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 быстро достичь заданное сопротивление растеканию электрического тока на минимальной площади за счет использования более электропроводящих плотных и влажных слоев грунта, залегающих на большой глубине, что актуально, например, на объектах нефтегазовой отрасли (компрессорные станции, газораспределительные станции, контрольные пункты и т.п.), где одновременно требуется расположить большое количество разных видов заземляющих устройств.
В соответствии с требованиями ГОСТ Р 50571.10-96 [1] для обеспечения долговечности 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 черные металлы. Из-за высокой цены заземлителей из нержавеющих материалов, которые в 3-4 раза превышают цену заземлителей с покрытием, чаще предпочтение отдают последним.
В мировой практике выявились два допустимых типа электропроводящих антикоррозионных покрытий стержней заземления: медное и цинковое (кроме оцинкования гальваническим способом, ввиду не значительной толщины покрытия, получаемого этим методом).
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 потенциалов металлов и вида агрессивной среды. Для изделий, эксплуатируемых в морской и пресной воде (среда, соответствующая условиям эксплуатации заземлителей в грунте), учитывается также соотношение площадей металлов, находящихся в контакте.
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 «+», «×», «-»). Допустимые контакты могут применяться в изделиях без защиты от контактной коррозии. Ограниченно допустимые контакты металлов в морской и пресной воде могут применяться для изделий при условии соблюдения требуемого соотношения анодных и катодных поверхностей в зоне влияния контакта, а также мер защиты от контактной коррозии, например, посредством изоляции контактов от воздействия внешней среды и введением в контактное соединение ингибиторов, препятствующих протеканию коррозионных процессов, что гарантирует коррозионную стойкость контактного соединения в течение всего срока эксплуатации. Выбор контактов металлов следует проводить по соответствующей табл.3 [2] из металлов, которые расположены в пределах одной группы или рядом расположенных групп. Например, для контакта с медным покрытием допустимы латуни и бронзы. Для контакта с цинковым покрытием допустимы цинковые же покрытия, алюминий и алюминиевые сплавы.
Известен заземлитель польской фирмы «GALMAR» [3]. Заземлитель представляет собой стальной омедненный стержень длиной 1,5 м, диаметром 14 мм (фиг.1). Стальной стержень 1 обладает высокой устойчивостью на ударную нагрузку, что обеспечивает глубинное его погружение с помощью специального виброударного инструмента. Медное покрытие имеет толщину 0,25 мм. На концах стержня по меди накатана резьба длиной 30 мм, позволяющая соединение его в длинный электрод заземления. Соединение стержней обеспечивается с помощью муфты 2, выполненной из латуни, допустимой для электроконтакта с медным покрытием стержня в соответствии с табл.3 [2]. 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.
Данный заземлитель обладает следующими достоинствами:
1. Медное покрытие имеет хорошую электропроводимость.
2. Муфта 2 в контакте с омедненной резьбой 5 стержня обеспечивает надежное электропроводящее соединение стержней на весь срок службы (фиг.2). Конструкция заземлителя, имеющего подобные соединительные муфты, позволяет погружать их на большую глубину (до 30 м) без опасения прерывания электрического контакта между отдельными стержнями. Имея больший диаметр по сравнению с диаметром стержня, муфта принимает на себя основную истирающую нагрузку от грунта во время погружения. Благодаря муфте значительно снижается поверхность бокового трения на сами стержни, что и обеспечивает их погружение на большую глубину.
3. Соединение стержней посредством муфты не является жестким. Имеющийся люфт в резьбовом соединении обеспечивает его податливость, допускающую при погружении в грунт некоторый изгиб стержней в месте их соединения без его повреждения и нарушения электропроводимости.
Однако заземлители с медным покрытием имеют ряд ограничений.
1. Медное покрытие может явиться причиной гальванического повреждения контактирующих с ним железосодержащих материалов [4]. По этой причине омедненные заземлители не могут быть использованы вместе с существующими (как правило стальными) заземлителями для приведения их сопротивления к норме в случае его возрастания в процессе эксплуатации (модернизация заземлителя). В этом случае должно быть использовано покрытие на основе цинка, обеспечивающего дополнительную защиту железа от коррозии.
2. Ввиду большого собственного положительного потенциала меди, применение омедненных заземлителей ограничено для заземления оборудования, работающего в схемах с катодной защитой (например, оборудование стальных трубопроводов различного назначения в нефтегазовой отрасли), поскольку потенциал меди искажает создаваемый внешним источником тока дополнительный защитный (отрицательный) потенциал стали.
3. При применении омедненных заземлителей существует опасность интенсивной местной коррозии в случае повреждения медного покрытия. Если такое повреждение произойдет, возникнет очаг коррозии между медью и сталью, и как следствие значительной разности потенциалов и непосредственного контакта между этими металлами, интенсивность коррозии стали возрастет до 4-х раз. Это означает то, что если стальной стержень без медного покрытия, помещенный в грунте, будет функционировать 8 лет, то стержень с поврежденным медным покрытием только около 2 лет. При погружении омедненного стержня в грунт на большую глубину (до 30 м) нельзя исключить возможность случайного местного повреждения медного покрытия из-за воздействия острых твердых фрагментов пород грунта, что не обеспечивает коррозионную стойкость заземлителя.
