Оглавление
- Введение. Роль заземляющих устройств и значение их сопротивления
- Механизмы коррозии заземлителей
- Как коррозия влияет на сопротивление заземляющего устройства
- Факторы, ускоряющие коррозию заземлителей
- Методы защиты заземляющих устройств от коррозии
- Контроль состояния заземлителей и измерение сопротивления
- Практические рекомендации по эксплуатации и обслуживанию
- Заключение
1. Введение. Роль заземляющих устройств и значение их сопротивления
Заземляющие устройства являются одним из ключевых элементов системы электробезопасности. Они обеспечивают безопасный сток токов короткого замыкания, токов утечки и импульсных токов молнии в землю, ограничивая потенциал металлических частей оборудования и снижая напряжение прикосновения и шага до допустимых значений. Эффективность работы заземляющего устройства напрямую определяется его сопротивлением растеканию тока \( R_з \). Чем ниже это сопротивление, тем надёжнее выполняется защитная функция.
Согласно требованиям Правил устройства электроустановок, сопротивление заземляющего устройства должно поддерживаться в нормируемых пределах в любое время года. Для электроустановок напряжением до 1 кВ с глухозаземлённой нейтралью это значение обычно не превышает 4 Ом, для повторных заземлителей нулевого проводника — 30 Ом, а для сетей выше 1 кВ с эффективно заземлённой нейтралью — 0,5 Ом. Превышение указанных величин приводит к росту потенциалов на корпусах оборудования, увеличению опасности поражения электрическим током и снижению надёжности срабатывания защитных аппаратов.
В процессе длительной эксплуатации заземляющие электроды подвергаются непрерывному воздействию окружающей среды. Одним из наиболее разрушительных факторов является коррозия. Коррозионные процессы постепенно уменьшают сечение металлических элементов, изменяют свойства контактной поверхности «металл — грунт» и приводят к существенному росту сопротивления растеканию. Даже относительно небольшое увеличение \( R_з \) может вывести заземляющее устройство за пределы нормативных требований и создать предпосылки для аварийных ситуаций.
Практика обследования действующих объектов показывает, что через 10–15 лет эксплуатации сопротивление заземляющих устройств часто возрастает в 1,1–1,5 раза, а в агрессивных грунтах и при наличии блуждающих токов — значительно сильнее. При этом визуально определить степень повреждения без вскрытия грунта практически невозможно. Поэтому понимание механизмов коррозии, её влияния на электрические характеристики заземлителей и методов своевременного контроля приобретает особую важность.
В настоящей статье рассматриваются основные виды коррозионных процессов, происходящих на заземлителях, количественная оценка влияния коррозии на сопротивление растеканию, факторы, ускоряющие разрушение металла, а также способы защиты и контроля состояния заземляющих устройств. Особое внимание уделено практическим аспектам, позволяющим сохранять работоспособность контуров заземления на протяжении всего срока службы электроустановки.
Оформите заказ на измеритель сопротивления заземления ИС-10, чтобы гарантировать электробезопасность на промышленных площадках.
2. Механизмы коррозии заземлителей
Коррозия металлических заземлителей, находящихся в грунте, носит преимущественно электрохимический характер. Почва представляет собой сложный электролит, содержащий влагу, растворённые соли, кислоты, щёлочи и кислород. При контакте металла с таким электролитом возникают гальванические микро- и макроэлементы, в результате работы которых происходит анодное растворение металла.
Основными видами коррозии, действующими на заземляющие электроды, являются:
- почвенная (грунтовая) электрохимическая коррозия;
- коррозия блуждающими токами (электрокоррозия);
- контактная (гальваническая) коррозия при соединении разнородных металлов;
- коррозия, ускоренная деятельностью микроорганизмов (биокоррозия).
