[05-2024] Заземлители и заземляющие устройства. Нормативные требования

[Admin]

Заземлители и заземляющие устройства. Нормативные требования

Попов Дмитрий Арсентьевич, институт «Гипротранссигналсвязь» - филиал «Росжелдор-проект», главный специалист отдела связи, Санкт-Петербург, Россия
РЯБИЧЕНКО Роман Борисович, Российский университет транспорта, кафедра «Автоматизированные системы и информационные технологии», доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
Ключевые слова: заземляющие устройства, электролитические заземлители, активные (химические) заземляющие электроды, норма сопротивления заземления, удельное сопротивление грунта

Аннотация. Одной из основных проблем при проектировании заземляющих устройств (ЗУ) в грунтах с высоким удельным сопротивлением является создание низкоомного заземляющего устройства. В последнее время широкое распространение получили так называемые активные (химические) заземляющие электроды, обеспечивающие искусственное снижение удельного сопротивления грунта в месте устройства заземлителя. В статье рассмотрены примеры исполнения заземляющих устройств с использованием традиционных заземлителей из металлических уголков на основании действующих в ОАО «РЖД» нормативных требований. Представлены варианты конструкций электролитических заземлителей. Отмечено, что сопротивление ЗУ на базе активных электродов слабо реагирует на изменение сезонных и погодных условий, что представляет собой положительное качество заземляющих электродов. Сравнение значений сопротивлений активных заземляющих электродов и таких же электродов (без солевого раствора), погруженных только в грунтозамещающие смеси, показало, что их коэффициент эффективности со временем находится практически на одном уровне, не превышающем 3,3.

Требования к заземляющим устройствам, защитным проводникам и защитным проводникам уравнивания потенциалов, применяемым для обеспечения безопасности в электроустановках, изложены в ГОСТ Р 50571.5.54-2013/МЭК 60364-5-54:2011 «Электроустановки низковольтные. Часть 5-54. Заземляющие устройства, защитные проводники и защитные проводники уравнивания потенциалов».

В зависимости от требований к электроустановке заземляющие устройства могут быть как общими, так и раздельными для защитных и функциональных целей. Причем защитные цели всегда являются главными.
Минимальные размеры проложенных в земле заземляющих электродов из наиболее распространенных материалов с точки зрения коррозионной и механической стойкости приведены в таблице 54.1 ГОСТ Р 50571.5.54. При этом рекомендованы электроды из стали, замоноличенной в бетон, горячего оцинкования или в медной оболочке с гальваниче
ским медным покрытием, а также нержавеющей стали и меди.
С учетом специфических особенностей и требований к заземляющим устройствам электрифицированного железнодорожного транспорта в ОАО «РЖД» были разработаны и действуют следующие документы: «Инструкция по заземлению устройств на электрифицированных железных дорогах, ЦЭ-191»; ГОСТ Р 58320-2018 «Электроустановки систем тягового электроснабжения железной дороги постоянного тока. Требования к заземлению»; ГОСТ Р 58321-2018 «Электроустановки систем тягового электроснабжения железной дороги переменного тока. Требования к заземлению».
Для унификации решений по проектированию заземляющих устройств электроустановок, зданий и сооружений, систем железнодорожной автоматики и телемеханики, а также железнодорожной электросвязи институтом «Гипротранссигналсвязь» еще в 1989 г. были разработаны «Методические указания по проектированию устройств автоматики, телемеханики и связи на железнодорожном транспорте. Заземляющие устройства сооружений электросвязи и постовых устройств централизации» (И-179-89). В них для различных типов заземлителей и конфигурации их расположения приведены расчеты сопротивления заземляющих устройств в зависимости от удельного сопротивления грунта.
В этом документе в зависимости от заданной нормы сопротивления заземления и удельного сопротивления грунта в табличной форме представлено расчетное количество вертикальных заземлителей при их расположении в ряд или по контуру. Благодаря этому проектировщики освобождены от выполнения рутинных расчетов.
Согласно рекомендациям И-179-89 для обеспечения нормы сопротивления 4 Ом при удельном сопротивлении грунта 250 Ом м потребуется расположить по контуру 44 стальных уголка 50x50x5 мм длиной 2,5 м, а при удельном сопротивлении грунта 500 Ом м уже нужно 100 таких уголков. Однако заземляющие устройства с применением уголковых заземлителей представляют собой довольно металлоемкое сооружение. Для их расположения требуется выделение значительной площади, что не всегда осуществимо в пределах полосы отвода. Идентичные рекомендации по количеству вертикальных заземлителей при их расположении в ряд или по контуру приведены в разделе 12 «Заземление устройств СЦБ» в [1].
Высокая материалоемкость традиционной технологии строительства заземляющих устройств и потребность значительной территории для размещения заземлителей являются главными проблемами для обеспечения заданной нормы сопротивления заземления в грунтах с высоким удельным сопротивлением - более 100 Ом м.

С целью оптимизации строительства заземляющих устройств в грунтах с высоким удельным сопротивлением применяют глубинные вертикальные заземлители длиной 10-15 м, погруженные в предварительно пробуренную скважину, или различные методы искусственного снижения удельного сопротивления грунта в прилегающих к заземлителю слоях грунта. При этом уменьшается количество заземлителей и размеры территории, на которой они должны размещаться. Например, для достижения нормы сопротивления заземляющего устройства 4 Ом при удельном сопротивлении грунта 250 Ом м и использовании вертикальных заземлителей длиной 10 м их количество составит при расположении в ряд 8 шт., а по контуру - 10 шт. Технология строительства глубинных заземлителей не получила широкого распространения, так как для ее реализации требуются специальные буровые установки. Причем даже при глубине скважин в скальных грунтах 25 м не всегда возможно добиться требуемой величины сопротивления заземления 4 Ом.
Наиболее практичным при строительстве заземляющих устройств является способ снижения сопротивления заземления за счет понижения удельного сопротивления грунта небольшой области вокруг заземлителей. Такое снижение достигается либо химическим путем при помощи электролитов, либо укладкой заземлителей в котлованы с насыпным заполнителем с низким удельным сопротивлением (углем, коксом или глиной). Рекомендации по устройству заземлений с грунтом-заполнителем приведены в разделе 12 в [1].
Коэффициенты снижения удельного сопротивления основного грунта К в зависимости от грунта-заполнителя приведены в таблице (использованы данные таблицы 12.11 в [1]). Как следует из таблицы, значение К для различных условий может варьироваться от 1,59 до 5,0.
Рекомендации И-179-89 и ПР 32 ЦШ 10.02-96 по снижению удельного сопротивления грунта при строительстве наружных контуров заземления с применением вертикальных заземлителей, погруженных в котлован диаметром 1,0 м в насыпной заполнитель, или искусственного уменьшения сопротивления заземляющих устройств путем погружения заземлителей в грунт, обработанный солью, не получили должной апробации и нормирования параметров грунтов-заполнителей (за исключением коксовой мелочи).

Технология применения грунта-заполнителя в виде коксовой мелочи, как эффективного решения для снижения удельного сопротивления грунта в месте установки заземлителей, подробно изложена в главе «Расчет сопротивления заземлителей, помещенных в коксовой мелочи» [2]. Удельное сопротивление коксовой мелочи зависит от типа угля, из которого получен кокс, и составляет около 0,22-2,5 Ом м. В расчетной формуле, приведенной в [2], сопротивление заземлителей равно 2,5 Ом м. Коксовая мелочь, используемая при устройстве заземлений в качестве грунта-заполнителя, представляет собой зерна диаметром 10-15 мм (ГОСТ 8935-2020 «Орешек коксовый. Технические условия»),
В настоящее время задача искусственного снижения удельного сопротивления грунта в месте устройства заземлителя решается комплексно с применением активных соляных электродов в составе электролитических электродов-заземлителей, заполненных специальной смесью солей, и грунто-замещением околоэлектродного пространства.
На активные соляные электроды, поставляемые в комплекте с соляным наполнителем и грунтовым катализатором, а также соединительными компонентами, производитель разработал Технические условия (ТУ). Конструктивно электролитические электроды выполнены в виде трубы из нержавеющей стали L-образной формы горизонтального расположения и с перфорацией в горизонтальной части, заполняемой специальной смесью минеральных солей. Смесь солей впитывает воду из окружающей среды, превращаясь в электролит, который проникает в грунт, повышая его электропроводность и понижая удельное сопротивление. Электролитические электроды изготавливаются также и в виде трубы вертикального расположения. Данные типы электролитических электродов требуют контроля заполнения трубы смесью минеральных солей и являются обслуживаемыми, что должно быть указано в соответствующих эксплуатационных документах.
Производители не раскрывают в ТУ составы солевых растворов и смесей активаторов для грун-тозамещения в целях искусственного уменьшения сопротивления заземлителей. Такой «комплексный» подход к формированию ТУ не учитывает требования к исполнению и испытаниям проводящих смесей, нормализующих сопротивления заземлений, установленные ГОСТ Р МЭК 62561-7-2016 «Компоненты системы молниезащиты. Часть 7. Требования к смесям, нормализующим заземление».

