Как подготовить грунт для снижения сопротивления заземления

Оглавление

1. Введение. Роль грунта в сопротивлении заземляющего устройства
2. Факторы, определяющие удельное сопротивление грунта
3. Основные подходы к снижению сопротивления заземления через подготовку грунта
4. Применение соли в контуре заземления
5. Бентонит для заземления: свойства, приготовление и укладка
6. Технология подготовки и обработки грунта вокруг электродов
7. Контроль результатов: измерение сопротивления до и после обработки
8. Типичные ошибки, сезонные особенности и обеспечение долговечности

1. Введение. Роль грунта в сопротивлении заземляющего устройства

Эффективность любого заземляющего устройства определяется прежде всего сопротивлением растеканию тока с электродов в окружающий грунт. Именно грунт формирует основную часть общего сопротивления заземляющего контура. Даже при идеально выполненном металлическом электроде и качественных соединениях высокое удельное сопротивление окружающего грунта может сделать всю систему неработоспособной.

Согласно требованиям главы 1.7 Правил устройства электроустановок сопротивление заземляющего устройства должно обеспечивать безопасные значения напряжения прикосновения и шагового напряжения, а также надёжный отвод токов короткого замыкания и токов молнии. Для многих электроустановок нормируются значения сопротивления не более 4 Ом, 10 Ом или иные величины в зависимости от напряжения сети, режима нейтрали и назначения установки. Достижение этих значений в грунтах с высоким удельным сопротивлением (пески, скальные породы, мёрзлые грунты, сухие суглинки) часто невозможно без специальных мероприятий по подготовке грунта.

Сопротивление одиночного вертикального стержневого заземлителя в однородном грунте приближённо описывается выражением:

где \(\rho\) — удельное электрическое сопротивление грунта, Ом·м; \(L\) — длина электрода, м; \(d\) — диаметр электрода, м.

Из формулы видно, что сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению грунта. Увеличение длины электрода даёт лишь логарифмический эффект, а увеличение диаметра практически не влияет на результат. Поэтому наиболее действенным способом снижения \(R\) является уменьшение \(\rho\) в зоне, окружающей электрод.

Зона влияния заземлителя простирается примерно на расстояние, равное длине электрода. Именно в этом объёме грунта целесообразно проводить искусственное улучшение. Обработка грунта за пределами этой зоны почти не даёт эффекта.

Практика показывает, что в неблагоприятных грунтах без специальной подготовки приходится устанавливать десятки вертикальных электродов или устраивать обширные горизонтальные контуры. Это значительно удорожает строительство и увеличивает сроки. Подготовка грунта позволяет сократить число электродов в несколько раз и получить стабильные характеристики заземляющего устройства.

Рекомендуем купить измеритель сопротивления заземления ИС-10 для точного выявления неисправностей в системах заземления.

2. Факторы, определяющие удельное сопротивление грунта

Удельное электрическое сопротивление грунта — величина, зависящая от множества природных и искусственных факторов. Основные из них следующие.

Влажность. Это доминирующий фактор. В абсолютно сухом состоянии большинство грунтов являются практически диэлектриками (\(\rho > 10^{5}\)–\(10^{6}\) Ом·м). При увеличении влажности до 15–20 % по массе сопротивление резко падает. Дальнейшее увеличение влажности влияет уже слабее. Именно поэтому в засушливых регионах и в верхних слоях грунта зимой сопротивление заземляющих устройств сильно возрастает.

Температура. При понижении температуры ниже 0 °C вода в порах грунта замерзает, и удельное сопротивление резко растёт. При –5 °C сопротивление может увеличиться в 3–5 раз, а при –15 °C — в десятки раз по сравнению с положительными температурами. Сезонный коэффициент, учитывающий промерзание, в расчётах может достигать значений 1,5–3 и более.

Механический и минеральный состав. Глинистые грунты и суглинки имеют значительно меньшее удельное сопротивление, чем пески и гравелистые грунты. Торф и чернозём относятся к низкоомным грунтам, скальные породы и сухие пески — к высокоомным.

Содержание растворимых солей. Наличие даже небольшого количества электролитов (хлоридов, сульфатов, нитратов) резко снижает сопротивление поровой влаги и, следовательно, всего грунта. Этот эффект лежит в основе метода химической обработки.

Плотность и структура. Уплотнённый грунт имеет меньшее сопротивление, чем рыхлый, за счёт лучшего контакта частиц и более развитых путей прохождения тока.

Ориентировочные значения удельного сопротивления различных грунтов приведены в таблице.