Почвенная коррозия возникает вследствие неоднородности грунта и металла. Различие в содержании кислорода, влажности, концентрации солей и pH приводит к образованию анодных и катодных зон на поверхности электрода. В анодных зонах происходит окисление железа:
\[ \mathrm{Fe} \rightarrow \mathrm{Fe}^{2+} + 2e^{-} \]На катодных участках consumируются электроны с участием кислорода или ионов водорода:
\[ \mathrm{O}_2 + 2\mathrm{H}_2\mathrm{O} + 4e^{-} \rightarrow 4\mathrm{OH}^{-} \] \[ 2\mathrm{H}^{+} + 2e^{-} \rightarrow \mathrm{H}_2 \]Образующиеся ионы железа вступают в дальнейшие реакции с образованием гидроксидов и оксидов, которые составляют слой продуктов коррозии (ржавчины). Этот слой обладает значительно более высоким удельным сопротивлением, чем исходный металл, и ухудшает электрический контакт электрода с грунтом.
Коррозия блуждающими токами представляет особую опасность. Источниками блуждающих токов служат электрифицированные железные дороги постоянного тока, трамвайные линии, метрополитен, некоторые промышленные установки. В местах, где ток стекает с заземлителя в землю (анодные зоны), скорость разрушения металла резко возрастает. Потери железа от коррозии блуждающими токами могут достигать 9–12 кг на один ампер в год. При этом разрушение носит локальный характер и часто приводит к сквозным повреждениям электродов.
Контактная коррозия проявляется при непосредственном соединении в грунте металлов с различными стационарными потенциалами (например, сталь и медь). Более активный металл (сталь) становится анодом и ускоренно растворяется. Именно поэтому нормативные документы запрещают непосредственный контакт меди и стали в земле без специальной изоляции места соединения.
Биокоррозия связана с жизнедеятельностью сульфатредуцирующих и других бактерий, выделяющих сероводород и другие агрессивные вещества. Этот вид коррозии особенно характерен для заболоченных и илистых грунтов с низким содержанием кислорода.
Все перечисленные механизмы могут действовать одновременно, усиливая друг друга. В результате на поверхности заземлителя формируются участки с различной скоростью разрушения, а продукты коррозии создают неоднородный высокоомный слой.
3. Как коррозия влияет на сопротивление заземляющего устройства
Сопротивление растеканию тока заземляющего устройства складывается из нескольких составляющих: сопротивления самого металла электрода, переходного сопротивления на границе «металл — грунт» и сопротивления объёма грунта. Коррозия воздействует преимущественно на первые две составляющие.
Первый механизм влияния — уменьшение поперечного сечения электрода. По мере растворения металла уменьшается его диаметр (для стержневых и трубчатых электродов) или толщина (для полосовых). Сопротивление металла электрода растёт обратно пропорционально площади сечения. Для вертикального стержневого заземлителя приближённая формула сопротивления имеет вид:
\[ R = \frac{\rho}{2\pi L}\left(\ln\frac{4L}{d} - 1\right) \]где \( \rho \) — удельное сопротивление грунта, \( L \) — длина электрода, \( d \) — диаметр. Уменьшение \( d \) приводит к росту \( R \), хотя этот вклад обычно невелик по сравнению с влиянием продуктов коррозии.
Значительно более сильное влияние оказывает слой продуктов коррозии. Оксиды и гидроксиды железа обладают удельным сопротивлением на несколько порядков выше, чем чистый металл. Слой ржавчины толщиной несколько миллиметров работает как последовательное сопротивление, включённое между электродом и грунтом. Расчёты и экспериментальные данные показывают, что при толщине коррозионного слоя 3–5 мм сопротивление растеканию может возрастать в 1,5–2 раза и более по сравнению с новым электродом.
Кроме того, коррозионный слой ухудшает распределение тока по длине электрода. Ток начинает преимущественно стекать с тех участков, где слой тоньше или частично разрушен, что приводит к локальному увеличению плотности тока и дальнейшему ускорению коррозии в этих местах. В результате сопротивление растёт нелинейно во времени.
Практика измерений на действующих объектах подтверждает существенный рост сопротивления. При сроках эксплуатации 10–20 лет коэффициент увеличения сопротивления за счёт коррозии часто составляет 1,1–1,3. В агрессивных грунтах и при наличии блуждающих токов этот коэффициент может достигать 1,5–2,0. При разрушении более 50 % сечения элемента заземляющего устройства его замена становится обязательной.
