Заземление. Что это такое и как его сделать. Часть 3

В этой части я расскажу о современных способах строительства заземлителей, которые обладают достоинствами традиционных способов строительства и лишены их недостатков.

Д. Основные способы строительства

Напомню о достоинствах и недостатках традиционных способов строительства заземлителей, описанных в прошлой части:

Остановился я на общих словах:

В конце двадцатого века было разработано решение, которое обладает достоинствами обоих описанных выше способов, не имея присущих им недостатков.
Кроме того, сильное влияние засоления грунта на снижение сопротивления заземления (п. Г1.5.) настолько привлекло внимание инженеров, что было найдено «лекарство» от недостатков этого метода — вымывания соли из грунта и коррозии электродов. Оно породило очень интересный способ строительства заземлителя, применимый даже там, где пасуют простые металлические электроды — в вечномёрзлых, а также каменистых грунтах.

модульное заземление».

При таком способе строительства заземляющий электрод необходимой длины (глубины) представляет собой сборную конструкцию из нескольких коротких (1,5 метра) стальных штырей-модулей, имеющих небольшие поперечные размеры (диаметр менее 20 мм) с цинковым или медным покрытием, которые соединяются последовательно друг за другом. Для заглубления используется обычный бытовой электрический отбойный молоток с достаточной энергией удара.

Как и в случае «обсадной трубы» (п. Г2) — большая площадь контакта заземлителя с грунтом достигается большой длиной (глубиной) электрода. За счет достижения глубинных слоев грунта, в большинстве случаев имеющх меньшее удельное электрические сопротивление, такой способ имеет большую эффективность (меньшее сопротивление заземления).

Соединение штырей между собой может производится несколькими способами:

• «глухое отверстие + шип». На одной стороне штыря имеется глухое отверстие глубиной 50-70 мм, а на другой стороне — шип длиной 50-70 мм, имеющий диаметр чуть больше паза. При монтаже шип запрессовывается в отверстие.
• «глухое отверстие + штифт + глухое отверстие7. Штырь с обоих сторон имеет глухое отверстие глубиной 50-70 мм. Штифт длиной 100-140 мм используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже он вставляется между штырями и запрессовывается в оба отверстия. Считается весьма ненадежным способом соединения.

• «резьба + муфта + резьба». Штырь с обоих сторон имеет резьбу длиной 50 мм. Муфта, отрезок трубы с внутренней резьбой, используется в виде отдельной дополнительной детали. При монтаже она накручивается на заглубляемый штырь, после чего в нее закручивается следующий штырь. Как показала многолетняя практика — это наиболее надежный способ соединения, позволяющий монтировать сборные заземляющие электроды до 40 метров глубиной с гарантированным сохранением необходимых электрических и антикоррозионных свойств по всех длине. Такая глубина является компромиссом между максимальной энергией удара отбойного молотка, силой трения между монтируемым электродом и грунтом, механической прочностью муфты (её стоимостью). Без увеличения энергии удара невозможно еще большее заглубление электрода из-за силы трения. При увеличении энергии удара необходимо увеличивать прочность муфты, что вызывает увеличение её стоимости.

Окисляется/корродирует прежде всего именно цинк, защищая, таким образом, железо.

Когда вся его масса проучаствует в реакции (окислится) — начнет корродировать сталь.

Достоинства:

• отсутствие необходимости механической защиты покрытия при монтаже. Повреждение целостности покрытия не приводит к последствиям, т.к. цинк всё равно защищает железо, находясь рядом.
• дешевое, налаженное и широко распространенное производство оцинкованных изделий со стандартной для этого материала толщиной покрытия от 5 до 30 мкм («горячее» и «холодное» цинкование)
• антикоррозийная защита не только штырей, но и всех металлоконструкций в зоне действия. Однако эти металлоконструкции чаще всего не нуждаются в такой защите.