При проектировании и оценке состояния существующих заземляющих устройств необходимо измерять фактическое удельное сопротивление грунта на площадке. Для этого используют четырёхэлектродный метод (метод Веннера). Измерители сопротивления заземления ИС-10 и ИС-20 позволяют выполнять такие измерения с автоматическим вычислением удельного сопротивления.

Формула для расчёта удельного сопротивления при равных расстояниях \(a\) между электродами:

где \(R\) — измеренное сопротивление, Ом; \(a\) — расстояние между электродами, м.

3. Основные подходы к снижению сопротивления заземления через подготовку грунта

Существует несколько принципиально различных подходов к искусственному снижению удельного сопротивления грунта в зоне расположения электродов.

• Химическая обработка легкорастворимыми солями (электролитная пропитка).
• Замена части естественного грунта материалом с низким удельным сопротивлением и высокой влагоудерживающей способностью (бентонит, специальные смеси, коксовая мелочь, графитсодержащие составы).
• Комбинированные методы, сочетающие химическую обработку и замену грунта.
• Применение электролитических электродов, из которых соли постепенно диффундируют в окружающий грунт.

Каждый метод имеет свою область применения, достоинства и существенные ограничения. Выбор зависит от типа грунта, климатических условий, требуемого срока службы заземляющего устройства и допустимого уровня коррозии электродов.

Химическая обработка солями даёт быстрый и значительный эффект снижения сопротивления (в 2–8 раз в зависимости от исходного состояния грунта). Однако эффект временный: соли вымываются атмосферными осадками и грунтовыми водами. Кроме того, хлориды резко ускоряют коррозию стальных электродов.

Замена грунта на бентонит или аналогичные материалы обеспечивает более стабильный и долговременный результат. Бентонит обладает высокой способностью удерживать влагу и при правильной укладке сохраняет низкое сопротивление в течение многих лет.

Комбинированные решения часто оказываются оптимальными: вокруг электрода создаётся оболочка из бентонитовой смеси с добавлением небольшого количества электролитов. Такая конструкция сочетает влагоудержание и повышенную проводимость.

Важно понимать, что любая обработка грунта должна выполняться в объёме, достаточном для охвата зоны растекания тока. Обработка тонкого слоя вокруг электрода даёт ограниченный эффект.

4. Применение соли в контуре заземления

Использование легкорастворимых солей — один из самых старых и простых способов снижения сопротивления заземления. Наиболее распространён хлорид натрия (поваренная соль). Реже применяют хлорид кальция, сульфат магния, нитрат натрия и другие соединения.

Механизм действия прост: соль растворяется в грунтовой влаге, образуя электролит. Электропроводность поровой влаги резко возрастает, что приводит к снижению удельного сопротивления всего грунта в зоне обработки.

Эффект снижения удельного сопротивления хорошо иллюстрируется экспериментальными данными. При влажности песчаного суглинка около 15 % и температуре 17 °C добавление соли в количестве 0,1 % от массы воды снижает удельное сопротивление примерно в 6 раз, а 1 % соли — более чем в 20 раз. Дальнейшее увеличение концентрации даёт уже меньший прирост проводимости.

Технология применения соли обычно выглядит следующим образом. Вокруг места установки вертикального электрода отрывают котлован диаметром 0,8–1,2 м и глубиной, соответствующей длине электрода или несколько меньшей. На дно укладывают слой соли, затем слой грунта, снова соль и так далее. Слои соли делают тоньше слоёв грунта. Каждый слой соли обильно смачивают водой и тщательно уплотняют. После установки электрода котлован засыпают с послойным трамбованием.

Для горизонтальных электродов соль укладывают вдоль траншеи слоями с аналогичным увлажнением и уплотнением.

Расход соли составляет обычно от нескольких килограммов до 10–15 кг на один вертикальный электрод в зависимости от требуемого эффекта и исходного состояния грунта. В некоторых рекомендациях указывается расход порядка 4–5 стаканов соли на ведро воды при пропитке.

Существенные недостатки метода:

• Соли вымываются. В районах с обильными осадками эффект заметно снижается уже через 1–3 года. Требуется периодическое возобновление обработки.
• Хлориды вызывают интенсивную питтинговую и общую коррозию стальных электродов. Срок службы обычной чёрной стали в засоленном грунте может сократиться до 5–8 лет и менее.
• Образование локальных солончаковых зон может негативно влиять на растительность и окружающую среду.
• В скальных и крупнообломочных грунтах метод малоэффективен из-за быстрого ухода раствора.

Поэтому применение хлорида натрия в чистом виде сегодня рассматривается как временная или вынужденная мера. Предпочтительнее использовать соли, менее агрессивные к металлу, либо сочетать небольшие количества электролитов с материалами, удерживающими влагу (бентонит).

