Калькулятор

 

Пояснение к методике расчета.

Возрастающая потребность в реконструкции (восстановлении) существующих заземляющих устройств (ЗУ) в немалой степени вызвана накоплением их отказов преимущественно из-за применения в течение длительного периода времени в качестве материала заземлителей обычной черной стали (углеродистая и низколегированная сталь, подверженная коррозии), не обладающей стойкостью к естественным коррозионным процессам, происходящим в грунте (почвенная коррозия, последствия воздействия блуждающих токов …) .

Особую актуальность эта проблема приобретает также в связи с пересмотром Указаний по подготовке рабочих мест и допуску к работам под наведенным напряжением на ВЛ с учетом значения его безопасного уровня 25 В, что в ряде случаев требует специального заземления с низким значением сопротивления. Большинство существующих ЗУ не соответствует новым требованиям.

Как правило, восстановление производят посредством погружения в землю дополнительных вертикальных и горизонтальных электродов заземления, не пренебрегая вкладом существующего ЗУ.

Из-за весьма низкой эффективности стандартных вертикальных заземлителей (электроды из проката черного металла, погружаемые на ограниченную глубину в поверхностные слои грунта) глубиной 2,5 – 5 м процесс восстановления существующих ЗУ является чрезвычайно трудоемким, затратным и не всегда выполнимым.

Указанная проблема восстановления ЗУ или приведения их сопротивления к новым минимальным значениям может быть успешно решена с минимальными затратами путем применения вертикальных составных глубинных заземлителей «ИГУР», способных достигать более плотных и, как правило, водонасыщенных нижележащих слоев грунтов с низким удельным сопротивлением (например, для сравнения, эквивалентное удельное сопротивление земли на отметке 2,5 м составляет 446 Ом м и 52 Ом м – на глубине 15-20 м).

В условиях, когда известно лишь реальное сопротивление существующего ЗУ и отсутствует достоверная информация об удельном сопротивлении грунтов на площадке производства работ, затруднен расчет ресурсов, необходимых для восстановления ЗУ.

Предприятием «ИГУР» предложена методика, позволяющая рассчитать число дополнительных элементов заземления, не прибегая к каким-либо затратам, связанным с замером удельного сопротивления грунта в месте проведения работ.
Для этого используется метод пробного зондирования с применением вертикальных составных глубинных электродов заземления «ИГУР».

Сущность метода состоит в том, что на площадке восстанавливаемого ЗУ погружают первый (пробный) вертикальный глубинный электрод. По мере погружения электрода замеряют его сопротивление.
Окончательное значение сопротивления электрода заземления принимают на глубине погружения, при которой существенно замедляется падение сопротивления. Оптимальной принимают глубину погружения 20 м. В последующем пробный электрод включают в работу заземляющего устройства, объединив его с другими электродами.

Таким образом, измеренная величина сопротивления пробного вертикального электрода заземления при известной глубине погружения, дает представление об эквивалентном удельном сопротивлении грунта в месте производства работ. Затем, принимая во внимание значения требуемого (заданного) сопротивления ЗУ, а также измеренных значений существующего заземляющего устройства, включая естественные и искусственный заземлители, требующие модернизации и пробного вертикального электрода, расчетным путем по известным зависимостям вычисляют необходимое дополнительное количество вертикальных глубинных электродов N. Для предварительных расчетов вкладом горизонтального электрода заземления пренебрегают.

Особенностью методики является необходимость размещения первого пробного электрода заземления вне существующего ЗУ и отнесения его на достаточно большое расстояние во избежание их взаимного влияния, снижающего эффективность дополнительных электродов заземления.

При параллельном соединении единичных заземлителей имеет место эффект их взаимного экранирования, который сказывается в том, что общее сопротивление заземления уменьшается не пропорционально числу заземлителей соединенных параллельно, а несколько меньше. Эффект экранирования сказывается тем больше, чем ближе друг к другу будут расположены единичные заземлители с учетом глубины их погружения H. Таким образом, существует некое оптимальное расстояние L, при котором эффект экранирования минимальный.

