Фундаментные заземлители (Часть 2)

Разветвленные фундаментные заземлители

В последнее время особенно важной проблемой при проектировании систем молниезащиты объектов, расположенных на широких фундаментных плитах, становится отсутствие возможности оценить их техническое состояние. Стальные несущие конструкции таких объектов обычно надежно соединяются внутри объекта с арматурой фундамента без возможности их разъединения. Идеальным решением в такой ситуации будет размещение в колодцах, монтируемых в почве, контрольноизмерительных соединений (рис. 8).

Кроме того, подобное решение способствует выполнению требований стандартов серии 62305, согласно которым взаимные соединения между заземлителями должны быть выполнены с пробирными зажимами, то есть на месте локализации отводных проводов. Такой способ дает возможность контролировать состояние обширной фундаментной плиты во время ее эксплуатации на основании результатов измерения активного сопротивления заземлителя, а также активного сопротивления между двумя пунктами фундаментного заземлителя.

контрольно-измерительный колодец; контрольное соединение; искусственный заземлитель (дополнительный); грунт; фундамент; стальной столб конструкции, использованный как заземляющий проводник; облицовка стены.

С удивлением следует отнестись к высказываемому в последнее время мнению, что величина активного сопротивления заземления не играет особой роли. По очевидным причинам его малая величина (в стандарте 62305 такой величиной признается не более чем 10 Ом) имеет основное значение как относительно величины импульсных напряжений и токов, возникающих в объекте, например во время разряда молнии, так и из соображений сугубо эксплуатационных. Результаты измерения активного сопротивления заземления с разных сторон фундаментной плиты, особенно после окончания периода стабилизации условий ее электропроводности, осуществляемые согласно измерительной методике, дают полную гарантию контроля состояния заземлителя в процессе многолетней эксплуатации объекта.

Способы соединения искусственных заземлителей с фундаментным заземлителем

Соединение фундаментного заземлителя с дополнительными внешними искусственными заземлителями связано с проблемой, которой в проектировочной и исполнительской практике обычно пренебрегают. Проблема касается подбора несоответствующих материалов для искусственного заземлителя, что может создавать благоприятные условия для ускоренной коррозии системы заземления. Знания проектантов электрических систем по этой теме сегодня весьма неудовлетворительны, несмотря на то что в Польше требования в этой области введены в нормативные акты еще в апреле 2002 г. в стандарт PN-IEC 61024-1-2:2002 [13], а в апреле 2004 г. этот документ Распоряжением министра инфраструктуры был внесен в список стандартов, касающихся технических условий, которым должны отвечать здания и их расположение [14].

Согласно требованиям PN-EN 62305-3, с арматурой в бетоне непосредственно могут соединяться заземлители из нержавеющей стали или меди. Пример правильно выполненного таким образом дополнительного соединения искусственного заземлителя, построенного на базе омедненной системы GALMAR, с фундаментным заземлителем изображен на рис. 9.

С учетом риска коррозии, оцинкованные заземлители могут соединяться с арматурой в бетоне исключительно через изолирующие искровые разрядники, которые способны проводить частичные разряды молнии (класса N).

Дополнительные требования к проводам заземлителей, которые выходят из бетона или зем- ли, следующие:

1. стальные заземлители в точке перехода на открытый воздух должны быть защищены от коррозии с помощью изоляционных лент или термоусадочных труб на отрезке 0,3м;
2. для медных заземлителей и заземлителей из нержавеющей стали такая защита необязательна.

Из представленных выше нормативных рекомендаций следует, что сегодня применение дополнительных оцинкованных заземлителей для соединения с фундаментными заземлителями требует от проектанта четкого обоснования такой потребности, исходя из учета как ожидаемой коррозионной угрозы, так и необходимости применения дополнительных дорогостоящих защитных средств (изоляция искровыми разрядниками и защитными барьерами).

Электрохимическая коррозия

Коррозия заземлителя ведет к возрастанию активного сопротивления заземления, а в крайнем случае – даже к полному его уничтожению. На рис. 10б приведен пример размещенной в почве стальной оцинкованной полосы, соединенной с фундаментными заземлителями антенной опоры, которая подверглась очень сильной коррозии после 12 лет эксплуатации. Так же как и в случае соединения различных материалов в электрической системе, где недопустимо непосредственное соединение алюминиевых элементов с медными, следует обращать внимание на подбор соответствующих материалов для систем заземления.

а) Коррозия оцинкованной полосы после 6 лет эксплуатации в качестве дополнительного заземлителя одной из фундаментных подошв опоры высокого напряжения 220 кВ в Судане. Одна из причин такой быстрой коррозии – ее соединение с арматурой фундамента этой опоры;	б) Пораженная коррозией оцинкованная полоса после 12-летней эксплуатации в качестве элемента горизонтального заземлителя радиокоммуникационного объекта с фундаментными заземлителями штока мачты (высота мачты – 326 м над поверхностью земли) и фундаментных подошв его оттяжек (с согласия RST sp. j.)