4. По ГОСТ 9.303 84 [5] медное покрытие как самостоятельное покрытие для защиты от коррозии не рекомендуется из-за низкой коррозионной стойкости.
Известен заземлитель немецкой фирмы DEHN [6].
Заземлитель представляет собой стальной стержень длиной 1,5 м и диаметром 20-25 мм с цинковым покрытием, полученным методом горячего оцинкования (окунанием в расплав цинка) (фиг.3). С одного конца стержень имеет выступающую часть, 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 изначально жесткое их соединение.
Допустимость контакта двух соединяемых металлов по [2] обеспечивается электрической совместимостью их частей, имеющих цинковое покрытие.
Данный заземлитель имеет следующие преимущества по сравнению с упомянутым выше:
1. Цинковое покрытие заземлителей гарантирует активную катодную защиту железосодержащих материалов, контактирующих с заземлителем.
2. Заземлители могут использоваться для заземления оборудования, работающего в схемах с катодной защитой (например, оборудование стальных трубопроводов различного назначения в нефтегазовой отрасли). Более того, защитное цинковое покрытие является дополнительным протектором для защищаемого оборудования.
Недостатком рассматриваемого заземлителя является то, что глубина погружения его ограничена 4-5 метрами. При погружении на большую глубину стойкость соединения стержней между собой посредством вбивания одного стержня в другой не обеспечивается. Изначально жесткое (в натяг) соединение стержней оборачивается серьезными проблемами во время погружения.
Во-первых, при дальнейшем погружении ударные динамические воздействия разрушают изначально жесткое соединение. Один стержень распирает тонкие стенки другого, что приводит к слишком большому люфту в соединении и отсутствию непрерывного электрического контакта между стержнями.
Во-вторых, погружение заземлителей на большую глубину в столь не однородной среде как грунт практически всегда приводит к изгибу всего составного вертикального электрода, что неизбежно вызывает большие механические напряжения в элементах с уменьшенными сечениями и их искривление вплоть до разрушения, что также не обеспечивает стойкость контактного соединения стержней заземления в грунте (земле).
Известен заземлитель российской компании «ЭнергоЭМС» [7].
Конструктивно известный заземлитель схож с заземлителем GALMAR (фиг.1). Заземлитель состоит из стальных стержней 1 с резьбой по концам каждого стержня с последующим нанесением цинкового покрытия. Стержни соединяются между собой посредством муфты, выполненной из оцинкованной стали. Заземлитель также имеет муфту большего диаметра по сравнению с диаметром стержня. При этом, как и в конструкции заземлителей GALMAR, муфта принимает на себя основную истирающую нагрузку от грунта во время погружения, снижая поверхность бокового трения на сами стержни и обеспечивая их погружение на большую глубину.
Недостатком этой конструкции известного заземлителя является то, что оцинкованная стальная муфта не обеспечивает коррозионную стойкость контактного соединения стержней по следующей причине.
Хотя цинковое покрытие муфты допустимо для электроконтакта с цинковым покрытием стержня в соответствии с табл.3 [2], как было сказано выше, муфта принимает на себя основную истирающую нагрузку от грунта во время погружения. На этом основании в подобном соединении муфта может быть изготовлена только из цельной заготовки коррозионностойкого металла (например, латунь) без каких-либо покрытий, поскольку ни одно покрытие не способно противостоять интенсивной истирающей нагрузке от воздействия грунта во время погружения стержней заземлителя. В случае повреждения покрытия, что произойдет без всякого сомнения, начнется процесс коррозии стального элемента. Не защищенная тонкостенная стальная муфта прокорродирует и соединение между отдельными стержнями придет в негодность и, как следствие, электрический контакт между ними нарушится.
Известен заземлитель российской компании «Промсвязьдизайн» [8]. Конструктивно известный заземлитель схож с заземлителем компании «ЭнергоЭМС». Заземлитель состоит из стальных стержней с резьбой по концам каждого стержня с последующим нанесением цинкового покрытия методом термодиффузии. Стержни соединяются между собой посредством муфты, выполненной из стали с тем же термодиффузионным цинковым покрытием.
Поскольку и в этой конструкции известного заземлителя муфта выполнена с покрытием, он имеет те же недостатки, что и заземлитель компании «ЭнергоЭМС».
По технической сущности наиболее близок к предлагаемой полезной модели заземлитель фирмы «ИГУР» [9], выбранный в качестве прототипа.
Конструктивно заземлитель ИГУР схож с заземлителем GALMAR, упоминаемым выше (фиг.1). Однако сами стержни заземлителя 1 и резьба на их концах имеют цинковое покрытие, состоящее из 95-96% чистого цинка, смол и летучего растворителя (так называемое холодное оцинкование). Соединение стержней обеспечивается с помощью резьбовой муфты 2, выполненной из цельной заготовки твердого алюминиевого сплава с содержанием меди менее 0,5%.