Недостатки:

• сравнительно небольшое увеличение срока службы штыря из-за малой толщины покрытия — до 15-25 лет.
• Толстый слой цинкового покрытия имеет высокую стоимость. Кроме того, очень редко встречается производство, имеющее техническую возможность для этого.
• сокращение срока службы штырей в присутствии большого количества металлоконструкций, расположенных рядом с ними

Медное покрытие

В паре «медь-железо» медь является окислителем, а железо — восстановителем/донором. Окисляется/корродирует прежде всего железо, защищая таким образом медь.

Странно... нам необходимо противоположное действие. Но тут кроется особенность электрохимической реакции: она возможна только в присутствии электролита/воды. Если железо изолировать от него, то реакция останавливается.

Поэтому медное покрытие должно быть толстым и однородным для того, чтобы не допустить его глубокого повреждения при монтаже и таким образом не допустить попадания электролита/воды к железу.

При этом положительно сказывается мягкость/пластичность чистой меди: она сильно уменьшает силу трения при сцарапывании, что не позволяет острому элементу в грунте (например, камню) полностью процарапать покрытие по глубине — до стального сердечника. Камень просто скользит по поверхности, снимая небольшой наружный слой. Такое поведение меди можно сравнить с мылом, используемым для снятия застрявшего на пальце кольца.

Достоинства:

• очень большой срок службы омеднённого штыря — до 100 лет (при соблюдении целостности покрытия)

Недостатки:

• необходимость создания покрытия большой толщины (от 200 мкм) для его защиты от глубокого повреждения при монтаже. Такое покрытие дороже более тонкого.
• дорогостоящее и редкое производство омеднённых изделий с большой толщиной покрытия

Моё субъективное мнение
Раз уж добавляем покрытие для защиты от коррозии, то оно должно обеспечивать наиболее долгий срок службы при одинаковой стоимости производства (в сравнении с другими вариантами).
В этой плоскости я считаю, что лучшим выбором являются омеднённые штыри при условии безоговорочного качества покрытия, выраженного в:

• толщине не менее 200 мкм
• высокой адгезии обеспечивающей сохранение защитного слоя при изгибе штыря (иногда встречается при монтаже).

Причём омеднённые штыри гораздо выгоднее оцинкованных из-за высоких цен на изготовление последних при стремлении достигнуть сопоставимый срок службы.

Испытания, проведённые одной из лабораторий экспериментально показали, что срок службы омеднённого штыря с покрытием толщиной 250 мкм в агрессивном грунте (кислом или щелочном) составляет не менее 30 лет, а в обычном суглинке достигнет 100 лет.

Также известно испытание, проведённое с 1910 по 1955 год Национальным Институтом Стандартов и Технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)). Было реализовано обширное исследование подземной коррозии, во время которого 36 500 образцов, представляющих 333 разновидности покрытий из черных и цветных металлов и защитных материалов, подвергались испытанию в 128 местах по всей территории Соединенных Штатов.
Одним из результатов этого исследования стал факт, что штырь заземления, покрытый 254 мкм меди, сохраняет свои технические характеристики в течение более 40 лет в большинстве типов почвы. А стержневые электроды, покрытые 99,06 мкм цинка, в этих же грунтах могут сохранять свои качества лишь в течение 10-15 лет.

Underground corrosion (United States. National Bureau of Standards. Circular 579)
Автор: Melvin Romanoff; Издатель: U.S. Govt. Print. Off., 1957)

Отдельно хочу отметить использование в качестве материала штырей нержавеющей стали. Этот материал имеетзамечательные антикоррозионные свойства в сочетании с отличными механическими характеристиками, облегчающими производство деталей. Его единственный, но перечеркивающий достоинства недостаток — высокая стоимость.

Г2.1).

При увеличении глубины электрода необходимо учитывать, что в однородном грунте сопротивление заземления снижается не пропорционально этому увеличению (больше глубина -> меньше уменьшение сопротивления).