После выполнения работ по солевой обработке обязательно проводят контрольные измерения сопротивления заземляющего устройства. Для этих целей применяют измерители сопротивления заземления ИС-05, ИС-06, ИС-10 или ИС-20 в трёх- или четырёхпроводном режиме. Измерения следует выполнять не сразу после увлажнения, а после стабилизации влажностного режима (обычно через несколько суток).

Важно помнить, что результаты измерений, проведённых сразу после обильного полива, будут заниженными и не отразят реальное состояние контура в сухой период.

5. Бентонит для заземления: свойства, приготовление и укладка

Бентонит представляет собой природную глину с высоким содержанием монтмориллонита. При контакте с водой он способен разбухать в 10–16 раз, образуя плотный гель с низкой проницаемостью и высокой способностью удерживать влагу. Именно эти свойства делают бентонит одним из наиболее эффективных материалов для искусственного снижения удельного сопротивления грунта вокруг электродов заземления.

Для работ по заземлению предпочтителен натриевый бентонит. Он обладает большей способностью к набуханию и лучше удерживает воду по сравнению с кальциевым. В сухом состоянии бентонит имеет удельное сопротивление порядка единиц — десятков Ом·м, а во влажном состоянии его проводимость ещё выше.

Основные преимущества бентонита:

• долговременное удержание влаги в околоэлектродной зоне даже в засушливые периоды;
• создание плотного контакта между металлом электрода и грунтом без воздушных полостей;
• снижение скорости коррозии стальных электродов по сравнению с солевой обработкой;
• стабильность характеристик в течение многих лет при правильной укладке;
• возможность применения как в виде сухого порошка с последующей гидратацией, так и в виде готовой пасты (суспензии).

Технология приготовления смеси зависит от выбранного способа укладки.

Сухой способ. Бентонитовый порошок засыпают в подготовленный котлован или траншею вокруг электрода слоями. Каждый слой слегка увлажняют водой из расчёта примерно 3–4 литра на погонный метр при толщине оболочки 70–100 мм. После увлажнения смесь набухает и уплотняется. Этот способ удобен при больших объёмах работ, но требует тщательного контроля равномерности увлажнения.

Пастообразный способ. Бентонит заранее смешивают с водой в соотношении 1 кг порошка на 3–4 литра воды. Смесь оставляют для набухания на 20–40 минут до образования густой однородной пасты. Готовую пасту укладывают вокруг электрода с обязательным уплотнением, исключающим образование пустот.

Ориентировочный расход сухого бентонита:

После укладки бентонитовой оболочки котлован или траншею засыпают местным грунтом с послойным уплотнением. Верхний слой (20–30 см) желательно выполнять из грунта с хорошей водоудерживающей способностью и слегка увлажнять в течение первых 2–3 суток для полной гидратации бентонита.

Бентонит можно комбинировать с небольшим количеством электролитов. Добавка 1–3 % соли от массы бентонита ускоряет снижение сопротивления в первые месяцы, а сам бентонит препятствует быстрому вымыванию соли. Такая комбинация часто оказывается оптимальной по соотношению цена — долговечность.

6. Технология подготовки и обработки грунта вокруг электродов

Правильная последовательность работ определяет конечный результат не меньше, чем выбор материала. Ниже приведена рекомендуемая технология для вертикальных и горизонтальных электродов.

Подготовка места работ

• Определяют места установки электродов с учётом требований к сопротивлению и геометрии контура.
• Отрывают котлованы или траншеи. Для вертикального стержня диаметром 16–20 мм диаметр котлована обычно составляет 0,6–1,0 м, глубина — на 0,3–0,5 м меньше длины электрода (верх электрода должен находиться ниже уровня сезонного промерзания или на глубине не менее 0,5–0,7 м).
• Стенки котлована выравнивают, удаляют крупные камни и строительный мусор.

Установка электрода и укладка улучшающего материала

• Электрод устанавливают строго вертикально по центру котлована.
• Вокруг электрода равномерно укладывают бентонитовую смесь (пасту или сухой порошок с последующим увлажнением) или чередующиеся слои грунта и соли.
• Каждый слой тщательно уплотняют ручной трамбовкой или вибратором. Наличие воздушных полостей резко снижает эффективность.
• При использовании соли слои соли делают тоньше слоёв грунта и обязательно смачивают.

Обратная засыпка

• Оставшийся объём заполняют местным грунтом с послойным уплотнением через каждые 15–20 см.
• Верхний слой выполняют с небольшим запасом по высоте с учётом последующей усадки.
• Поверхность планируют так, чтобы исключить застой воды или, наоборот, быстрый сток (в зависимости от климатических условий).

