ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ
PROTECTIVE EARTHING

Изобретение относится к области энергосбережения в системе электрохимической защиты от коррозии подземных сооружений, электрически связанных с системой защитного заземления, и может быть использовано, например, в нефтяной и газовой промышленности с целью повышения эффективности противокоррозионной защиты объектов промышленных площадок.
Известен заземлитель защитного заземления электрооборудования, выполненный в виде заглубляемого в грунт стержня длиной 2-5 м, диаметром не менее 16 мм из черной стали либо диаметром не менее 12 мм из оцинкованной стали или меди и присоединяемого к общему контуру защитного заземления (Правила устройства электроустановок. Издание седьмое, табл. 1.7.4).
Также известны конструкции заземлителей, выполненные в виде сборок из металлических элементов (патент РФ №89289; патент РФ №103424).
Общим недостатком таких заземлителей является то, что при электрическом соединении заземлителя, с катоднозащищенным объектом, например, по следующей цепи: «заземлитель - электроустановка (например, электрический привод насоса, крана) - гидравлический узел, приводимый в действие электроустановкой (например, насос, кран, задвижка) -катоднозащищаемый объект (например, подземный трубопровод, резервуар)», возникает натекание катодного тока от системы электрохимической защиты катоднозащищаемых объектов на заземлители и в целом на защитное заземление. Это приводит к чрезмерному износу элементов катодной защиты и перерасходу электроэнергии.
Частично задача снижения силы тока катодной защиты, натекающего на заземлители защитных заземлений, может быть решена изготовлением заземлителей из электроотрицательных металлов или покрытых электроотрицательными металлами (например, магнием, цинком, алюминием или их сплавами) (СТО Газпром 9.2-002-2019, п. 4.17; патент РФ №176327).
Заземлитель по патенту РФ №176327, состоящий из отдельных оцинкованных стальных стержней, взят нами за прототип.
Недостатком заземлителя, использующего только покрытия из электроотрицательных материалов, является низкая эффективность снижения негативного влияния на катодную защиту вследствие незначительного смещения потенциала защитного заземления в отрицательную сторону (примерно на 0,3 В при использовании цинкового покрытия), чего недостаточно для обеспечения эффективной катодной защиты объектов.
Задачей изобретения является совершенствование конструкции заземлителей защитных заземлений с целью предупреждения натекания катодного тока на элементы системы заземления, электрически связанные с катоднозащищаемыми объектами.
Технический результат заключается в устранении негативного влияния, оказываемого элементами защитного заземления на параметры электрохимической защиты катоднозащищаемых подземных сооружений и непосредственно на оборудование, снижении потребления электроэнергии станциями катодной защиты, повышении срока службы анодных заземлителей, обеспечении необходимого резерва преобразователей катодной защиты по току и мощности.
Поставленная задача решается тем, что заземлитель защитного заземления, состоящий из заглубляемых в грунт стержней, конструктивно двух или более металлических элементов, покрытых электроотрицательными металлами, дополнительно содержит как минимум одну неметаллическую вставку, установленную между металлическими элементами, внутри неметаллической вставки расположен узел падения напряжения, электрически подключенный к металлическим элементам, между которых установлена неметаллическая вставка, при этом, узел падения напряжения состоит из электрических элементов, обеспечивающих падение напряжения переменного или постоянного тока, таких как одна или несколько пар полупроводниковых диодов, включенных встречно-параллельно, а также электрический конденсатор для снижения сопротивления заземлителя по переменному току, электрически подключенный параллельно узлу падения напряжения.
Защитные заземления, как правило, выполняются из одного или нескольких металлических электродов (заземлителей), обобщено называемых металлическими элементами, представляющих собой электрически соединенные между собой проводниками с применением сварного или резьбового соединения стержни, заглубляемые в грунт. Металлические элементы могут быть выполнены из стали, алюминия, меди, титана и других металлов или сплавов и покрыты электроотрицательными металлами, например цинком, магнием, алюминием.
Электрическое питание электрооборудования, требующего подключения защитного заземления, может выполняться различными источниками тока, поэтому защитное заземление электрооборудования должно функционировать независимо от рода и полярности тока, т.е. как при постоянном токе, так и при переменном токе прямой и обратной полярности.
Узел падения напряжения может быть выполнен с применением полупроводниковых элементов, а также их комбинаций, например, последовательно и параллельно соединенных силовых варисторов, одной или несколько пар полупроводниковых диодов, включенных встречно-параллельно, позволяющих обеспечить снижение сопротивления защитной цепи при превышении предельного напряжения, устанавливаемого на уровне выше требуемого потенциала катодной защиты оборудования.