Заземлитель ИГУР имеет следующие достоинства.
1. Имея цинковое покрытие, заземлитель имеет широкую область применения, в том числе может использоваться для заземления оборудования, работающего в схемах с катодной защитой (например, стальные трубопроводы различного назначения в нефтегазовой отрасли).
2. Конструкция заземлителя, имеющего соединительные муфты, позволяет погружать их на большую глубину (до 30 м).
Недостатком рассматриваемого заземлителя является то, что муфта, выполненная из алюминия (алюминиевого сплава), хотя и допустима для электроконтакта с цинковым покрытием стержня в соответствии с [2], однако не допускается к использованию в грунте, ввиду низкой коррозионной стойкости [4, 10]. Склонность алюминия к коррозионному растрескиванию в грунтовых условиях приведет к разрушению контактного соединения.
Задачей полезной модели является повышение 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, достигаемым, например, горячим, холодным оцинкованием или методом термодиффузии, с резьбой по концам каждого стержня, позволяющей соединение их по длине посредством муфты, причем при погружении на первый стержень наворачивается заостренный наконечник, а на каждый последующий через муфту - оголовок, согласно полезной модели, резьба стальных стержней не имеет защитного покрытия, муфта выполнена из металла, допустимого для контакта со сталью, например латуни, меди, бронзы, медно-никелевого сплава, хромистой стали, хромоникелевой стали, титанового сплава, а в область контакта введена электропроводящая антикоррозионная смазка.
2
2
В соответствии с табл.3 [2] контакт углеродистой стали (анод) с вышеперечисленными металлами (катод) является "ограниченно допустимым" (отмечен в таблице знаком «×») при условии, что площадь поверхности анода (материал стержня заземлителя) не менее, чем в 8 раз превышает площадь поверхности катода (соединительной муфты). Это условие выполняется. Так, площадь поверхности стержня заземлителя составляет 754 см, площадь поверхности соединительной муфты - 48 см.
Для данного типа контакта дополнительно приняты следующие меры защиты от контактной коррозии:
- 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;
- уменьшение агрессивного воздействия среды в случае возможного ее проникновения к контакту, например, через зазор между муфтой и резьбой стержня, что достигается введением в соединение при монтаже специальной электропроводящей антикоррозионной смазки по ГОСТ 10434-82 [11], изм. №3, содержащей ингибиторы коррозии. 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 представлен общий вид заземлителя в сборе.
На фиг.2 - контакт двух стержней посредством соединительной муфты.
Заземпитель (фиг.1) содержит стальные стержни 1 с защитным цинковым покрытием. На концах стержней нарезана резьба, позволяющая их соединение посредством 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.
Резьба 5 стальных стержней 1 (фиг.2) не имеет покрытия, а муфта 2 выполнена из материала, допустимого для контакта со сталью в виде гильзы, закрывающей собой все соединение. 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 между муфтой и резьбой стержня, надежно запирая контактное соединение от воздействия агрессивной среды.
Возможность осуществления полезной модели с получением заявленного технического результата подтверждается как ускоренными лабораторными, так и длительными натурными испытаниями образцов заземлителей заявленной конструкции (см. прилагаемые протоколы испытаний №1 от 21.10.2008 г. и №2 от 02.03.2009 г.).
Как отмечалось выше, заземлитель характеризуется минимальным сопротивлением растеканию электрического тока в землю. 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, являясь неметаллами, 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.
Полученные результаты испытаний демонстрируют неизменность значений сопротивления после длительного выдерживания образцов в агрессивной среде, что свидетельствует о коррозионной стойкости контактного (муфтового) соединения и выполнении поставленной задачи полезной модели.
Приложения:
1. Протокол №1 испытания образцов заземлителей на длительное воздействие грунтов в натуральных условиях - на 2 листах.
2. Протокол №2 испытания образцов заземлителей в лабораторных условиях - на 4 листах.
Библиографические данные
1. ГОСТ Р 50571.10-96 (МЭК364.5.54.80). Заземляющие устройства и защитные проводники.
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. Каталог польской фирмы GALMAR Marciniak, адрес в Интернете: www.galmar.pl.
4. International Standard IEC 61024-1-2. (Стандарт международной электротехнической комиссии).
5. ГОСТ 9.303 84. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические.
6. Каталог немецкой фирмы DEHN в Польше, адрес в Интернете:
www.dehn.pl.
7. Страница ООО «ЭнергоЭМС» в Интернете: http://www.energoems.ru/ezetek/ocinkovka.html.
8. Страница ООО «Промсвязьдизайн» в Интернете: http://www.promsd.ru/catalog_details.php?id=50.
7
9. Патент RU 2265930 C2, МПК Н01R 4/66, (22) 11.12.2003 г., (54) Заземлитель.
10. Правила устройства электроустановок (ПУЭ) 7-е издание.
11. ГОСТ 10434-82. Соединения контактные электрические. Классификация. Общие технические требования.