Увлажнение после монтажа

В течение первых 48–72 часов после укладки бентонита или солевой обработки рекомендуется поддерживать повышенную влажность зоны обработки. Это обеспечивает полную гидратацию и равномерное распределение электролита.

При устройстве протяжённых горизонтальных заземлителей технологию адаптируют: траншею отрывают на проектную глубину, на дно укладывают песчаную или глинистую подушку, затем электрод, затем слой улучшающего материала толщиной 50–100 мм с каждой стороны, после чего выполняют обратную засыпку.

Во всех случаях после завершения земляных работ необходимо дать грунту стабилизироваться не менее нескольких суток перед проведением контрольных измерений.

7. Контроль результатов: измерение сопротивления до и после обработки

Без инструментального контроля невозможно объективно оценить эффективность проведённых работ. Измерения выполняют в два этапа: до начала обработки грунта и после завершения работ и стабилизации влажностного режима.

До начала работ измеряют:

• удельное сопротивление грунта на площадке (четырёхэлектродным методом);
• сопротивление существующих заземлителей (если они есть).

После обработки измеряют сопротивление готового заземляющего устройства. Для этих целей применяют трёх- или четырёхпроводный метод. Измерители сопротивления заземления ИС-05 и ИС-06 позволяют выполнять измерения по двух- и трёхпроводной схеме, а ИС-10 и ИС-20 — по двух-, трёх- и четырёхпроводной схеме с возможностью определения удельного сопротивления грунта.

Рекомендуемый порядок контрольных измерений:

1. Измерение выполняют не ранее чем через 3–5 суток после окончания увлажнения.
2. При наличии в грунте блуждающих токов или наведённых напряжений используют режим измерения с подавлением помех (если прибор его поддерживает).
3. Результаты фиксируют с указанием температуры воздуха, влажности и состояния грунта на момент измерения.
4. Повторные измерения целесообразно проводить через 1–2 месяца и после первого зимнего сезона.

При измерении удельного сопротивления грунта методом Веннера расстояние между электродами выбирают исходя из глубины исследования. Для оценки зоны, влияющей на вертикальные электроды длиной 3–5 м, обычно достаточно разносов 2–5 м.

Формула расчёта остаётся прежней:

где \(a\) — расстояние между соседними электродами.

Сравнение значений сопротивления до и после обработки позволяет количественно оценить достигнутый эффект. В благоприятных случаях удаётся снизить сопротивление заземляющего устройства в 3–6 раз и более.

8. Типичные ошибки, сезонные особенности и обеспечение долговечности

Даже при использовании качественных материалов результат может оказаться неудовлетворительным из-за технологических ошибок.

Наиболее распространённые ошибки:

• Недостаточный объём обрабатываемого грунта. Тонкая оболочка толщиной несколько сантиметров даёт лишь кратковременный эффект.
• Укладка сухого бентонита без последующего достаточного увлажнения. Без гидратации материал не работает.
• Отсутствие уплотнения. Воздушные полости резко увеличивают переходное сопротивление.
• Применение только соли без мер по удержанию влаги. Эффект быстро исчезает после дождей.
• Игнорирование глубины промерзания. Верхняя часть электрода, находящаяся в промерзающем слое, зимой практически перестаёт работать.
• Проведение контрольных измерений сразу после обильного полива. Полученные значения оказываются заниженными.

Сезонные особенности необходимо учитывать как при проектировании, так и при эксплуатации. В зимний период сопротивление заземляющего устройства возрастает из-за промерзания верхних слоёв. Бентонитовая оболочка частично смягчает этот эффект благодаря удержанию незамёрзшей влаги, однако полностью устранить сезонное увеличение сопротивления невозможно. Поэтому расчётное значение сопротивления всегда принимают с учётом наиболее неблагоприятного сезона.

Для обеспечения долговечности рекомендуется:

• использовать оцинкованные или нержавеющие электроды при применении солевых добавок;
• предусматривать возможность повторной обработки или подпитки зоны бентонитом через специальные скважины (в особо ответственных объектах);
• периодически (раз в 2–3 года) контролировать сопротивление заземляющего устройства;
• избегать расположения обработанных зон в местах интенсивного стока поверхностных вод.

Правильно выполненная подготовка грунта с применением бентонита и при необходимости умеренным количеством электролитов позволяет получить стабильное низкое сопротивление заземляющего устройства на срок 10–15 лет и более без существенного ухудшения характеристик.

Качественный контроль параметров заземляющих устройств после проведения работ по улучшению грунта требует применения современных измерителей сопротивления. Купить подходящий прибор и уточнить актуальную цену можно, ориентируясь на требуемый диапазон измерений и условия эксплуатации.

Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич