БЕЗЫСКРОВОЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам защиты объектов различного назначения при прямом или близком воздействии молниевых разрядов, электромагнитных импульсов (ЭМИ), коротких замыканий и коммутаций энергооборудования, в частности к средствам молниезащиты промышленных или жилых зданий и сооружений, а также искроопасных объектов энергетики, нефтегазовых, химических, оборонных и других отраслей народного хозяйства.
Известны сосредоточенные заземлители, в которых при нарастании или спаде тока происходят искровые разряды в грунт при высоких напряжениях пробоя, сопровождаемые механическими и акустическими ударными процессами. (Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1987 - 400 с. стр.309).
Недостаток сосредоточенных заземлителей состоит в низкой эффективности и высокой искроопасности по отношению к воздействию импульсов тока и напряжений с высокой скоростью нарастания и большой длительности, что вызывает высокие потенциалы на внешних токоотводах. При этом создаются скользящие вдоль поверхности земли искровые разряды, инициирующие восходящие стримеры в местах ввода токоотвода в заземлитель в грозовых условиях и при воздействии ЭМИ, возникают электрические и механические резонансные явления. Сезонные условия, ударноакустические воздействия, коррозионные процессы на поверхности электродов повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, снижающих площадь соприкосновения с грунтом, в результате чего необходимо создавать разветвленную сеть заземляющих устройств, чтобы обеспечить низкие значения сопротивлений заземления по нормам электробезопасности.
Известна конструкция устройства для молниезащиты (патент РФ №2382464 от 23.01.2009) Молниеотвод содержит металлическую мачту и стержневой молниеприемник. При этом металлическая мачта выполнена в виде конической конструкции с радиусом сечения, уменьшающимся от ее основания к вершине. Металлическая мачта размещена внутри экранирующей оболочки, состоящей из набора тонких металлических проводников, установленных с равным шагом. Радиус окружности, по которой установлены проводники, нарастает от основания оболочки к ее вершине. Верхние концы проводников закреплены в верхней части металлической мачты посредством фланцевого соединения. Фланцевое соединение размещено внутри торообразного электростатического экрана. Стержневой молниеприемник жестко закреплен в центре металлической мачты, а металлическая мачта жестко закреплена на фундаменте. Нижняя часть металлической мачты установлена в емкость с водой. Заземлитель выполнен в виде многолучевой конструкции, сообщенной с емкостью с водой и изготовленной из труб с дренажными отверстиями, позволяющими производить капельный полив грунта.
Недостатком известной конструкции является использование металлических элементов, которые подвергаются коррозионным процессам на поверхности электродов, повышают напряжения пробоя из-за появления неэлектропроводных слоев окислов, воздушных зазоров, что снижает долговечность и уменьшает экономическую эффективность при эксплуатации. Кроме того, данная конструкция имеет ограниченное использование по территориальным признакам, например в условиях вечной мерзлоты, а также в южных районах при температуре грунта выше 30 град С вокруг труб прорастают споры грибов и корни растений.
Потенциальная энергия сжатых проводников после окончания импульса тока разряда будет поддерживать ток, который был до коммутации. При этом на молниеотводе и заземлителе будет действовать напряжение обратного знака амплитудой сотни мегавольт, что недопустимо.
Задачей полезной модели является повышение эффективности защиты от воздействия молниевых разрядов за счет создания условий, препятствующих возникновению нисходящих разрядов и искрообразования при воздействии токов и напряжений импульсов больших значений.