Сущность изобретения поясняется фиг., где в качестве примера изображен заземляющий электрод, включающий металлические элементы 1, выполненные из оцинкованной стали, неметаллическую вставку 2, выполненную, например, из стеклопластика, узел падения напряжения 3, содержащий полупроводниковые диоды 4, включенные встречно-параллельно и конденсатор 5, параллельно подключенный узлу падения напряжения. При соединении металлических элементов 1 при помощи неметаллической вставки 2, узел падения напряжения 3 соединяет электрическими проводниками 6 металлические элементы 1.
Заземлители могут быть электрически соединены в группы и представлять защитное заземление электроустановок. Заземлители по изобретению, входящие в состав защитного заземления, обеспечивают падение напряжения, препятствующее натеканию постоянного катодного тока на защитное заземление, при этом узел падения напряжения обеспечивает минимальное сопротивление по переменному току, благодаря наличию конденсатора, а диоды обеспечивают стекание тока и снижение напряжения на величину от 5 В до ЗОВ на электроустановке в случае возникновения нештатной ситуации.
Пример.
На территории компрессорной станции защита от коррозии подземных участков технологических трубопроводов и оборудования обеспечивается путем поддержания требуемых защитных потенциалов с использованием установок катодной защиты. При этом энергопотребляющее оборудование подлежит обязательному заземлению, в связи с чем на территории компрессорной станции расположены вертикальные заземлители, объединенные в общую систему путем присоединения к шине защитного заземления.
По результатам электрометрического обследования системы катодной защиты подземных технологических трубопроводов и оборудования выявлен подземный участок газопровода, электрически соединенный с заземляемым энергопотребляющим оборудованием, при этом в зоне установки вертикальных заземлителей защитного заземления наблюдается локальное снижение потенциала «труба-земля» по абсолютной величине, что указывает на опасность возникновения и развития коррозии газопровода по причине натекания существенной доли катодного тока на элементы защитного заземления. Временно разъединяют цепь защитного заземления и измеряют наложенный потенциал «труба-земля», который стал соответствовать требованиям ГОСТ Р 51464-98 и составил минус 1,1 В. Измеренная разность потенциала на концах разрыва цепи - 2,1 В. При этом мощность, потребляемая преобразователями, уменьшилась в 12 раз.
С целью приведения защитного потенциала на данном участке подземного газопровода к нормируемому значению требуется реконструкция заземляющего контура с заменой существующих вертикальных заземляющих элементов (электродов) длиной 1,2 м и диаметром 20 мм на элементы сборной конструкции, состоящие в соответствии с изобретением из трех частей, соединяемых между собой при помощи резьбы: верхняя часть 1 (см. фиг.) выполнена из оцинкованной стали, средняя часть 2 выполнена из неметаллического материала, например, из стекловолокна, нижняя часть 1 выполнена из оцинкованной стали. В полости электродов заземления установлен узел падения напряжения 3, соединяющий металлические элементы корпуса заземлителя защитного заземления 1 при помощи проводников 6. Узел падения напряжения представляет собой сборку полупроводниковых диодов 4, включенных встречно-параллельно, а также электрический конденсатор 5.
С учетом возможных значений силы тока в цепи каждого электрода защитного заземления, а также учитывая диаметр внутренней полости размещения узла падения напряжения порядка 14 мм выбирают диоды 10А10 фирмы Power Semiconductor (Китай), рассчитанные на максимальный ток 10 А и имеющие диаметр 8,6 мм. Для обеспечения падения напряжения более 2,1 В используют четыре пары диодов, включенных встречно-параллельно.
С целью обеспечения минимального сопротивления заземлителя защитного заземления по переменному току в конструкции предусмотрен конденсатор, рассчитанный на рабочее напряжение до 16 В, емкостью 2000 мкФ, который изготовлен из двадцати параллельно подключенных конденсаторов емкостью 100 мкф.
После установки заземлителя защитного заземления выполняются электроизмерения потенциала «труба-земля» и силы тока, натекающего на защитное заземление, по результатам которых устанавливают, что на рассматриваемом участке подземного трубопровода обеспечивается необходимый уровень защиты от коррозии в соответствии с требованиями ГОСТ Р 51164-98. Кроме того, дополнительно контролируют величину сопротивления растеканию тока защитного заземления, которая по показаниям измерителя сопротивления составляет 3,8 Ом, что соответствует требованиям к заземляющим устройствам электроустановок.