В случае необходимости, обусловленной реальными условиями площадки, допускается уменьшение расстояния L. При этом для отражения в расчете уменьшения действительной проводимости заземлителя вводится коэффициент использования проводимости заземлителей К.
К=1,4 для 0,5<L/H<1
К=1,2 для 1<L/H<5
К=1,0 для L/H≥5,

где L – расстояние между единичными заземлителями,
H – глубина погружения вертикального глубинного электрода

Описание методики расчета

1. Определить требуемое (заданное) нормированное значение сопротивления заземляющего устройства «R».
2. Замерить сопротивление существующего заземляющего устройства «R1», включая естественные и искусственный заземлители, требующие модернизации.
3. Забить первый (пробный) вертикальный электрод заземления глубиной 20 м (комплект из 13 стержней длиной 1,5 м, соединенных между собой посредством муфт), отступив по возможности на расчетное расстояние L от существующего заземлителя и замерить его сопротивление «R2».
4. Рассчитать полученное результирующее сопротивление заземляющего устройства «Rр» с учетом забитого пробного вертикального электрода и существующего заземлителя.
5. Сравнить расчетное значение «Rр» с требуемым нормированным значением сопротивления «R»: если Rр ≤ R – закончить расчет,
если Rр > R – продолжить расчет.
6. Проверить результаты расчета замером сопротивления, объединив вместе существующий заземлитель и пробный вертикальный электрод.
7. Рассчитать необходимое сопротивление «R3» дополнительного заземлителя (помимо первого пробного электрода), достаточное для приведения заземляющего устройства к норме.
8. Рассчитать необходимое количество вертикальных глубинных электродов заземления «N», дополнительно необходимых для приведения заземляющего устройства к норме. При получении значения «N» в виде дробного числа необходимо забить количество электродов, соответствующее целой его части и начать забивать следующий вертикальный электрод до достижения требуемого значения сопротивления ЗУ. Например, расчетное количество дополнительных глубинных электродов составляет N = 2,4. Требуется дополнительно забить 2 электрода и начать забивать третий.
9. Проверить результаты расчета замером сопротивления, объединив вместе все элементы заземляющего устройства. В случае необходимости продолжить погружение дополнительных стержней до доведения сопротивления ЗУ до заданных параметров.

Описанный выше расчет реализован в компьютерной программе и представлен здесь в форме калькулятора.

Особое внимание следует обратить на правильность проведения измерения сопротивления столь протяженных контуров заземления. Измерительные электроды необходимо устанавливать вне заземляющего устройства на территории, свободной от линий электропередач и подземных коммуникаций (трубопроводы, кабели с металлической оболочкой и броней и прочие металлоконструкции, имеющие связь с испытуемым заземлителем), т.к. их влияние приводит к искажению результатов измерения.

Основная погрешность измерения обусловлена взаимным влиянием измерительных электродов и заземлителя (о взаимном влиянии единичных заземлителей упоминалось выше). В зависимости от конфигурации и размеров ЗУ, близкое к действительному значение сопротивления может быть получено при определенном соотношении расстояний от испытуемого заземлителя до измерительных электродов. Измерительные электроды рекомендуется размещать на одной линии: токовый электрод Rт на расстоянии ≥ 5D от края заземляющего устройства, а потенциальный Rп – в первом приближении – на половине этого расстояния. При этом D является большей диагональю нового, окончательно построенного контура.
Распечатать.

 

 

На запросы наших клиентов относительно правомерности применения омедненных стержней заземления в контакте с оцинкованной полосой сообщаем следующее.

Как известно, в состав заземляющего устройства входят вертикальные и горизонтальные электроды заземления, соединяемые между собой. Надежность этого соединения имеет решающее значение для обеспечения непрерывности электрической цепи заземления.

В настоящее время в практике устройства заземления в РБ в качестве горизонтальных электродов заземления широко используется стальная оцинкованная полоса.

Поставщиков омедненных стержней заземления, предлагающих их применение совместно с оцинкованной полосой,  совершенно не заботит то обстоятельство, что цинк и медь существенно отличаются по своим электрохимическим свойствам. Так, цинк является анодным металлом, который в коррозионной паре имеет отрицательный потенциал. Медь – это катодный металл, имеющий в коррозионной паре положительный потенциал.  Прямой контакт между этими металлами недопустим из-за опасности контактной коррозии.