Важно отметить, что увеличение сопротивления не всегда происходит равномерно. Локальные повреждения (язвенная, питтинговая коррозия) могут приводить к полному разрыву отдельных горизонтальных связей контура. В этом случае сопротивление растеканию резко возрастает, а распределение потенциалов по территории объекта становится неравномерным, что повышает опасность шаговых напряжений.
Своевременное выявление роста сопротивления возможно только путём регулярных измерений. Для этой цели применяются специализированные измерители сопротивления заземления, позволяющие выполнять измерения по трёх- и четырёхпроводной схемам, а также с использованием клещей. Приборы ИС-10 и ИС-20 обеспечивают высокую точность измерений даже в условиях помех, характерных для действующих электроустановок, и позволяют контролировать динамику изменения сопротивления заземлителей.
4. Факторы, ускоряющие коррозию заземлителей
Скорость коррозионных процессов определяется совокупностью внешних и внутренних факторов. К наиболее значимым относятся характеристики грунта, наличие блуждающих токов, конструкция и материал электродов, а также особенности эксплуатации электроустановки.
Коррозионная агрессивность грунта оценивается в первую очередь по его удельному электрическому сопротивлению, влажности, содержанию солей, значению pH и окислительно-восстановительному потенциалу. Общепринятая классификация приведена в таблице.
| Коррозионная агрессивность грунта | Удельное сопротивление, Ом·м | Средняя плотность катодного тока, А/м² |
|---|---|---|
| Низкая | Свыше 50 | До 0,05 |
| Средняя | От 20 до 50 | От 0,05 до 0,20 |
| Высокая | До 20 | Свыше 0,20 |
Грунты с низким удельным сопротивлением (засолённые, влажные, торфяные) обладают высокой электропроводностью электролита и, соответственно, высокой скоростью коррозии. Особенно опасны грунты с переменной влажностью: в зоне колебания уровня грунтовых вод создаются условия дифференциальной аэрации, ускоряющие разрушение металла.
Наличие блуждающих постоянных токов является одним из самых мощных ускорителей коррозии. Даже небольшие плотности тока (десятые доли ампера на квадратный метр) способны в несколько раз увеличить скорость потери металла. Наиболее опасны зоны вблизи электрифицированного транспорта постоянного тока и установки катодной защиты соседних сооружений.
Материал и конструкция заземлителя также существенно влияют на долговечность. Чёрная сталь без покрытия корродирует быстрее оцинкованной. Горячее цинкование создаёт протекторный слой, который защищает сталь до полного растворения цинка. Медные и омеднённые электроды обладают значительно большей стойкостью, однако при неправильном соединении со стальными элементами могут ускорять коррозию последних.
Дополнительными факторами являются:
- температура грунта (с повышением температуры скорость электрохимических реакций растёт);
- наличие в грунте строительного мусора, щебня, шлака, которые создают неоднородность среды;
- протекание через заземлитель длительных токов (токи короткого замыкания, токи плавки гололёда по схеме «провод — земля»);
- некачественные сварные соединения, в которых образуются щели и зазоры с повышенной коррозионной активностью.
Совокупное действие перечисленных факторов приводит к тому, что срок службы стальных заземлителей в агрессивных условиях может сократиться до 8–12 лет, в то время как в благоприятных грунтах он достигает 25–40 лет. Именно поэтому при проектировании и эксплуатации необходимо учитывать реальные грунтовые условия и предусматривать соответствующие меры защиты и контроля.
Периодические измерения сопротивления заземляющих устройств с применением приборов ИС-05, ИС-06, ИС-10 и ИС-20 позволяют своевременно выявлять участки с ускоренной коррозией и принимать меры до того, как сопротивление выйдет за нормативные пределы. Регулярный контроль остаётся наиболее надёжным способом поддержания работоспособности заземляющих устройств на протяжении всего срока службы объекта.
5. Методы защиты заземляющих устройств от коррозии
Защита заземляющих устройств от коррозии строится на принципе снижения скорости электрохимических процессов либо полного исключения контакта металла с агрессивной средой. На практике применяется комплекс мер, которые можно разделить на конструктивные, технологические и электрохимические.