Поэтому при отсутствии на глубине слоев грунта с более низким удельным электрическим сопротивлением стоит рассмотреть вопрос увеличения количества электродов, а не увеличения глубины одиночного электрода. На решение этого вопроса будут влиять и стоимость монтажа дополнительных электродов, и доступность площади для их размещения.

На практике более чем в 70% случаев грунт на глубине более 5 метров имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности.

почти полностью повторяет расчёт одиночного электрода из п. Г2.2. за исключением поперечных размеров — у модульного заземления диаметр электрода не превышает 20 мм.

На примере тридцатиметрового составного электрода из омеднённых штырей диаметром 14 мм, смонтированного в канаве глубиной 0,5 метров. Грунт, в котором будет монтироваться этот электрод, будет для упрощения расчёта однородным суглинком, обычным для России, с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Расчёт проводится в 1 этап.

Сопротивление заземления одиночного вертикального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

R1 составит 4,7 Ом (при p = 100 Ом*м, L = 30 м, d = 0.014 м (14 мм), T = 15.5 м (T — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглубленного электрода)).

Этот результат хуже, чем у электрода, имеющего диаметр 100 мм, но замечу — уменьшение диаметра электрода в 7 раз (700%) вызвало увеличение сопротивления заземления всего на 27%.

Монтаж модульного заземления очень лёгкий и доступен даже девушке.
Штыри забиваются в грунт друг за другом отбойным молотком постепенно увеличивая глубину заземляющего электрода. Отбойный молоток размещается над штырём.
Задачи монтажника: ровно держать молоток над штырём (не «на весу», т.е. молоток своим весом давит не на руки, а на монтируемый штырь) и наращивать электрод — устанавливать следующий штырь над уже заглубленным.

Если монтаж выполняется вне здания то, монтаж модульного заземления/заземлителя производится в канаве небольшой длины и глубиной 0.5 метра в которую также укладывается заземляющий проводник (медный провод или традиционная стальная полоса), идущий до объекта (электрощита).

Если монтаж выполняется внутри здания (в подвале), то монтаж заземлителя производится на уровне пола. Далее медным проводом полученный заземлитель подключается к щиту.

И при использовании стальной полосы и при использовании медного провода для их соединения со штырём в основном используется болтовой зажим из латуни или нержавеющей стали.

Иногда можно встретить способ соединения с помощью экзотермической сварки (смесь горючего материала с медной пылью заливает место контакта проводника и штыря, сваривая их между собой). Но это экзотика.

Подробнее о монтаже резьбовых штырей можно познакомиться на YouTube.

UPD: Отбойный молоток можно взять в аренду на сутки (от 500-700 рублей) или купить почти в любом магазине электроинструмента (от 9-10 т.руб.).

Д2. Электролитическое заземление (для вечномёрзлых или каменистых грунтов)

Напомню об отмеченном в п. Г1.5. методе иногда применяемом для существенного уменьшения сопротивления заземления.

Засоление грунта в месте размещения электродов путем добавления в него большого объема поваренной соли NaCl. При её растворении в грунте (выщелачивании) резко повышается концентрация ионов, участвующих в переносе заряда, а следовательно снижается его (грунта) электрическое сопротивление.

При неоспоримом положительном достоинстве такого метода, а также при его простоте и дешевизне — он имеет два огромных недостатка:

• за счет вымывания соли из грунта (дожди, весеннее таяние снега), концентрация ионов падает до естественного уровня за 2-3 года
• соли вызывают сильную коррозию стали, разрушая электроды и заземляющий проводник за 3-5 лет. Эти недостатки грозят восстановлением заземлителя практически «с нуля».

Нужны были меры противодействия этим недостаткам и ими стали:

• постоянное поддержание концентрации ионов в грунте. Иными словами, их пополнение новыми порциями.
• использование в конструкции материалов, минимально подверженных воздействию соли, и менее агрессивных компонентов этих солей

В итоге было разработано решение, получившее название "электролитическое заземление" (электролит — раствор солей).