Важно отметить, что поврежденное в результате коррозии соединение не обеспечивает установленное минимальное переходное сопротивление электрического контакта, поскольку продукты коррозии контактирующих металлов не обладают электрической проводимостью, характерной для их первоначального состояния.

Как выход из этой ситуации поставщики омедненных стержней заземления предлагают усовершенствовать зажим для соединения разнородных металлов путем введения в него перегородки, выполненной из латуни или из нержавеющей стали. Таким образом возникают следующие цепочки контактирующих металлов: в первом случае «цинк – латунь – медь», во втором – «цинк – нержавеющая сталь – медь».

Давайте разберемся.

Напомним, что общие требования к допустимости контактов разнородных в электрохимическом отношении металлов устанавливает ГОСТ 9.005. «Металлы, сплавы, металлические и неметаллические покрытия. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами».

В соответствии с требованиями стандарта во вновь образованных контактных цепочках контакты «цинк – латунь» и «цинк – нержавеющая сталь» также не допустимы.

Из выше изложенного следует, что введение дополнительных перегородок в зажим для соединения разнородных в электрохимическом отношении металлов не меняет ситуацию и контакт «цинк – перегородка – медь» остается недопустимым.

     Что же делать?

Использовать стальную оцинкованную полосу с оцинкованными вертикальными электродами заземления. Омедненные же вертикальные заземляющие электроды следует использовать с медной (омедненной) полосой, что и делают наши европейские коллеги.  Правда в последнем случае значительно возрастает стоимость заземляющего устройства.

На запросы наших клиентов относительно правомерности применения в качестве глубинных, составных заземлителей с соединением отдельных стержней посредством вбивания одного стержня в другой, сообщаем следующее.

Напоминаем, что немецкие производители заземлителей DEHN и OBO-Bettermann используют способ соединения отдельных стержней, где один конец стержня имеет выступающую часть, а другой – углубление соответствующей формы и размера (см. рис.).

При погружении выступающая часть входит в натяг в углубление.
Из практики известно, что подобные стержни используются только для поверхностного заземления (на глубину до 5 м), преимущественно для целей молниезащиты. Попытка погружения данных стержней на глубину более 5 м приводит к повреждению тонких стенок углубления и искривлению (вплоть до разрушения) выступающей части, имеющей уменьшенное сечение в сравнении с сечением стержня, что не обеспечивает непрерывный электроконтакт между отдельными стержнями.
По мнению самих производителей, оптимальное количество погружаемых в грунт стержней заземления с подобной конструкцией соединения – не более 3-х.
Мнение производителей стержней заземления:

[youtube id=ZZHe9XNZ8-s width=600 height=390 ]

* видео взято с сайта youtube.com

Глубинный заземлитель «ИГУР» – первый из отечественных заземлителей, получивший подтверждение аккредитованного испытательного центра на соответствие технических параметров требованиям ТКП 339-2011(02230) «Электроустановки на напряжение до 750 кВ. Правила устройства и защитные меры электробезопасности». (Приказ ГПО «Белэнерго» от 23 августа 2011 г., взамен ПУЭ 6-е изд).

 

В строительной практике Беларуси нашли широкое применение составные заземлители, способные погружаться на глубину от 1,5 до 20 м и позволяющие с минимальными затратами и на ограниченной площади достичь нормируемое значение сопротивления заземления за счет использования для растекания тока более плотных и водонасыщенных глубинных слоев грунта, имеющих малое удельное сопротивление. Объем реализации таких стержней заземления составляет тысячи штук ежемесячно.
В ноябре-декабре текущего года в РБ приняты официальные нормативные документы, имеющие прямое отношение к заземлителям …

Полная статья:

открыть!

Производимый предприятием «ИГУР» вертикальный составной глубинный заземлитель, способный погружаться на глубину порядка 20 м, позволяет быстро, с минимальными затратами и на ограниченной площади достичь нормируемое значение сопротивления заземления за счет использования для растекания тока более плотных и водонасыщенных глубинных слоев грунта, имеющих малое удельное сопротивление.

