Это о чём ?

Это — о заземлении.

Заземление — это устройство, состоящее из заземлителей и проводников, соединяющих заземлители с электрическими установками. Заземлителем называется группа проводников любой формы, выполненная из проводящего материала и находящаяся в непосредственном соприкосновении с грунтом. Вертикально расположенные заземлители (т. н. электроды) могут погружаться на глубину до 35 метров и соединяются между собой горизонтальными заземлителями, расположенными на глубине не менее 0,5…0,7 метров.

При сооружении заземляющих устройств возможно различное размещение заземлителей, среди которых можно выделить следующие типовые конфигурации:

  • Точка (одиночный вертикальный электрод);
  • Линия (несколько вертикальных электродов , последовательно соединенных между собой);
  • Лапка (несколько вертикальных электродов , соединенных из одной точки);
  • Контур (несколько вертикальных электродов , соединенных замкнутым контуром);

Что такое ШИП ?

Модульная система заземления ШИП® представляет собой сборную конструкцию , которая позволяет построить любую конфигурацию заземляющего устройства для достижения требуемого значения сопротивления.

Элементы заземления ШИП:

  • стальной стержень диаметром 16 миллиметров и длиной 1,5 или 1,2 метра;
  • переходная втулка, обеспечивающая надежное соединение стержней в единый вертикальный электрод;
  • наконечник того или иного типа в зависимости от характера грунта;
  • дополнительные аксессуары для монтажа.

Все основные элементы ШИП имеют антикоррозийное защитное покрытие, выполненное по технологии термодиффузионного цинкования (ТДЦ), устойчивое к электрохимическим и механическим воздействиям.

Чем ШИП отличается от других систем заземления ?

  • антикоррозийное ТДЦ покрытие обеспечивает срок службы более 30 лет;
  • защитное покрытие цинком обеспечивает безопасность близлежащих металлических конструкций (трубопроводы, кабели) от гальванической коррозии и при наличии блуждающих токов;
  • модульная архитектура позволяет конструировать систему под конкретные требования с учетом специфических особенностей грунта;
  • глубина установки до 35 метров обеспечивает независимость сопротивления заземления от сезонных колебаний температуры и влажности;
  • возможность выбора способа соединения заземлителей используя газо-(электро) сварку или специальные зажимы;
  • существенно меньший объем земляных работ при строительстве системы методом заглубления одного или нескольких одиночных глубинных заземлителей;
  • минимально необходимая площадь для монтажа позволяет обустраивать систему заземления непосредственно в подвалах зданий или сложных объектах строительства.

Таблица: Технические характеристики системы глубинного заземления ШИП

Тип заземлителя Глубинный вертикальный электрод
Стержень заземлителя, диаметр 16 мм
Стержень заземлителя, длина 1500 мм (1200 мм)
Соединительная муфта, диаметр 22 мм
Тип защитного покрытия ТДЦ (термодиффузионное цинкование)
Толщина покрытия 100 мкм
Средняя твердость 4500 кг/мм2
Срок эксплуатации более 30 лет

Сравнительный анализ материалов заземлителей и защитных покрытий

Ниже приводятся некоторые основные соображения, из которых мы исходим при построении заземляющих устройств. Вы можете сразу перейти к выводам, расположенным в конце настоящего сравнительного анализа.

Коррозионная агрессивность грунта

Т.к. механизм коррозии в грунте почти всегда носит электрохимический (гальванический) характер, в дальнейшем мы будем рассматривать только этот тип агрессивного воздействия на находящиеся в грунте элементы заземления.

Коррозией называется разрушение металлов и сплавов под влиянием химического и электрохимического воздействия внешней среды.

Коррозионная агрессивность грунта (почвы) определяется совокупностью различных факторов: структуры грунта, пористости, состава, его влажности, воздухопроницаемости, концентрации и состава солей, величины рН и общей кислотности, а также зависит от рельефа и климатических условий местности.