Угроза электрохимической коррозии, возникающей в результате образования гальванического звена вследствие соединения фундаментного заземлителя и внешнего заземлителя из оцинкованной стали, проиллюстрирована на рис. 11.

Разные металлы, помещенные во влажную почву или бетон, то есть в электролитическую среду, принимают разные электрические потенциалы, измеряемые относительно электрода сравнения. Соединенные между собой разные материалы создают гальванический элемент, через который в результате различия потенциалов может непрерывно проходить постоянный ток. Даже если величина этого тока будет относительно небольшой, несколько миллиампер, это уже угрожающее явление, поскольку оно длится непрерывно. Считается, что разница потенциалов, превышающая 0,6 В, уже создает условия, способствующие ускоренной коррозии. В таблице 2 даны величины электродвижущей силы, которые возникли в результате соединения разных пар металлов, применяемых для заземлителей или защитных покрытий элементов заземлителей.

Потенциал стали, помещенной в бетонный фундамент, окруженный влажным грунтом, измеряемый относительно электрода сравнения Cu/CuSO₄, составляет от –0,1 до –0,3 В [6, 7]. Потенциал оцинкованной стали (часто применяемой для изготовления искусственных заземлителей как самое дешевое решение), помещенной в такую же почву, который измеряется относительно того же электрода сравнения, составляет от –0,7 до –1,0 В. Такое соединение в итоге дает различие потенциалов на уровне 0,4–0,9 В. Поэтому соединение оцинкованной стали со сталью фундаментного заземлителя недопустимо, так как это ускорит коррозию оцинкованной стали. Потенциалом, приближенным к потенциалу стали в бетоне, обладает медь или омедненная сталь, у которых он колеблется от 0 до –0,2 В.

Рекомендации, касающиеся подбора материалов для искусственных заземлителей, которые соединяются с фундаментным заземлителем, содержатся, в частности, в стандарте по молниезащите PN-EN 62305-3 [1], а также в стандарте, касающемся заземления электрических систем низкого напряжения PN-HD 60365-5-54 [5].

Таблица 2. Разница потенциалов электрохимических пар металлов, чаще всего применяемых в Польше
для изготовления заземлителей или их покрытий, В

В стандарте PN-EN 62305-3:2009, в пункте E.5.4.3.2 «Фундаментные заземлители», можно найти информацию об угрозе, возникающей в случае выполнения внешнего заземлителя из черной стали или оцинкованной стали: «Следующая проблема связана с электрохимической коррозией под воздействием гальванических токов. Сталь в бетоне имеет приблизительно такой же гальванический потенциал электрохимического ряда, что и медь в грунте. Следовательно, когда сталь в бетоне соединена со сталью в земле, то действующее гальваническое напряжение, которое равняется приблизительно 1 В, приводит к протеканию тока коррозии в почве и мокром бетоне и растворяет сталь в почве.

Если помещенные в почву заземлители имеют соединение со сталью в бетоне, то они должны быть выполнены из меди или из нержавеющей стали».

Как уже было сказано, рекомендации, касающиеся оговариваемой сферы, содержались в предыдущем издании стандартов по молниезащите PN-IEC 61024-1 [13], введенных для применения в 2001–2002 гг. В 2004 г. это издание стало обязательным, поскольку было включено в список стандартов, касающихся технических условий, которым должны отвечать здания и их расположение [2, 14]. Новейшая версия нормы PN-EN 62305-3:2011 расширяет формулировку и допускает применение в таких случаях также омедненной стали.

Как уже было сказано, рекомендации, касающиеся оговариваемой сферы, содержались в предыдущем издании стандартов по молниезащите PN-IEC 61024-1 [13], введенных для применения в 2001–2002 гг. В 2004 г. это издание стало обязательным, поскольку было включено в список стандартов, касающихся технических условий, которым должны отвечать здания и их расположение [2, 14]. Новейшая версия нормы PN-EN 62305-3:2011 расширяет формулировку и допускает применение в таких случаях также омедненной стали.

Эта проблема поднимается и в документе PN-HD 60365-5-54 [5], в пп. 542.2.5 и C.4. Согласно требованиям этого документа оцинкованную сталь нельзя применять для искусственных заземлителей, которые соединяются с фундаментным заземлителем. А для обеспечения достаточной стойкости системы заземления следует применять элементы, выполненные из нержавеющей стали или другой, хорошо защищенной от влаги с помощью соответствующих сборных защитных покрытий.