Конфликт медного заземлителя с заземляемым оборудованием информационных технологий.
Важно! Применение медных (омедненных) заземлителей, а также заземлителей из нержавеющей стали в системе уравнивания потенциалов оборудования информационных технологий приводит к сбоям в его работе! Все объединяемые элементы системы выполнены из обычной углеродистой, низколегированной стали, подверженной коррозии в естественных условиях и имеют отрицательный стандартный потенциал. Медь же и нержавеющая (хромоникелевая) сталь характеризуются положительным стандартным потенциалом. Согласно ГОСТ 9.005-72 прямой контакт углеродистой, низколегированной стали с медью или нержавеющей сталью не допустим. Единственно возможным материалом заземлителей, соответствующим действующим нормам является сталь, оцинкованная горячим способом.
Согласно нормам, заземляющие устройства обеспечивают нормальную работу информационного оборудования, а также безопасность обслуживающего персонала. Во избежание появления на металлических частях оборудования и конструкций технологического помещения опасных потенциалов должна быть организована система уравнивания потенциалов, которая обеспечивается гальваническим соединением проводящих частей и заземления для достижения равенства их потенциалов. Единая система уравнивания потенциалов и заземляющих устройств (в дальнейшем система) призвана также, обеспечить надежную стабилизацию уровня опорного потенциала (термином «опорный потенциал» обозначают некий стабильный минимальный потенциал, необходимый для устойчивости рабочего сигнала, т.е. для надежной работы оборудования) в пределах всей области установки информационного оборудования.
В рамках системы уравнивания потенциалов объединению подлежат:
- открытые проводящие части корпусов оборудования
- экраны и оболочки (броня) кабелей, навитые из стальных лент или проволоки (включая оптические кабели)
- стальные кабельные несущие конструкции (короба, лотки, тросы)
- металлические трубы водо- и газоснабжения, отопления, вентиляции и канализации
- стальные строительные конструкции
- стальная арматура железобетонных конструкций, которые дополняются проводниками и магистралями уравнивания потенциалов.
Как видно, практически все перечисленные выше объединяемые элементы системы уравнивания потенциалов выполнены из обычной углеродистой, низколегированной стали, подверженной коррозии в естественных условиях.
В процессе дальнейшей эксплуатации системы, как отдельные ее элементы, так и система в целом подвергаются воздействию агрессивных факторов внешней среды (коррозия металлов, коррозия контактных соединений разнородных металлов, воздействие блуждающих токов), которые могут приводить к сбоям в работе оборудования. Наиболее уязвимыми в этой системе являются контакты проводников. Присутствие в системе разнородных контактирующих металлов приводит к ее неустойчивости с возникновением очагов контактной коррозии, лишающей систему непрерывной проводимости необходимого уровня. Так, часто наблюдаемый в практике контакт медного проводника со стальным или оцинкованным стальным крепежом приводит к контактной коррозии с запредельным повышением переходного сопротивления контакта (см. рис. 1).
В данном случае осуществляется прямой контакт углеродистой, низколегированной стали (оцинкованной стали) с медью. Согласно ГОСТ 9.005-72 такой контакт недопустим.
Недопустимость контакта указанных металлов следует из их электрохимических свойств (сталь, цинк – анодные металлы, медь – катодный металл), характеризующихся разностью значений их индивидуальных потенциалов. Мерой индивидуального потенциала для конкретного металла является его стандартный электродный потенциал. Так, по ГОСТ 9.005 цинк имеет отрицательный стандартный потенциал -0,760 В, сталь (железо) – также отрицательный стандартный потенциал -0,430 В. Медь, наоборот, характеризуется положительным потенциалом со значением +0,337 В. При контакте разнородных по своей природе металлов образуется гальваническая пара, приводящая к электро-контактной коррозии. В результате электрохимического взаимодействия контактирующих металлов образуются продукты, электрическая проводимость которых на несколько порядков меньше проводимости металлов в их первоначальном состоянии, следствием чего является запредельное повышение электрического сопротивления контактного соединения.
Дальнейшая непрерывность и устойчивая работоспособность системы будет зависеть от правильного выбора контактирующих металлов и принятия необходимых защитных мер. Коррозия стали в большинстве случаев развивается по электрохимическому механизму. Электрохимическая коррозия, как правило, возникают при положительном (анодном) потенциале в системе. Основной принцип любой электрической защиты заключается в том, чтобы защищаемая проводящая система имела по отношению к земле, а точнее, по отношению к окружающей его среде отрицательный (катодный) потенциал. Отрицательный потенциал в системе гарантирует прекращение выхода тока, а следовательно, и унос, т. е. коррозию металла ее элементов.