К конструктивным методам относится правильный выбор материала и сечения электродов. В грунтах средней и высокой агрессивности рекомендуется применять:
- сталь с горячим цинковым покрытием толщиной не менее 70–100 мкм;
- сталь с медным покрытием или омеднённые стержни;
- медные или медно-стальные электроды;
- нержавеющие стали отдельных марок (при обосновании экономической целесообразности).
Увеличение сечения электродов сверх минимально необходимого по условиям термической стойкости позволяет компенсировать потерю металла в течение расчётного срока службы. При проектировании часто закладывают запас по сечению 20–50 % в зависимости от прогнозируемой скорости коррозии.
Технологические методы включают изоляцию поверхности электродов и мест соединений. Для горизонтальных заземлителей применяют битумные, полимерные и комбинированные покрытия. Однако полное покрытие вертикальных электродов недопустимо, поскольку оно резко повышает сопротивление растеканию. Изолируют только верхнюю часть вертикальных стержней в зоне переменной влажности и все сварные соединения.
Электрохимическая защита реализуется двумя основными способами:
- протекторная (гальваническая) защита — присоединение к заземлителю более электроотрицательного металла (магний, цинк, алюминиевые сплавы);
- катодная защита внешним током — подключение отрицательного полюса источника постоянного тока к защищаемой конструкции, а положительного — к анодному заземлению.
Катодная защита эффективна на крупных объектах (подстанции, протяжённые контуры), где стоимость станций катодной защиты оправдана. Защитный потенциал стали относительно медно-сульфатного электрода сравнения должен поддерживаться в диапазоне от минус 0,85 до минус 1,15 В. Превышение нижнего предела (перезащита) приводит к выделению водорода и разрушению покрытий.
В особо сложных условиях (высокая агрессивность грунта, наличие блуждающих токов) применяют комбинированные решения: омеднённые электроды + протекторная защита, либо увеличение числа вертикальных электродов с одновременным применением катодной станции.
Отдельного внимания заслуживают электролитические заземлители. Они представляют собой перфорированные трубы, заполненные специальной солевой смесью. При увлажнении образуется электролит, значительно снижающий переходное сопротивление. Современные составы наполнителей не содержат хлоридов, что уменьшает собственную коррозионную активность системы. Срок службы таких устройств при правильном обслуживании достигает 30 лет и более.
Выбор конкретного метода защиты всегда должен основываться на результатах инженерно-геологических изысканий и расчёте коррозионной опасности. Универсального решения не существует: в одном случае достаточно оцинкованной стали увеличенного сечения, в другом — требуется полноценная система катодной защиты.
6. Контроль состояния заземлителей и измерение сопротивления
Даже самые совершенные меры защиты не исключают необходимости регулярного контроля. Согласно РД 153-34.0-20.525-00 полная проверка состояния заземляющих устройств выполняется не реже одного раза в 12 лет. Измерение сопротивления растеканию рекомендуется проводить чаще — раз в 3–6 лет в зависимости от коррозионной агрессивности грунта и наличия блуждающих токов.
Основные виды контроля включают:
- визуальный осмотр доступных частей и вскрытие грунта в характерных точках;
- проверку целостности соединений и металлосвязи;
- измерение сопротивления растеканию тока;
- оценку коррозионного состояния элементов (потеря сечения);
- измерение напряжения прикосновения (при необходимости);
- определение наличия блуждающих токов.
Элемент заземляющего устройства подлежит замене, если разрушено более 50 % его сечения. Для прогнозирования остаточного ресурса измеряют окислительно-восстановительный потенциал, удельное сопротивление грунта и плотность блуждающих токов.
Наиболее информативным и часто применяемым методом остаётся измерение сопротивления растеканию. Современные цифровые измерители позволяют выполнять измерения по двух-, трёх- и четырёхпроводным схемам, а также с использованием токовых клещей без разрыва цепи. Приборы ИС-05 и ИС-06 хорошо подходят для оперативных измерений на объектах небольшой мощности. Для более сложных условий, при наличии сильных помех и необходимости высокой точности, применяют ИС-10 и ИС-20. Эти приборы обеспечивают автоматический выбор диапазона, компенсацию сопротивления проводов и измерение удельного сопротивления грунта методом Веннера.
При измерениях важно соблюдать методику: вспомогательные электроды устанавливают на достаточном расстоянии, исключают влияние параллельных металлических коммуникаций, выполняют измерения при наиболее неблагоприятных сезонных условиях (максимальное промерзание или просыхание грунта). Результаты заносят в паспорт заземляющего устройства и сравнивают с предыдущими значениями. Рост сопротивления более чем на 15–20 % от исходного требует детального обследования.
Дополнительную информацию даёт измерение сопротивления отдельных вертикальных электродов с помощью клещей (режим, доступный на ИС-10/1 и ИС-20/1). Это позволяет выявить наиболее повреждённые элементы без полного вскрытия контура.
7. Практические рекомендации по эксплуатации и обслуживанию
Эффективная эксплуатация заземляющих устройств строится на систематическом подходе. Ниже приведены основные практические рекомендации, подтверждённые многолетним опытом.
- При проектировании всегда учитывайте фактическую коррозионную агрессивность грунта. Не ограничивайтесь усреднёнными табличными значениями. Проводите измерения удельного сопротивления и оценивайте наличие блуждающих токов на стадии изысканий.
- Выбирайте материал электродов с запасом по стойкости. В грунтах высокой агрессивности предпочтение следует отдавать омеднённым или медным электродам, даже если первоначальные затраты выше.
- Все сварные соединения в земле выполняйте внахлёст с двусторонней проваркой и тщательно изолируйте битумной мастикой или термоусаживаемыми материалами.
- Не размещайте заземлители в местах, где грунт подвержен сильному высушиванию (вблизи теплотрасс) или повышенной агрессивности (свалки, химические производства).
- Ведите паспорт заземляющего устройства с результатами всех измерений. Сравнительный анализ динамики сопротивления позволяет прогнозировать необходимость ремонта за несколько лет.
- При обнаружении роста сопротивления более чем на 20 % выполняйте выборочное вскрытие грунта в местах наибольших токовых нагрузок (вблизи вводов, трансформаторов, разрядников).
- После любых земляных работ на территории объекта проверяйте целостность горизонтальных связей. Повреждение полосы часто остаётся незамеченным и приводит к резкому увеличению сопротивления.
- В зонах влияния электрифицированного транспорта постоянного тока обязательно предусматривайте защиту от блуждающих токов (дренажные устройства, усиленная изоляция, катодная защита).
Особое внимание следует уделять сезонным измерениям. Сопротивление заземляющего устройства достигает максимальных значений в периоды наибольшего промерзания грунта зимой и наибольшего просыхания летом. Именно эти значения должны сравниваться с нормативными.
Для оперативного контроля удобно иметь на объекте или в службе собственный измерительный комплект. Приборы серии ИС позволяют выполнять весь необходимый объём измерений одним специалистом в течение рабочего дня. Регулярные измерения с интервалом 1–3 года в агрессивных условиях и 3–6 лет в нормальных позволяют поддерживать сопротивление в нормативных пределах на протяжении всего срока службы электроустановки.
8. Заключение
Коррозия заземляющих устройств — неизбежный процесс, скорость которого определяется совокупностью грунтовых, электрических и конструктивных факторов. Основным следствием коррозии является рост сопротивления растеканию тока, что напрямую снижает эффективность защиты и повышает опасность поражения электрическим током.
Своевременное применение конструктивных, технологических и электрохимических методов защиты в сочетании с регулярным контролем состояния позволяет значительно продлить срок службы заземлителей и сохранить параметры заземляющего устройства в пределах нормативных требований. Ключевым элементом системы обслуживания остаётся периодическое измерение сопротивления растеканию с применением современных цифровых приборов.
Правильно спроектированное, защищённое от коррозии и систематически контролируемое заземляющее устройство обеспечивает надёжную и безопасную работу электроустановки на протяжении десятилетий.
Для поддержания нормативных значений сопротивления заземляющих устройств рекомендуется регулярно выполнять измерения. Современные измерители позволяют быстро и точно контролировать состояние контуров. При необходимости можно купить подходящий прибор, уточнив актуальную цену и комплектацию под конкретные задачи объекта.
Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич