§ 3. Особенности заземляющих устройств в вечномерзлых грунтах

Заземляющие устройства выполняются в соответствии с правилами устройств электроустановок [9] и учетом местных условии.

Рис. IV-50. График удельного сопротивления различных грунтов в зависимости от температуры (средние ориентировочные значения). 1 - суглинок с влажностью 4-40%; 2 - глина с влажностью 6-40%; 3 - пылеватый засоленный грунт с влажностью 12-35%; 4 - супесчаный грунт с влажностью 12-30%

Проводимость мерзлых грунтов зависит от температуры, давления, концентрации ионов и величины удельной проводимости скелета грунта, а также от расположения ледяных включений. На удельное сопротивление мерзлого грунта, кроме температуры, оказывает влияние его влажность, являющаяся переменной величиной. Поэтому для определения удельного сопротивления необходим ряд измерений непосредственно в грунтах той площадки, где проектируется заземляющее устройство. Ориентировочно изменения удельного сопротивления различных грунтов в зависимости от температуры дают кривые, приведенные на рис. IV-50.

Рис. IV-51. Зависимость удельного сопротивления одного из образцов суглинка от влажности и температуры

В мерзлом состоянии у большинства грунтов имеется оптимальное значение влажности (обычно в пределах 10-30%), превышение которого приводит к возрастанию удельного сопротивления; это может иметь место, например, после оттаивания грунта паровой иглой при последующем замерзании. Зависимость удельного сопротивления суглинка от влажности при различных температурах показана на рис. IV-51. Температура грунтов в естественных условиях и, следовательно, удельное, сопротивление грунта зависят от растительного покрова почвы, солнечной освещенности, среднегодовой температуры воздуха и толщины снегового покрова.

При проектировании заземляющих устройств следует учитывать температуру грунтов у верхней границы зоны нулевых годовых амплитуд. Поскольку большинство грунтов до температуры -5°С обладает некоторой проводимостью, устройство заземлений в этих условиях не представляет особых трудностей.

Таблица IV-13. Ориентировочные значения удельных сопротивлений грунта

Местности лежащие в высоких широтах, где температура на уровне нулевых годовых амплитуд достигает -10°С и ниже, являются неблагоприятными для устройства заземлений и требуют применения более сложных заземляющих устройств, либо других способов защиты персонала (выравнивание потенциала, изолирующие площадки). Значения удельных сопротивлений различных грунтов приведены в табл. IV-13.

При температурах ниже -10°С большинство грунтов не проводит электрический ток. Температура поверхностных слоев грунта в середине зимы достигает -20 °С, и они практически становятся изолятором; также не проводит ток сухой снег. Все это следует учитывать при проектировании заземляющих устройств. Эти устройства подлежат передаче в эксплуатацию только после контрольных измерений. В процессе эксплуатации сопротивление заземлений должно измеряться не реже двух раз в год; при измерении сопротивления растеканию используются, как правило, три заземления. Одно из них является измеряемым, второе - вспомогательным (для образования замкнутой цепи тока) и третье - зондом, расположенным в точке участка территории, где потенциал может быть принят равным нулю. В связи с трудностью выполнения работ в мерзлом грунте вспомогательное заземление и зонд должны проектироваться и исполняться одновременно с основным заземлением. При применении высокоомного вольтметра расчетное сопротивление растеканию вспомогательного заземлителя должно быть не более 500 см; сопротивление зонда не следует принимать более 1000 ом.

Заземляющее устройство составляется из глубинных вертикальных заземлителей и горизонтальных полос. Для устройства заземлений на глубину нескольких метров могут быть применены бурение или электрооттаивание грунта, а в отдельных случаях парооттаивание. При бурении пространство между металлическим заземлителем и стенками скважины следует заполнять нагретым концентрированным раствором поваренной соли либо смесью размельченного грунта с солью. Верхний конец вертикального заземлителя следует размещать в грунте на глубине не меньше 0,5 м, не допуская его излишнего охлаждения зимой. Полосу связи или протяженный заземлитель укладывать на глубину более 0,5 м нецелесообразно.

К естественным заземлителям для районов вечномерзлых грунтов можно отнести свинцовые оболочки электрических подземных кабелей. Однако наличие джутового покрова на кабеле создает менее благоприятные условия для переходной проводимости от оболочки на вечномерзлый грунт, чем в талом грунте. Использование водопроводных труб и труб центрального отопления для заземлений рекомендовать нельзя, так как в большинстве случаев они прокладываются в коробах, туннелях или эстакадах и изолируются от грунта.

Рис. IV-52. График для расчета заземлителей, погружаемых в воду или дно соленых и пресных водоемов, составленных из стальной полосы 40×4 мм

Если объект, подлежащий заземлению, расположен на расстоянии до 2 км от берега моря, целесообразно устройство выносного заземления в море. Морская вода обладает большей проводимостью, чем грунт морского дна. Следует располагать заземляющие проводники выше уровня дна, например, на сваях или стенках причала, водозаборных устройств и т. п. На открытом морском берегу, где может быть торошение льда, заземлители нужно укладывать на дно или в грунт в трещинах скал. Необходимую длину заземлителя можно определить по графику (рис. IV-52).

Для северных морей скорость коррозии стальных заземлителей можно принять следующую: при периодическом смачивании - 0,5 мм в год; под водой - 0,1 мм в год; под водой в грунте - 0,05 мм в год.

Применение для заземлений в море оцинкованных полос рекомендовать нельзя, так как царапины, нарушившие слой цинка, могут вызвать усиленную коррозию и преждевременное разрушение заземлителя. Части полос связи, входящие в воду, а также места сварки полос и заземлителей следует покрывать надежным асфальтобитумным покрытием и обмоткой с пропитанной тканью.

Если пресный водоем имеет небольшую глубину (1-2 м) и промерзает к концу зимы, устройство выносного заземления в грунте дна может оказаться более приемлемым, чем устройство контурных заземлений с глубинными заземлителями вне водоема. Дно промерзающего водоема часто остается талым круглый год, а если и замерзает, то температура его не опускается намного ниже нуля.

Устройство выносных заземлений в естественных таликах целесообразно, когда они находятся на небольшом расстоянии от заземляемого объекта. При этом необходимым условием является полное восстановление растительного слоя, поврежденного при устройстве заземления в талике.

Во всех случаях устройства выносных заземлений для выравнивания потенциала на территории заземляемого объекта необходимо устраивать один, а в ответственных случаях несколько контуров, расположенных на расстоянии 1-1,5 м друг от друга на глубине около 0,5 м; контуры должны надежно соединяться с полосой связи выносного заземления.

Если условия местности не позволяют сделать выносное заземление с приемлемыми технико-экономическими показателями, то сооружается заземление в непосредственной близости от заземляемого объекта. Наименьшим сопротивлением обладают тонкодисперсные горные породы: глина суглинки, пыле-ватые грунты. Если грунт по всей территории примерно одинаков, то следует проектировать контурное заземление вокруг заземляемого объекта.

Универсальным заземлением является устройство, включающее:

• глубинные вертикальные заземлители, рассчитанные для удельного сопротивления грунта на глубине 2-3 м при температуре в марте - апреле месяцах;
• полосы связи, уложенные на глубине 0,5 м;
• несколько контуров из стальной полосы, уложенных вокруг заземляемого объекта на расстоянии около 1 м друг от друга на глубине 0,2-0,5 м.

Все перечисленные заземлители надежно соединяются между собой и внутренним контуром заземления.

Устройство заземлений целесообразно выполнять только в грунтах, имеющих температуры не ниже минус 5-7°С. В местностях, где температура на верхней границе зоны нулевых амплитуд составляет -10 °С и ниже, следует применять устройства, выравнивающие потенциал на площади, необходимой для обслуживания объекта. Такое устройство выполняется в виде сетки с шагом около 0,5 м из полосовой стали уложенной на ребро на глубине около 0,5 м. Участок, покрытый такой решеткой, должен быть огражден.

Рис. IV-53. График для расчета заземлений, выполненных в виде замкнутого контура из заземлителей ∅60 мм, длиной 2,5 м, погруженных в грунт на глубину 3 м с шагом 5 м и соединенных в контур стальной полосой 20×4 мм (кривые построены без учета коэффициента промерзания)

Ориентировочный расчет контура вертикальных заземлителей длиной 2,5 м, соединенных полосой связи, можно выполнить по графику (рис. IV-53).

В автономных системах электроснабжения, где напряжение в сети не превышает 400 в, применяется глухое заземление нейтрали или зануление. Устройство заземлений в таких системах следует проектировать только для работы в летних условиях.

Для грозозащиты применяются поверхностные заземлители в виде лучей, колец или протяженных противовесов. При расчетах принимаются максимальные значения удельного сопротивления грунта, измеренные на данном участке в грозовой период, с поправочным коэффициентом K = 2. Полосы укладываются на ребро на глубине около 0,5 м.

Высокочастотные заземления радиостанций выполняются а виде сеток или лучей с кольцами на небольшой глубине (0,2-0,3 м) с обходными путями на случай обрыва проводов в морозобойных трещинах. Сетка высокочастотного заземления является отличным устройством для выравнивания потенциала на территории объекта, поэтому следует объединить высокочастотное заземление с защитным заземлением в одну надежно соединенную систему. Для уменьшения вероятности обрыва проводов в морозобойных трещинах следует принять меры к снегозадержанию на площади заземления.

Устройство рабочих заземлений для установки связи и сигнализации в условиях вечномерзлых грунтов нецелесообразно. Конструкция таких заземлений, рассчитанная для работы круглый год, получается слишком громоздкой и дорогой, поэтому их следует заменять дополнительным проводом, отдельной жилой или оболочкой кабеля. В качестве обратного провода могут быть использованы трубы центрального отопления или водопровода, если это не будет вызывать их электрокоррозии.