Влажность грунта играет большую роль в протекании коррозионных процессов. При малой влажности велико электрическое сопротивление грунта, что обуславливает уменьшение значения протекающего коррозионного тока. При большой влажности электрическое сопротивление грунта уменьшается, но сильно затрудняется диффузия кислорода к поверхности металла. Существует различные мнения о том при каком значении влажности наблюдается максимальная коррозия.

Кроме того , скорость коррозии сильно зависит от наличия блуждающих токов в грунте. Это необходимо дополнительно учитывать на объектах, находящихся в зоне влияния электрифицированного транспорта или высоковольтного оборудования.

На наш взгляд, использование при строительстве систем заземления черного металла безо всякой защиты в грунте неоправданно. С одной стороны, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50571.5.54-2011, использование незащищенных коррозионностойким покрытием заземляющих электродов не предусматривается. П.542.2.3 гласит: Материал и конструкция заземлителей должны быть устойчивыми к коррозии.

Действительно, в зависимости от марки стали, коррозионной агрессивности грунта и прочих факторов скорость коррозии может достигать значений 0,3 мм/год. Можно оценить, насколько разрушится 5 мм уголок обыкновенной углеродистой стали по прошествии 5-7 лет.

С другой стороны, экономической, общая сметная стоимость построения системы заземления в большей степени определяется схемой заземления, объемом непосредственно земляных работ и, если применимо, восстановительных работ (асфальтовые и бетонные покрытия дорожного полотна и тротуаров, а также газонов и зеленых насаждений), а не стоимостью самих материалов (пример ТЭО).

В свете вышеизложенного , предположения типа а что если просто забить в землю кусок углового проката мы не рассматриваем.

Требованиями ГОСТ Р 50571.5.54-2011 предусматривается применение следующих материалов для элементов конструкции системы заземления расположенных в грунте:

  • медь;
  • нержавеющая сталь;
  • сталь с медным покрытием;
  • сталь с цинковым покрытием;

Рассмотрим применимость эти материалов.

Медь

Изделия из чистой меди редко используются в практике заземления по причинам очень высокой стоимости и отсутствия достаточной механической прочности. Вместо этого используются медно-содержащие сплавы, такие как латунь и бронза. Либо медь применяется для создания защитного слоя на поверхности стальных изделий.

Также необходимо принимать во внимание потенциальную опасность цветных металлов для стальных подземных коммуникации, о чем будет сказано ниже в разделе о гальванической коррозии.

Нержавеющая сталь

К нержавеющим сталям (нержавейкам) относят группу коррозионностойких сталей с высоким содержанием (не менее 10,5%) хрома и низким (менее < 1.2%) содержанием углерода.

Изделия из нержавейки критичны к степени обработки поверхности — шероховатая и царапанная может корродировать, а полированная до блеска сохраняет коррозионную стойкость.

Нержавейка не ржавеет благодаря защитной плёнке окисла хрома на поверхности металла. При отсутствии кислорода оксидный слой хрома разрушается, и нержавеющая сталь покрывается ржавчиной как обычная чёрная. Таким образом, нержавейка не ржавеет только до тех пор, пока имеется доступ кислорода к поверхности и покрывающий ее окисел хрома не разрушен.

Однако, несмотря на отличные антикоррозийные свойства качественной нержавейки , её использование для изготовления заземлителей имеет весьма существенный минус, который перевешивает все положительные свойства — высокая стоимость. Когда мы видим в описании изделия материал нержавеющая сталь, то надо понимать, какой она марки. Различают более сотни видов нержавеющей стали. В зависимости от марки стоимость материала может отличаться более чем в три раза! Соответственно, будет различаться и коррозионная стойкость изготовленных из неё изделий.

Цинковые и медные защитные покрытия

Цинкование — покрытие основного металла слоем цинка для защиты от коррозии.

Омеднение — тот же принцип, но с использованием меди. Наиболее распространенным способом омеднения заземлителей является гальваническое покрытие.

Известно, что железо не способно защитить себя от окисления — образования ржавчины. Если покрыть железо слоем металла, образующего защитную плёнку, то эта плёнка не пропустит кислород как к металлу покрытия, так и к железу, находящемуся под покрытием. Таким образом достигается защита от коррозии.

Но, с точки зрения гальванической коррозии, медное покрытие работает совершенно по иному, в отличие от цинкового, в случае повреждения защитного покрытия и открывшемся доступе к основному металлу.

Таблица: Электрохимический ряд потенциалов некоторых металлов

Алюминий
(Al)
Цинк
(Zn)
Хром
(Cr)
Железо
(Fe)
Никель
(Ni)
Медь
(Cu)
-1,7 -0,76 -0,74 -0,44 -0,23 +0,52

При сочетании двух металлов (например алюминий и медь) и наличия электролита (влага в воздухе или почве), между ними начнет протекать ток, вызванный разностью потенциалов (1,7 – 0,52 = 2,22 В). При этом один металл (алюминий), так как он в этой таблице левее, будет разрушаться, а другой (медь) останется практически нетронутым.

В паре металлов разрушается более электроотрицательный металл (алюминий), т.е. тот, который в таблице левее.

Этот процесс называется электрохимической или гальванической коррозией. Чем дальше друг от друга разнесены по таблице металлы, тем больше разность потенциалов при их взаимодействии и тем интенсивнее происходит реакция.

По этой причине нельзя скручивать вместе алюминиевый и медный провод, т.к. постепенно, в результате электрохимической коррозии, в месте их контакта будет возрастать сопротивление. А рост сопротивления вызовет разогрев контакта при протекании тока и еще больший рост сопротивления… Недалеко и до пожара.

Вернемся к сравнению омедненных и оцинкованных заземлителей.

При заглублении заземлителя на его поверхность воздействуют т.н. обдирочные абразивные воздействия, и неизбежно образуются царапины, особенно в случае каменистого грунта, содержащего строительный мусор и т.д.

Если глубина царапины превышает толщину защитного слоя, то, в результате попадания воздуха и влаги, цинк и железо образуют гальваническую пару, в которой железо является менее активным металлом. В результате цинк в составе покрытия вступает в реакции коррозии первым, и, жертвуя собой, защищает железный сердечник. Такой тип покрытия называется анодным. Он обеспечивает защиту основного металла не только механически, но и электрически.

Напротив, в результате повреждения защитного слоя омеднения, медь и железо образуют гальваническую пару, в которой разрушаться начнет именно железо, т.к. оно более электроотрицательно. Такой тип покрытия, обеспечивающий лишь механическую защиту основного металла, называется катодным.

Вот почему в случае применения омедненных заземлителей так важны требования к толщине слоя омеднения, который должен составлять не менее 200-250 мкм, а также его высокой адгезии, обеспечивающей сохранение защитного слоя при механических нагрузках.

Кроме того, если в грунте рядом с местом обустройства заземления залегает незащищенный трубопровод, кабель или иная металлическая конструкция, то возникает гальваническая пара между материалом защитного покрытия (медь или цинк) и внешним металлом.

В случае использования омедненных заземлителей разрушаться будет именно трубопровод, что, как правило, недопустимо.

Методы нанесения цинковых покрытий

Для нанесения металлических покрытий используют различные методы, основными из которых являются:

  • химическое осаждение из растворов;
  • горячее металлопокрытие;
  • диффузионное;
  • распыление металла сжатым воздухом;
  • гальваническое осаждение.

Термодиффузионное цинкование (ТДЦ) — метод насыщения металла цинком при термической обработке в специальной порошковой смеси.

Изделие погружают в камеру-муфель, засыпают цинксодержащий порошок и вращают несколько часов при температуре 300-450°С. В результате нагревания атомы цинка за счет диффузионного процесса проникают в поверхностные слои обрабатываемых изделий. При этом поверхность приобретает серый матовый цвет.

При методе термодиффузионного цинкования в результате диффузии цинк внедряется в кристаллическую решетку металла, поэтому прочность связи покрытия с основным материалом резко возрастает.

Согласно ГОСТ Р51163-98 (Покрытия термодиффузионные цинковые) коррозионная стойкость термодиффузионного цинкового покрытия в 3-5 раз превышает коррозионную стойкость гальванического и в 1,5-2 раза горячего цинкового покрытий при эксплуатации в промышленной и морской атмосфере.

При сварке деталей термодиффузионное покрытие в горячей зоне не выгорает (высокая температура кипения железоцинковых фаз покрытия) и примыкает встык к сварочному шву.

Кроме того, для диффузионных цинковых покрытий характерно затухание коррозии во времени вследствие формирования на поверхности цинка, прочно сцепленных нерастворимых продуктов коррозии.

Таблица: Сравнительные характеристики некоторых цинковых покрытий

  Термодиффузионное
(ТДЦ)
Горячее
(ГЦ)
Гальваническое
(ГВЦ)
Внешний вид покрытия серое-матовое светло-серый глянец
Толщина покрытия 10…250 мкм 30…150 мкм 5…25 мкм
Коррозионная стойкость:
а) в морской, или промышленной атмосфере (сравнительная)
б) в среде, содержащей сероводород  (качественная)
3…4
Эффективно
1,5…2,5
Применимо
1…1.5
Не применимо
Возможность получения равномерного защитного слоя Возможно Затруднительно или невозможно Возможно
Прочность сцепления с основным металлом Очень высокая Высокая Пониженная
Стойкость против контактных нагрузок Высокая Пониженная Пониженная
Влияние на механические свойства изделий возможно оцинковывать термообработанные, в т.ч. пружинные, стали без потери прочности и упругости происходит отпуск и водородное охрупчивание
Твердость покрытия Высокая
(отсутствие абразивного износа, деформации, гайки не ослабевают в процессе эксплуатации)
Низкая
Нарушение покрытия при сварке Высокая жаростойкость, покрытие в стык к шву Выгорает на 20…25 мм от шва

Можно выделить основные преимущества покрытия ТДЦ перед другими видами цинкования:

  • высокая коррозионная устойчивость за счет высокой адгезии и равномерности покрытия;
  • высокая твердость и сопротивление абразивному износу;
  • высокая микротвердость покрытия на резьбовых участках.

Выводы

Медь — мягкий металл и не применим при существенных механических нагрузках, например, для забивания в грунт на достаточную глубину. Стоимость меди является самой высокой из рассматриваемых материалов.

Преимущество стальных заземлителей с защитным покрытием перед заземлителями из нержавеющей стали (при условии соответствия их коррозийной устойчивости) — существенно более низкая стоимость.

Основные преимущества защитного покрытия ТДЦ перед омеднением:

  • высокая устойчивость к коррозии даже при механическом повреждении покрытия;
  • безопасность для подземных металлических конструкций и коммуникаций;
  • возможность использования электросварки для присоединения токоотвода;
  • возможность использования для токоотвода широко распространенных оцинкованных проводников.

Таблица: Сравнение заземлителей с защитным покрытием

  Гальваническое
омеднение
Горячее
цинкование
Термодиффузионное
цинкование
Прочность покрытия Низкая
590-1470 МПа
Очень низкая
600-900 МПа
Очень высокая
3360-5250 МПа
Коррозионная устойчивость материала покрытия Очень высокая Высокая
Тип покрытия Кокон (катодное), обеспечивает механическую защиту Протектор (анодное), обеспечивает как механическую, так и гальваническую защиту
Гальваническая активность покрытия по отношению к стали Окисляет железо Окисляется под воздействием железа
Методы подсоединения токоотвода Только экзотермическая сварка или механическое соединение газо- электросварка или механическое соединение
Материал токоотводов и соединений медь или омедненная сталь оцинкованная сталь
Воздействие на подземные стальные конструкции и коммуникации Возможно разрушение подземных стальных конструкций Влияние не оказывает