Экономическая выгода использования глубинных заземлителей очевидна и легко доказывается простыми сравнительными расчетами.

Безусловно, стоимость специально изготовленного индустриальным способом стержня глубинного заземления, имеющего антикоррозионное покрытие, дороже куска ржавой арматуры или уголка такой же длины. Однако, не стоит делать вывод о стоимости всего заземления только лишь на основе сравнения стоимости материалов, что кстати иногда делают отдельные специалисты, не вникающие глубоко в суть вопроса. Стоимость материалов здесь не является определяющей. Более весомая  составляющая – затраты на строительно-монтажные работы.

 

Предлагаем на примере реального проекта оценить преимущества глубинного заземления и опровергнуть ошибочное мнение о более дешевом заземлении, выполненном на основе традиционных вертикальных электродов из обычной черной стали, погружаемых на ограниченную глубину (2, 5 – 5 м).

Так, одной из проектных групп запроектирован контур заземления медицинского оборудования поликлиники сопротивлением R_з ≤ 2 Ом.

Ссылаясь на более дешевый материал в сравнении с глубинными электродами, в качестве вертикальных электродов заземления проектировщиками приняты стержни из обычной черной стали  Ø 12 мм. Идя навстречу пожеланиям монтажной организации, испытывающей затруднения с погружением цельных стальных стержней на глубину 5 м, принята глубина погружения стержней 2,5 м.

Всего для достижения нормированного сопротивления заземления проектом предусмотрено 42 вертикальных электрода, погружаемых на глубину 2,5 м и объединенных между собой круглой сталью  Ø 12 мм (см. фрагмент плана на рис.1).

После пробного погружения нескольких поверхностных электродов, заложенных проектом, стало ясно, что таким количеством 2,5-метровых стержней не удастся получить заданное значение сопротивления, для его достижения потребуются слишком большие затраты, поэтому уже в ходе работ заказчиком принято решение об использовании глубинных заземлителей.

 

Дальнейшие работы проводились с использованием стальных стержней  диаметром 16 мм, длиной 1,5 м, оцинкованных горячим способом, производимых УП «ИГУР».

По мере  погружения глубинного электрода проводились замеры его сопротивления на разной глубине с последующим расчетом эквивалентного удельного  сопротивления грунта. Так,  на глубине 2,5 м, удельное  сопротивление грунта составило 446 Ом м,  на глубине 15 м  –  52 Ом м.

Расчет показал, что с учетом реального значения удельного сопротивления грунта на площадке на глубине 2,5 м для достижения заданного значения сопротивления заземления необходимо 75 электродов вместо 42, заложенных проектом (см. рис.2).

Фактически же нормируемое сопротивление было достигнуто двумя вертикальными электродами, погруженными на глубину 15 м, т.е. по 10 стержней в каждом (см. рис. 3).

Рис. 1. План заземления по проекту, состоящего из 42-х вертикальных электродов
глубиной по 2,5 м.

Рис. 2. Расчетное количество вертикальных электродов заземления для
достижения заданного значения сопротивления с учетом реального
значения удельного сопротивления грунта площадки на глубине 2,5 м.

Рис. 3. План заземления с использованием глубинных электродов, погруженных
на глубину 15 м.

Экономическая оценка двух сравниваемых вариантов заземления дана в таблице. В расчетах учтены также затраты на разборку и восстановление существующего благоустройства территории, занимаемой заземляющим устройством.

Таблица. Сравнение двух вариантов заземляющего устройства

Наименование затрат	Электроды длиной 2,5 м в кол-ве 75 шт.	Два глубинных электрода длиной по 15 м
Стоимость материалов, используемых для устройства заземления, млн. руб.	2,434	2,150
Стоимость строительно-монтажных работ (СМР) по устройству заземления, млн. руб.	3,085	1,064
Затраты на разборку и восстановление элементов благоустройства, млн. руб.	9,945	4,226
ИТОГО:	15,464	7,440

Экономия от использования глубинных заземлителей налицо. Чего только стоит отказ от производства земляных работ.

 

Здесь мы не показали затраты на восстановление заземления, в связи с утратой его работоспособности  со временем от коррозионных потерь, что равносильно устройству нового заземления. Между тем, никто не отменял коррозию обычной черной стали в грунте, она имеет место и она довольно ощутима, как с точки зрения потери массы заземлителя, так и с точки зрения нарушения проводимости  электрических контактов, что в конечном итоге приводит к росту сопротивления заземления. Но это, как говорится, совсем другая история.

 

С конструкцией заземлителя, вспомогательными материалами и оборудованием, а также методиками  проектирования и монтажа можно ознакомиться на сайте УП «ИГУР»  www.igur.by , или по прямому запросу по номерам телефона:

В Бресте: (0162) 53 93 09, 53 80 56, 53 91 97 (факс), (029) 7 29 56 98

В действующих в РБ:

– ГОСТ 30331.10-2001 (МЭК 364-5-54-80) «Заземляющие устройства и защитные проводники»,
– СТБ П IEC 62305-3-2006/2010 «Защита от атмосферного электричества. Часть 3. Физические повреждения зданий, сооружений …».
– Стандарте ГПО «Белэнерго» СТП 09110.47.203-07.

сформулированы основные требования, предъявляемые к заземляющим устройствам и особо подчеркнуты эффективность и преимущества глубинных электродов заземления. Эффект от применения составных глубинных заземлителей, состоящих из отдельных стержней, наращиваемых с помощью соединительных резьбовых муфт,  в сравнении с традиционными,  погружаемыми на ограниченную глубину 3 – 5м, заключается в уменьшении количества вертикальных электродов и сокращении затрат на строительно-монтажные работы за счет использования для отведения токов более плотных и водонасыщенных глубинных слоев грунтов с низким удельным сопротивлением.

Значительный объем работ по заземлению составляют ремонты и восстановление существующих заземляющих устройств, где не выдерживается нормируемое значение сопротивления. Для применения с этой целью хорошо зарекомендовали себя составные глубинные заземлители. Часто достаточно одного-двух вертикальных электродов, погруженных на глубину 15–20 м и соединенных с существующим контуром заземления для его восстановления и приведения сопротивления к норме.

Особое внимание следует уделять выбору материала глубинных заземлителей, поскольку не всякий материал стержней заземления может быть использован для этих целей.

Подавляющее большинство ранее выполненных заземляющих устройств являются стальными (железосодержащими). В стандарте СТБ П IEC 62305-3-2006/2010 отмечается: «Однако следует помнить, что медь вызывает гальваническое  повреждение   железосодержащих материалов». Происходит это из-за большого собственного положительного потенциала меди (+0,337 В). Собственный же потенциал железа отрицательный и составляет -0,430В. Контакт этих металлов в присутствии электролита (например, грунтовая влага) приводит к разрушению анодного металла (железа). На этом основании медные (омедненные) стержни заземления не могут быть использованы вместе с существующими (обычно стальными) заземлителями для приведения их сопротивления к норме.    Для этих целей следует применять стержни заземления с цинковым покрытием. Цинк является дополнительным протектором железосодержащих материалов.

В полной мере требованиям, предъявляемым к заземлителям для ремонтных работ отвечает вертикальный составной заземлитель глубинного погружения, разработанный, запатентованный и производимый УП «ИГУР» в соответствии с ТУ BY 200001265.001-2006. 

Материал и конструкция заземлителя  устойчивы к коррозии благодаря защитному цинковому покрытию, полученному методом горячего оцинкования.

Конструкция заземлителей  с соединением отдельных стержней посредством резьбовых муфт и специальная упрочнённая сталь позволяют использовать их для погружения на глубину до 20 м.

Глубинные заземлители. Нормы рекомендуют цинковое покрытие.
В действующем в РБ ГОСТ 30331.10-2001, идентичном стандарту Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 364-5-54 (Ред. 1) «Заземляющие устройства и защитные проводники», сформулированы основные требования, предъявляемые к заземляющим устройствам.
Как известно, в настоящее время принята вторая редакция стандарта МЭК IEC 364-5-54, в котором четко прописаны требования к материалу заземлителей
(см. таблицу 54.1 из стандарта).