Электрод такого типа представляет собой трубу небольшой длины (обычно 2-3 метра) из нержавеющей стали, имеющей почти по всей длине перфорацию. Внутри этой трубы находятся гранулы (не порошок) смеси солей.

Кроме привычного NaCl в смеси присутствуют еще 3 компонента. Состав якобы является секретом производителей, но мы то знаем, как это бывает

Промышленно выпускается два вида труб. В вертикальном исполнении и горизонтальном (в виде повёрнутой буквы «Г» — вот так «I___»).
Такой электрод помещается в грунт: вертикального исполнения — в заранее сделанную скважину необходимой глубины (2,5 — 3,5 метра); горизонтального исполнения — в заранее выкопанную канаву глубиной 0,7 метра длиной 2,5 метра.

Влага из грунта впитывается солями в электроде и выходит в виде раствора (электролита) в этот же грунт, пропитывая его и вызывая уменьшение его удельного электрического сопротивления.
Из-за чего, уменьшается сопротивление заземления электрода (трубы), размещенной в этом грунте.

Т.к. смесь солей находится в гранулах и в её составе присутствует специальная добавка, она не растворяется всем объемом в весеннее время, когда грунт пропитан водой. Таким образом достигается длительный и равномерный выход электролита из электрода, постепенно увеличивающий (а не просто сохраняющий) концентрацию ионов в окружающем грунте. Обычно заводской «заправки» электрода хватает на 15 лет, после чего возможна неоднократная «дозаправка».

Применение в качестве материала трубы из нержавеющей стали и использование менее агрессивной, чем NaCl смеси солей, обеспечивают срок службы «оболочки» такого электрода не менее 50 лет.

могущая представлять опасность для фундамента рядом стоящего здания или дорожного покрытия. Зона талика на поверхности грунта представляет собой овал размером около 3х6 метров. Поэтому в ходе проектных работ необходимо учесть это и отдалить электроды от объектов, могущих быть повреждёнными.

расчёта сопротивления заземления электрода горизонтального исполнения, т.к. это наиболее распространённый на практике вариант, имеющего длину горизонтальной части 2,4 метра и её диаметр 65 мм. Грунт, как обычно, будет однородным суглинком с удельным электрическим сопротивлением 100 Ом*м.

Сопротивление заземления одиночного горизонтального заземляющего электрода вычисляется по формуле:

В случае электрода электролитического заземления к формуле добавляется коэффициент, описывающий концентрацию электролита в грунте около этого электрода:

Коэффициент варьируется от 0,5 до 0,05. Постепенно он уменьшается, т.к. электролит проникает в грунт на бОльший объем, при это повышая свою концентрацию. В обычном грунте он составляет 0,125 через 1-2 месяца выщелачивания солей. Процесс можно ускорить добавлением воды в электрод на заключительной стадии монтажа.

R1 составит 4,14 Ом (при С = 0,125, р = 100 Ом*м, L = 2.4 м, d = 0.065 м (65 мм), T = 0.6 м (Т — расстояние от верхнего уровня грунта до середины заглублённого электрода)).

Отличный результат для одиночного заземлителя размером всего в 2,4 метра!
Но, как всегда, расплата за результат в цене такого электрода... О чём ниже в п. Д2.4. (недостатки).

Монтаж электрода электролитического заземления горизонтального исполнения самый простой из всех встреченных мной способов. По сути это банальное закапывание электрода на небольшую глубину.
Роется канава глубиной 0,7 метра и длиной 2,5 метра. На дно опускается электрод. Используя болтовой зажим, подключается заземляющий проводник. Канава закапывается.

Дополнительно можно залить в горловину электрода литров 5 воды для ускорения процесса выщелачивания.

Д2.1.3.