочнению внешнего покрытия и получению однородного протекторного железоцинкового сплава, являясь существенным преимуществом перед антикоррозийным покрытием в виде слоя меди, нанесенной гальваническим способом.
Термодиффузионное цинковое покрытие обладает прочным сцеплением (адгезией) с основным металлом за счет взаимной диффузии железа и цинка в поверхностных интерметаллидных фазах, поэтому не происходит отслаивания и скалывания покрытия при ударах, механических нагрузках и деформациях обработанных изделий.
При монтаже заземляющих устройств в городской черте или в непосредственной близости от строений существует вероятность повреждения антикоррозийного покрытия при прохождении культурного слоя грунта, например, о металлические фрагменты строительных конструкций или стеклянные и керамические осколки. Также представляют опасность острые углы мелких камней, разбиваемых наконечником заземлителя. Для омедненных заземлителей даже мелкие повреждения мягкого слоя меди являются критическими, так как защитные функции покрытия обеспечиваются только непрерывностью покрытия. При повреждении покрытия присутствие меди ускоряет процесс коррозии. Устойчивый к механическим воздействиям слой железоцинкового сплава уменьшает вероятность повреждения, но и при повреждении присутствие цинка значительно сокращает скорость коррозии.
Термодиффузионное цинковое покрытие толщиной не менее 100 мкм обеспечивает как минимум 30-летнюю прочность стержня, погруженного в почву. При этом стальной стержень отличается высоким сопротивлением к механическим нагрузкам, предоставляющим возможность забивания его на большую глубину с помощью вибромолотов.
Кроме того, термодиффузионное цинковое покрытие точно повторяет контуры изделий, оно однородно по толщине на всей поверхности, включая изделия сложной формы и резьбовые соединения, не образует подтеков и сколов, а следовательно, не требует дополнительной обработки и переделки.
3. Особенностью заявленного устройства заземления является то, что конструктивные размеры элементов резьбового соединения концов стержней и соединительных муфт подобраны таким образом, чтобы стержни соприкасались друг с другом в центре муфты, благодаря чему между стержнями обеспечивается надежный электрический контакт, а силовые нагрузки, сопутствующие забиванию стержней в почву, будут передаваться со стержня на стержень, а не на муфту, предохраняя ее от разрушающих механических воздействий.
4. Кроме того, при использовании заявленного устройства благодаря термодиффузионному цинковому покрытию стержней для соединения стержня заземления с заземляющим проводником исключается необходимость использования экзотермической сварки, требующей специального оборудования, что существенно упрощает технологию монтажа и повышает надежность соединения за счет использования обычной электродуговой или газовой сварки.
5. Диаметр стержня в заявленном устройстве составляет 16 мм. Это предоставляет возможность забивать их на глубину до 35 м. Стержни заземлителей иностранного производства, как правило, имеют диаметр 17,2 мм, что увеличивает массу электрода (при забивке соотношение массы электрода и инструмента имеет критический характер) и сопротивление погружению.
6. Относительно высокая стоимость передовых технологий оцинковки заземляемых стержней в сравнении с материалами, используемыми для производства и установки традиционных заземляющих устройств, компенсируется технологичностью процесса и отсутствием затрат на восстановительные работы, а также дорогостоящих мероприятий по защите окружающей среды, необходимых при электролитических технологиях покрытия, что приводит к снижению себестоимости производства заземляющих устройств.
Все перечисленные признаки заявленного устройства подтверждают простоту его сборки, надежность при эксплуатации и экономическую эффективность применения.