Необходимо также учитывать требование п.3.2.3.1 СО-153-34.21.122.2003 «Инструкции по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций», согласно которому во всех случаях, за исключением использования отдельно стоящего молниеотвода, заземлитель молниезащиты совмещается с заземлителями электроустановок и средств связи. При этом электролитические электроды, применяемые в качестве совмещенных заземлителей, должны соответствовать требованиям ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 «Компоненты системы молниезащиты. Часть 2.», а соединительные компоненты - требованиям этого же ГОСТа. Часть 1. Причем соединительные компоненты должны быть испытаны на электрическую прочность импульсом тока молнии 50 (или 100) кА, а также на механическую прочность и старение.
Следует отметить, что производители электролитических активных заземляющих электродов декларируют их высокую эффективность: один активный соляной электрод может заменить до 10 классических заземлителей, достигая десятикратного снижения сопротивления заземления по сравнению с заземляющим электродом тех же габаритов, который монтируется без использования активных (химических) компонентов. Однако это утверждение еще не подтверждено измерениями, опытом строительства и эксплуатации электролитических электродов, погруженных в грунтозамещающие смеси, нормализующие заземление.
Из материалов экспериментальных исследований характеристик активных заземляющих электродов (электролитических электродов, погруженных в грунтозамещающие смеси), выполненных в 2013-2015 гг. и опубликованных в [3], установлено, что их сопротивление почти не реагирует на изменение сезонных и погодных условий, что является положительным качеством. Сравнение значений сопротивлений активных заземляющих электродов и таких же электродов (без солевого раствора), погруженных только в грунтозамещающие смеси, показало, что их коэффициент эффективности находится практически на уровне, не превышающем 3,3.
Наличие солевого раствора во внутреннем объеме активного заземляющего электрода не оказывает существенного влияния на снижение сопротивления заземления, и со временем сопротивление заземления активных электродов с внутренней солевой засыпкой и без нее становится почти равными.
При исследовании ООО «АМНИС» заземляющего электрода в виде стальной полосы 40x4 мм, погруженной в грунтозамещающую смесь (без какой-либо внутренней засыпки химических реагентов), удалось сопротивление заземления такого вида снизить в 1,5-1,7 раза [3]. Этот показатель очень важен с точки зрения экономической целесообразности применения активных электродов в виде трубы из нержавеющей стали с перфорацией и внутренним химическим заполнением.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы и предложения.
Наиболее эффективной технологией для снижения сопротивлений заземляющих устройств в грунтах с высоким удельным сопротивлением является применение заземляющих электродов, погруженных в грунтозамещающие смеси, соответствующие ГОСТ Р МЭК 62561-7-2016 «Компоненты системы молниезащиты. Часть 7. Требования к смесям, нормализующим заземление». Материал смеси должен иметь маркировку с указанием удельного сопротивления и быть химически инертным к грунту, в который вносится.
Порядок допуска к применению ОАО «РЖД» активных (химических) электродов и смесей для грунтозамещения должен соответствовать требованиям ГОСТ 33477-2015 «Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Технические средства железнодорожной инфраструктуры. Порядок разработки, постановки на производство и допуска к применению».

При проектировании неизолированной системы молниезащиты зданий заземлители молниезащиты при их совмещении с заземлителями электроустановок средств автоматики, телемеханики и связи должны соответствовать требованиям к заземляющим электродам, установленным ГОСТ Р МЭК 62561.2-2014 «Компоненты системы молниезащиты. Часть 2. Требования к проводникам и заземляющим электродам». Соединительные компоненты должны соответствовать ГОСТ Р МЭК 62561.1-2014 «Компоненты систем молниезащиты. Часть 1. Требования к соединительным компонентам». Смеси, нормализующие заземление, должны соответствовать ГОСТ Р МЭК 62561-7-2016 «Компоненты системы молниезащиты. Часть 7. Требования к смесям, нормализующим заземление».

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Правила по монтажу устройств СЦБ ПР 32 ЦШ 10.02-96 / НИИЖА МПС РФ. М„ 1997. 165 с.
2. Руководство по проектированию, строительству и эксплуатации заземлений в установках проводной связи и радиотрансляционных узлов. М.: Связь, 1971.88 с.
3. Манасыпов Р.Ф., Корягин И.В., Нигматкулов А.А. Экспериментальные исследования характеристик активных (химических) заземляющих электродов И М Российская конференция по молниезащите. Санкт-Петербург, 17-19 мая 2016 года : сборник докладов. СПб.: Издательство Политетехнического университета, 2016. С. 213-221.