Таблица 54.1 – Минимальные размеры для заземляющих электродов из обычно используемого материала с точки зрения коррозии и механической прочности при погружении в грунт
Continue Reading »

Критерием допустимости к применению глубинных электродов заземления является соответствие их качества требованиям стандартов.

В действующем в РБ ГОСТ 30331.10-2001, идентичном стандарту Международной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC 364-5-54 (Ред. 1) «Заземляющие устройства и защитные проводники» сформулированы основные требования, предъявляемые к заземляющим устройствам.
В настоящее время принята вторая редакция стандарта (МЭК) IEC 364-5-54, в котором четко прописаны требования к материалу заземлителей.

Здесь мы приводим таблицу 54.1 из стандарта с изложением этих требований.
Как видно из таблицы, стержни для глубинных электродов заземления могут быть либо оцинкованы горячим способом, либо покрыты гальваническим медным покрытием. При этом минимальный диаметр оцинкованных стержней составляет 16 мм, а средняя толщина слоя цинкового покрытия не менее 70 мкм. Минимальный диаметр омедненных стержней составляет 14 мм, а средняя толщина медного покрытия – 250 мкм.

На белорусском рынке глубинных заземлителей можно встретить стержни, оцинкованные методом гальванизации, применяемом обычно для декоративных, а не защитных целей, при котором максимально возможный слой цинка составляет всего 10-20 мкм. Такой слой цинка неизбежно стирается во время погружения в грунт, и стержень остается не защищенным от коррозии. Технология нанесения цинкового покрытия методом гальванизации в данном случае не допускается.
Встречаются также стержни якобы омедненные, но с недопустимо тонким, неоднородным и неравномерным слоем медного покрытия от 14 до 49 мкм. Такие стержни ржавеют прямо на складе, еще до погружения в грунт. Толщина слоя медного покрытия не достаточна даже для обеспечения коррозионной стойкости в обычной воздушно-влажной среде. На прилагаемой фотографии изображены странные стержни неизвестного происхождения до погружения в грунт.
Подобные стержни, естественно, не допустимы к применению.
Поэтому при заказе электродов заземления следует требовать подтверждение их качества стандартам.

60364-5-54©IEC:2002
Таблица 54.1 – Минимальные размеры для заземляющих электродов из обычно используемого материала с точки зрения коррозии и механической прочности при погружении в грунт

				Площадь попереч. сечения, мм2	Толщ., мм	Толщина покрытия/обшивки
						Един. значение, µm	Среднее значение, µm
Сталь	Оцинкованная горячим способом а или нержавеющая а, b	Прямоуголь ный с		90	3	63	70
		Угловой		90	3	63	70
		Круглые стержни для глубинных электродов заземления	16			63	70
		Круглая проволока для поверхностных электродов	10				50 e
		Трубный	25		2	47	55
	В медной оболочке	Круглые стержни для глубинных электродов заземления	15			2 000
	С электрохими-ческим медным покрытием	Круглые стержни для глубинных электродов заземления	14			240	250
Медь	Без покрытия a	Прямоугольный		50	2
		Круглая проволока для поверхностных электродов g		25 f
		Трос	1,8 для каждой проволоки	25
		Трубный			2
	Луженая	Трос	1,8 для каждой проволоки	25		1	5
	Оцинкованная	Прямоуголь ный d		50	2	20	40
a Может также быть использован для электродов, погруженных в бетон. b Применяется без покрытия. с Прокат или нарезанная полоса со скругленными краями. d Нарезанная полоса со скругленными краями. e В случае непрерывного горячего цинкования толщина покрытия в 50 мкм соответствует настоящим техническим возможностям. f Если экспериментально доказано, что вероятность повреждения от коррозии и механических воздействий мала, то может использоваться сечение 16 мм2. g Заземляющие электроды рассматриваются как поверхностные, когда они установлены на глубине не более 0,5 м.

Странные «омедненные» стержни заземления с муфтами неизвестного происхождения до погружения в грунт;
Справа для сравнения – омедненные стержни польской фирмы «GALMAR».