Технический результат заключается в использовании гиперболических остриев, диффузно рассеивающих переменные токи и импульсные токи в воздушные включения и в грунт без искр путем одновременного стекания зарядов со всей поверхности заземляющих элементов, создающих вокруг электрода ионизированную зону, проводимость которой увеличивается по мере ионизации. Затухание токов происходит за счет микроразрядов в засыпной смеси опилок, угля и песка при воздействии импульсов большой длительности. Также затухание токов высокой крутизны нарастания в куполе осуществляется за счет резкого снижения импеданса в обоих направлениях протекания снизу и сверху в эквипотенциальных поверхностях, выполненных по профилю Роговского (Фелиси), снижающих градиенты напряженности ЭМИ. Горизонтальные электроды, снижают подвижность протекания к центральному электроду зарядов, инициированных, например, грозовой тучей в поверхностном первом слое грунта. Плавные изгибы соединений электродов и шин действуют как компенсаторы искровых осцилляции, а также теплового и механического воздействия грунта. Неодинаковая длина горизонтальных лучей, отходящих от центрального вертикального электрода необходима для исключения резонансных явлений, вызванных электрическими ударными воздействиями больших токов молниевых разрядов, ЭМИ, механическими ударами при воздействиях на надземный объект и грунт землетрясений, близких взрывов, ударных волн. Острия покрыты электроположительным веществом типа окиси бария, снижающим работу выхода электронной эмиссии тока с остриев с 20-30 эВ до 2-5 эВ. Одновременное зажигание разряда с остриев, надежное использование всей поверхности электродов устройства создают ионизированное пространство без ударных явлений.
Поставленная задача достигается тем, что безыскровой заземлитель выполнен в виде центрального вертикального электрода, расположенного ниже уровня грунта. Верхняя часть заземлителя выполнена в виде купола и соединена с молниеотводом. Нижняя часть центрального вертикального электрода соединена через лучеобразные горизонтальные электроды с не менее чем двумя заглубленными внешними вертикальными электродами, которые соединены шинами с шиной, образующей контур защищаемой площади, а нижние концы вертикальных электродов имеют вырезанные наружу клинья, расположенные в объеме искропоглощающей смеси. По всей поверхности электродов расположены парные V-образные острия, которые имеют электроположительное проводящее ток покрытие. Горизонтальные лучевые электроды соединены с вертикальными электродами по плавными изгибам (или по гиперболическим кривым), количество которых зависит от высоты объекта и защищаемой площади.
Для каменистых грунтов предлагается конструкция безыскрового заземлителя, выполненного в виде центрального укороченного вертикального электрода, расположенного выше уровня грунта. Верхняя часть заземлителя соединена с молниеотводом, а нижняя его часть соединена с не менее чем тремя горизонтальными электродами по лучевой схеме и уложенными в насыпной грунт, причем нижние концы электродов с вырезанными наружу клиньями, расположены в коробе с искропоглощающей смесью. По всей поверхности электродов расположены парные V-образные острия с электроположительным проводящим ток покрытием. Горизонтальные электроды соединены с вертикальными электродами по плавными изгибам (или по гиперболическим кривым), а их количество зависит от высоты объекта и защищаемой площади.
Сущность технического решения поясняется чертежами. На фигуре 1 показан центральный электрод, а на фигуре 2 показан внешний электрод заземлителя, которые размещены в монтажных колодцах. На фигуре 3 показан план размещения электродов и шин на защищаемой площади.
Безыскровой заземлитель состоит из 1 - центрального вертикального электрода, выполненного в форме трубы с 2 - парными остриями, расположенными на электроде 1. На конце вертикального электрода 1 вырезаны клинья 3, которые расположены в полупроводящем (сыпучем) искроразрядном слое 4. Верхняя часть заземлителя имеет купол 5. Центральный вертикальный электрод 1 может состоять из нескольких частей, т.е. выполненным составным для удобства сборки и установки. Внешние вертикальные электроды 6 располагают в зависимости от защищаемой площади по двух, трех или многолучевой схеме. Заземлитель содержит плоские 7 шины внешнего контура, а также 8 горизонтальные электроды. Верхняя часть заземлителя 9 соединяется с молниеотводом (не показан). Кабели 10 внешнего питания, управления и связи проходят через центральный вертикальный электрод.
Внешние вертикальные электроды 6 соединяют с шинами 7 и с шиной 11 внешнего контура защищаемых объектов 12 (фиг.3). Нижние концы вертикальных электродов 1 и 6 расположены в искроразрядном слое 4, на дне находятся слои 13 токопроводящей (или обычной) глины, Все вертикальные электроды устанавливают в монтажных колодцах 14, либо в коробах (не показано) заземлителей для каменистых грунтов.
Электроды 1, 6 выполнены из трубы омедненной или оцинкованной стали, в которых вырезаны и отогнуты клинья 3. Горизонтальные электроды 8 выполнены из омедненной или оцинкованной стали или меди - трубы или плоской шины, концы их изогнуты по плавным кривым и соединены внешними электродами резьбовыми местами или сваркой. Другим концом электроды 8 приварены к поверхности центрального вертикального электрода 1 или соединены резьбовыми муфтами. По всей поверхности электродов расположены в шахматном порядке концентрическими рядами, отстоящими друг от друга на двойную высоту остриев, парные острия 2, которые могут быть приварены. Верхняя часть центрального вертикального электрода 1 соединяется с молниеотводом выше уровня грунта. Для установки безыскрового заземлителя предварительно подготавливают колодец 14, либо короб. Дно колодца на высоту 0,5 м заполняют слоем 13 токопроводящей глиной, далее засыпают слой полупроводящей 4 смеси примерно 0,25 м. Опускают в подготовленную смесь центральный вертикальный электрод 1 и засыпают нижнюю его часть с клиньями 3 полупроводящей 4 смесью, состоящей например, из некорродируемых металлических опилок, гранулированного угля, и отожженного речного песка. На фигуре 1 и 2 это слой 4, в котором происходит микроискроразрядное затухание энергии импульса большой длительности. Концы уложенных в траншеи горизонтальных электродов 8 соединяют с центральным вертикальным электродом 1 болтами или сваркой, если применяются плоские шины, если трубы - то омедненными резьбовыми. Верхняя часть 5 заземлителя может быть изготовлена, например из медных или из нержавеющей стали прутков в виде изогнутых по эквипотенциальным кривым фигур профилей Роговского (Фелиси), получаем купол 5 диаметром примерно 0,7-1,0 м и высотой около 0,3-0,4 м, поверхности которого функционируют как электростатический экран. Концы этих прутков приваривают к обжимным медным кольцам, вставляют купол 5 в центральный электрод 1 и укрепляют кольца на электроде 1. Заполняют колодец 14 и траншеи с горизонтальными электродами 8 грунтом, смешанным с проводящим глинистым раствором.
Безыскровой заземлитель работает следующим образом.
При прохождении грозового фронта туча обычно индуцирует на поверхности земли в слое 0,1-0,3 метра заряды противоположной полярности нижнего слоя облака и высокую напряженность до 30 кВ/м электрического поля в пространстве «земля-туча».
Под воздействием высокого потенциала на молниеотводе (не показан) индуцированные тучей заряды стягиваются с защищаемой площади через плоские шины 7 к внешним электродам 6, а затем через горизонтальные электроды 8 к центральному электроду 1, создавая эмиссию тока восходящего стримера навстречу стримеру нисходящего разряда. Однако, при протекании тока стягивающих зарядов через горизонтальные электроды 8, с расположенными на них парными остриями 2 большая часть тока стекает в грунт. Эти токи создают цилиндрическую 0,2-0,3 метра ионизированную вверх и 0,6-2,0 метра вниз зону.
Распространение тока ограничено вверх поверхностью земли, в то время как в глубине препятствий к растеканию тока не возникает, т.к. устройство расположено на глубине 0,7-0,9 метров, в грунте, находящимся под потенциалами Земли.
Высокая кривизна гиперболических остроконечных парных остриев 2 вызывает высокую напряженность электрического поля, превышающего работу выхода зарядов с поверхности металла. Происходит электронная эмиссия и ионизация, сначала воздушной прослойки, а потом и грунта по мере повышения импульсного напряжения на горизонтальных электродах 8. При 50-200 вольт возникает тихий разряд, который затем плавно переходит в коронный разряд, в дуговой разряд в грунт, сопровождаемый снижением удельного сопротивления ионизированного пространства окружающего трубы грунта.
Если длина горизонтальной части электродов 8 составляет 6 метров, то на ее поверхности размещается 1000 парных остриев 2 длиной 30 мм или 660 парных остриев длиной 50 мм. Стягивающий ток может составлять 10-50 ампер на каждый горизонтальный электрод 8, что составляет 0,005-0,025 ампер на каждое острие длиной 30 мм, не считая стекания тока с поверхности вертикального электрода и купола 5. Растекание тока с парных остриев 2 не сопровождается искровым пробоем в грунт, вызывающем ударные процессы, уплотняющие грунт. Таким образом, даже при выполнении 4-х лучевой конструкции заземлителя и 10-метровых расстояниях между центральным вертикальным электродом и внешними электродами заземлителя электрических зарядов будет недостаточно, чтобы вызвать восходящий ток лидера (стримера).
8
7
Нижняя поверхность купола 5 эквипотенциальна, поэтому плотность тока, растекающегося по образующим купола, снижается, что препятствует образованию градиента потенциала, вызывающего искровые пробои по поверхности земли или восходящие разряды, что часто является поражающим фактором в натурных условиях (взрывы складов ВВ, пожары жидких и сыпучих горючих веществ). Нисходящий разряд в молниеотводе может составлять от 10 до 70 кА; до 100 кА при большой длительности импульса в положительных разрядах, достигающих 350 мкс, при фронте нарастания 1-10 мкс. Быстродействие парных остриев 2 длиной 50 миллиметров составляет 16 наносекунды при фазовой скорости волны 3×10 м/с и 160 наносекунд при скорости волны 3×10 м/с, что соответствует отсутствию резонансных условий при стекании токов фронта импульса в грунт с горизонтальных электродов 8 и шин 7. Энергия длительности импульса затухает в искроразрядных слоях колодца и траншей в глубину грунта.
Верхняя поверхность купола 5 уменьшает градиент потенциала при переходе нисходящего тока с молниеотвода в заземлитель, за счет снижения плотности тока, снижая условия опасного искрообразования на поверхности земли и при восходящем токе.
Для объектов повышенной искроопасности и где необходимо существенно снизить коэффициент импульса можно дополнительно применить следующее: парные острия 2 покрывают электроположительным проводящим ток веществом, например двуокисью тория (ТhO2), или окисью бария (ВаО), или карбонатами, образующим на поверхности металла игольчатых концов адсорбированный мономолекулярный слой, снижающий работу выхода электронной эмиссии (тока) с гиперболического острия и самого стержня острия в воздух и грунт. Такая технология может обеспечить работы выхода с 20-30 эВ (электрон-вольт) до 2-5 эВ.
В местностях с каменистым грунтом, но не в горах, зарегистрированные значения токов прямых молниевых разрядов составляют от 10 до 40 кА. Поэтому, в каменистых грунтах (в грунтах с высоким удельным сопротивлением) заземлители могут быть выполнены горизонтальными электродами - трубами диаметром Дr=50 мм по трех - четырех лучевой схеме длиной 6-12 метров, отличающимися по длине не менее 1,2-1,5 метров, содержащие парные острия 2, выполненные из медного или нержавеющий стали прутка диаметром 2,5-3,5 мм длиной lr=30-50 мм, уложены на насыпной слой грунта 0,2 метра, один конец горизонтальных электродов 8 изогнут по плавной кривой и соединен с токоотводом на высоте 0,5 метра, другой конец с парными элементами 2, уложенными в коробку 0,4×0,4×0,4 метров без дна, выполненную из оцинкованной стали толщиной 1-1,5 мм, заполненную полупроводящей смесью 50-60% некорродируемых металлических опилок, гранулированного угля и 10% отожженного речного песка, закрытую оцинкованной крышкой, а вся горизонтальная часть электрода 1 засыпана грунтом толщиной не менее 0,3 метра.
Для дальнейшего повышения эффективности заземления объектов большой площади в комплект приведенных устройств могут быть введены дополнительные внешние вертикальные и горизонтальные электроды. Эффективность заземлителя обеспечивается путем применения гиперболических парных остриев, диффузно рассеивающих импульсные токи и высокие амплитуды напряжения во всех фазах молниевых разрядов и ЭМИ, путем безыскровых быстродействующих процессов ионизации грунта, отсутствием искровых пробоев, не сопровождаемых механическими и акустическими воздействиями. Одновременное зажигание разряда с кончиков парных остриев 2, надежное использование всей поверхности электродов устройства в создании ионизированного пространства в отличие от известных конструкций заземлителей.
Все соединения и выводы электродов выполняют по плавным кривым. Недопустимы соединения под прямым углом. Жесткие электроды соединяют резьбовыми муфтами, гибкие - сваркой. Все соединения на каждые 4-6 метров длины имеют изгибы, действующие как компенсаторы теплового и механического воздействия грунта.
Применение в устройстве игольчатых парных элементов 2, микроискроразрядной смеси, электростатического купола позволяет обеспечить следующие характеристики:
6
- разряд токов от единиц микроампер до единиц ампер с каждого острия, т.е динамический диапазон не менее 10 раз;
- задержки начала разряда (предразрядное время) - 10-20 наносекунд (в прототипе единицы микросекунд;
- эффективность использования поверхности электродов - не менее 100 раз;
- ограничение амплитуды импульсных напряжений микросекундной и миллисекундной длительности не более 100-600 вольт, что допустимо нормативными документами для электроцепей 0,4 и 0,22 кВ, для цепей управления и связи;
- существенное снижение удельного импульсного сопротивления заземлителя;
- практически независимый показатель удельного импульсного сопротивления от сезонных условий и характера грунта;
- отсутствие возможности появления восходящих разрядов, искровых разрядов вдоль поверхности грунта;
- отсутствие резонансных явлений в «сосредоточенных» заземлителях, к каким относится и предлагаемое устройство;
- компактность устройства.
Конструкция безыскрового заземлителя найдет массовое применение на объектах высотой Н=50-40 метров (дорезонансной высоты) при 5-ти, 6-ти лучевых схемах, Н=25-40 - при 4-х; Н=15-25 - при 3-х -4-х; Н=10-15 - при 2-х-3-х лучевых схемах. Особенно эффективно работает устройство для одиночных мачт, вышек (например, пограничных, радиорелейных, молниезащитных) дымовых труб, ветростанций, антенн, нефтегазовых, энергетических, оборонных объектов и т.п.), для необслуживаемых объектов. Возможно использование устройства для молниезащиты при доработке заземлителей, действующих в составе искроопасных и взрывопожарных средств, для высотных, зарезонансных, более 100 метров, объектов, чтобы уменьшить возможность восходящих разрядов за счет снижения поступления зарядов, стягиваемых с защищаемой поверхности в молниеотвод объекта.
Низкое искровое сопротивление заземления способствует: снижению (0,1-10 мкс) длительности разряда накопленного в молниеприемнике объемного заряда, накопленной индуктивной и механической энергии в токоотводе и металлоконструкции объекта после первого импульса; уменьшению амплитуды и длительности импульса напряжения обратного знака в системе «молниеприемник-токоотвод-заземление» (МТЗ), возникающего после окончания тока 1-го импульса молниевого разряда; исключения прямых ударов молнии 2-го и последующих импульсов в бок и подножье объекта (на примерах TV башен); ослабление резонансных явлений в элементах МТЗ, при воздействии токов импульса (нисходящего молниевого разряда, ЭМИ) высокой крутизны.
Оптимальный на сегодня уровень знаний при выборе материалов, их покрытий для длительной эксплуатации в коррозионной среде грунта, трактуемой как слабый электролит, без применения химически активных веществ, обеспечит высокую коррозионную совместимость элементов устройства. Применение электролитов в устройствах, действующих в грунте для заземлителей с высокой долговечностью недопустимо по коррозионным (в том числе и для смежных коммуникаций) и экологическим причинам. В вечном мерзлом грунте, из-за подтаивания, электролиты могут вызвать обрушение конструкций. Оцениваемая долговечность предлагаемой конструкции устройства для молниезащиты составляет 25-50 лет в зависимости от агрессивности окружающей среды.
Экономическая эффективность от применения безыскрового заземлителя обеспечивается за счет:
- исключения наземных и подземных искрений, превышающих энергию воспламенения углеводородных фракций;
- исключения возникновения восходящих стримеров при грозе и воздействии ЭМИ;
- снижения в 10-100 раз заноса потенциала импульса по цепям вторичных источников питания, управления и связи при воздействиях молний, коротких замыканий, ЭМИ и коммутаций;
- сокращения количества нормативных проверок сопротивления заземления;
- повышения коррозийной и экологической долговечности;
- снижения затрат на ремонт и обслуживание средств.