На практике наиболее доступными способами электрической защиты (или катодной поляризации) являются использование дополнительно внешних источников тока или так называемой катодной защиты или же протекторной защиты. Катодная поляризация в катодной защите достигается соединением защищаемого элемента с «минусом» внешнего источника тока. Протекторная защита по принципу действия представляет собой разновидность катодной защиты, в которой отсутствует источник внешнего тока. Здесь защищаемый элемент соединяют с электродом, имеющим по сравнению с ним пониженный (более отрицательный) электрохимический потенциал. На этом принципе, например, основано действие защитного цинкового покрытия по стали (как правило, горячее оцинкование), наиболее часто используемого в практике. Аналогичен механизм защиты и от блуждающих токов.
Учитывая, что объединяемые элементы системы уравнивания потенциалов выполнены из обычной углеродистой, низколегированной стали, подверженной коррозии, ее коррозионная устойчивость обеспечивается поддержанием отрицательного потенциала доступными средствами катодной поляризации (катодная или же протекторная защита). При этом существующая система находится в равновесном (пассивном) состоянии.
Теперь о самом заземлении.
Роль заземления в единой системе уравнивания потенциалов состоит в создании того самого, упоминаемого выше, минимального потенциала, необходимого для обеспечения нормальной работы информационного оборудования.
Сегодня отрасль переходит на более эффективные и менее затратные составные (модульные) заземлители, которые практически вытеснили традиционные.
Согласно ГОСТ Р 50571.5.54 в качестве материалов заземляющих электродов рекомендованы сталь, оцинкованная горячим способом, медь, сталь омедненная, а также нержавеющая сталь. Присутствие в нормах одновременно и оцинкованных, и медных (омедненных) электродов заземления обусловлено возможностью выбора тех или иных материалов для разных условий эксплуатации.
Учитывая изложенное выше, в данном случае выбор материала электродов заземления очевиден. Использование меди с ее положительным стандартным потенциалом в электродах заземления, имеющих гальваническую связь с системой уравнивания потенциалов, находящейся под катодной (протекторной) защитой не допустимо, поскольку медь существенно искажает защитный потенциал вплоть до не возможности обеспечения требуемого уровня защиты. Присутствие меди сводит на нет все усилия по поддержанию стабильного состояния системы.
Напротив, применение в качестве заземлителей оцинкованной стали, имеющей отрицательный стандартный потенциал, совпадающий с отрицательным защитным потенциалом, оказывает благоприятное влияние, являясь дополнительным протектором для заземляемых стальных элементов.
Ну, а как насчет заземлителей из нержавеющих (хромоникелевых) сталей? В ряду металлов, сгруппированных по степени возрастания стандартных потенциалов «анод – катод» нержавеющие стали расположены следом за медью, т.е. более катодны, или имеют положительный потенциал с большим значением. Поэтому использование заземлителей из нержавеющих сталей лишь усугубляет рассмотренную выше ситуацию.
В мировой практике известны случаи возникновения серьезных проблем с отказами оборудования от коррозии после установки медных заземлителей, в связи с чем, были приняты дополнительные меры по ограничению их использования в разных отраслях [1, 2].
Именно это обстоятельство имеет в виду Технический циркуляр №11/2006 «О заземляющих электродах и заземляющих проводниках», говоря о следующем: «… при соединении элементов заземляющих устройств, выполненных из различных материалов, следует учитывать возможность возникновения электрохимической коррозии» [3].
Использованные источники
1. Конфликт между медным заземлением и системами катодной защиты (The conflict between copper grounding systems and cathodic protection systems. Earl L. Kirkpatrick, P.E. ELK Engineering Associates, Incorporated 8950 Forum Way Wort Worth, TX 76140-5017 USA).
2. Рекомендации по совместимости заземления и катодной защиты Европейского комитета по катодной защите и связанным покрытиям (Recommendation PCRA 004 October 2005 – Rev. 0 Committee for Cathodic Protection and Associated Coatings).
3. Технический циркуляр №11/2006 «О заземляющих электродах и заземляющих проводниках». Разработан: Ассоциация Росэлектромонтаж. Утвержден: Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору. Дата введения: 16.10.2006. Статус: действует. Дата актуализации: 01.02.2020.