Способность заземляющего устройства обеспечить работу электроустановки и защитить людей и оборудование от опасных токов и напряжения определяется его сопротивлением: чем оно ниже, тем лучше. Этот параметр в свою очередь зависит от площади контакта заземляющего электрода с грунтом и от сопротивления грунта растеканию тока, которое с ростом влажности и температуры уменьшается.
В России широко распространены грунты с высоким, более 300 Ом·м, удельным сопротивлением. Это не только базальт, гранит, песчаник или щебень, но и многолетнемерзлые грунты, которые в нашей стране составляют 65% общей площади суши. Именно на этих территориях находятся основные мощности нефтегазовых и горнодобывающих компаний, поэтому особенно значение имеют надежные и рациональные методы, позволяющие в сложных условиях гарантировать работоспособность заземляющих устройств и тем самым предотвратить аварии, обезопасить персонал и сохранить дорогостоящее оборудование.
Химия и жизнь
Требования к заземляющим устройствам сформулированы в гл. 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) 7-го изд. Особенности выполнения заземления в районах с большим удельным сопротивлением грунта рассматриваются в п. 1.7.105–1.7.108.
С помощью обычных электродов сооружение в высокоомных грунтах заземляющего устройства по требованиям ПУЭ требует существенных затрат: на него может приходиться более трети сметной стоимости объекта. Например, чтобы на подстанции 110 кВ в пос. Усть-Нера в Якутии достичь расчетного сопротивления заземления 0,5 Ом, на площади около 1 км2 было установлено 30600 электродов – газовых труб длиной по 3 м и использовано 110 км полосовой стали сечением 160 мм2.
Уменьшить стоимость и трудоемкость подобных проектов – непростая задача. Решить ее пытаются без малого 100 лет. С 1930-х годов для снижения сопротивления заземления использовались такие методы, как замена прилегающего к электроду грунта на более проводящий (кокс, шлак, глина) и обработка его солями, раствор которых создает хорошо проводящую среду – электролит.
В дальнейшем в практику вошли конструкции, которые можно считать прототипами электролитических заземлителей: поваренной солью заполнялся электрод, выполненный в виде полой трубы с отверстиями, через которые соляной раствор просачивался в землю. Такая пропитка уменьшала сопротивление и понижала температуру замерзания грунта, но постепенно вымывалась, и обработку нужно было периодически повторять. К тому же соль ускоряла коррозию электродов.
Для преодоления этих недостатков разрабатывались различные методы. В Швеции для обработки грунта вокруг электрода предложили использовать нерастворимый в воде однородный электропроводящий гидрогель – продукт реакции солей меди и железа.
Таким образом, современные электролитические заземлители вобрали в себя целый комплекс наработок, проверенных десятилетиями эксплуатации в различных отраслях. Они дают возможность выполнять заземляющие устройства в ситуациях, когда трудно или нецелесообразно применять традиционные заземлители, позволяют использовать для этого минимальную площадь и обойтись без мощной спецтехники .
Пример таких устройств – линейка электролитических заземлителей TORR. Электрод TORR представляет собой заполненную солевой смесью трубу диаметром 60 мм из нержавеющей стали с перфорацией в рабочей части. В верхней части электрода находится крышка для добавления смеси и измерения сопротивления, а также зажим для подключения токоотвода.
В линейке TORR представлены комплекты 3- и 6-метровых электродов. Электрод L-образной формы укладывают горизонтально в траншею глубиной 0,7– 0,9 м, а электрод для вертикального размещения устанавливают в подготовленную скважину диаметром 0,2 м. Затем пространство около электрода засыпают входящим в комплект активатором грунта. Такой заземлитель будет работать в течение 30 лет.
Кроме электрода, солевого наполнителя и активатора грунта в комплект TORR входит смотровой колодец для контроля соединения электрода с токоотводом, измерения сопротивления и периодического пополнения запаса солевого наполнителя в электроде.
Расчет – всему голова
Единой методики расчета электролитического заземления в настоящее время нет, поэтому обычно для этих целей адаптируют методики, принятые для расчета традиционных заземлителей и учитывающих положение электрода (горизонтальное или вертикальное). В качестве исходных данных используются такие параметры, как удельное электрическое сопротивление грунта и наполнителя, диаметр скважины, глубину заложения электрода, коэффициент, отражающий содержание электролита в грунте. Некоторые производители предлагают собственные методики, упрощающие расчеты.
Выбор методики принципиально важен, так как очевидно, что ошибки при проектировании заземляющих устройств приводят к избыточным или недостаточным решениям и в любом случае повышают затраты на строительство. В числе документов, которые содержат методики, дающие наиболее адекватные результаты, специалисты выделяют нормы РД 153-39.4-039-99, утвержденные Минтопэнерго, и международный стандарт Guide for Safety in AC Substation Grounding, разработанный IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers).
Необходимо также принимать во внимание, что со временем, когда всё больше электролита проникает из электрода в грунт, сопротивление заземления уменьшается. Кроме того, сопротивление грунта растеканию тока стабильно только на большой глубине, где на него не влияют сезонные изменения температуры, поэтому сопротивление заземлителей может изменяться в течение года и отличаться от расчетного.
Разработка технологий, улучшающих электропроводность грунта и повышающих эффективность работы заземляющих устройств, продолжается. Без использования таких решений многие российские проекты, включая амбициозные планы освоения Арктики, расширения БАМа или развития горных кластеров, будут обходиться значительно дороже. На нынешнем этапе электролитические заземлители помогают достичь целей технически грамотно и экономично.