Марка • Оборудование

ОБО БЕТТЕРМАНН:
Заземление объекта с высокотехнологичным оборудованием

Открыть в формате PDF

Владимир Лещинский, руководитель направления технического обучения по системам молниезащиты и защиты от импульсных перенапряжений ООО «ОБО Беттерманн»

Заземляющее устройство (ЗУ) объекта, в состав которого входит современное оборудование, обычно выполняет несколько совмещенных функций: защитное заземление оборудования, рабочее (функциональное) заземление, молниеприемное заземление. ЗУ, выполняющее эти функции, представляет собой группу заземлителей, связанных в единый комплекс через главную заземляющую шину (ГЗШ) объекта.

Рассмотрим, какие требования к сопротивлению ЗУ предъявляются для выполнения этих функций. Под выражением «сопротивление ЗУ» условимся понимать сопротивление растеканию ЗУ в точке подключения к ГЗШ объекта.

ТРЕБОВАНИЯ К СОПРОТИВЛЕНИЮ ЗУ

Защитное заземление должно иметь сопротивление, обеспечивающее безопасность персонала по напряжению прикосновения от поражения электрическим током и должно работать в диапазоне частот 0–50 Гц. Эта тема давно и подробно рассмотрена в нормативных документах.

Рабочее (функциональное) заземление должно обеспечивать нормальную работу оборудования объекта, требующего для своего функционирования соединения с землей. Как правило, величина сопротивления заземляющего устройства для подобного оборудования – 4 Ом, при особых требованиях – 2 Ом. Оборудование, требующее для своей работы функ-ционального заземления, всегда чувствительно к наведенным помехам на ЗУ.

Молниеприемное заземление служит для передачи в землю энергии молнии. Рассмотрим более подробно работу данного ЗУ. Обычно на долю молниеприемного заземлителя приходится около 50% энергии молнии. Остальная часть энергии растекается по объекту и создает разность потенциалов между его проводящими частями. К этим структурам относятся:

• система проводящих конструкций объекта (арматура, балки, колонны и т.п.). При протекании части прямого тока молнии возможно искрение, пробои, возникновение локального перегрева. Точечный перегрев арматуры железобетона в местах контактов снижает ее механическую прочность. Пробои и локальный перегрев в местах приближений и плохих контактов арматуры приводят к резкому испарению влаги, присутствующей в конструкции. Результатом становится разрушение части железобетонных конструкций (рис. 1);
• корпуса групп оборудования, подключенные к системе уравнивания потенциалов. При стекании тока молнии на заземлитель происходит бросок потенциала локальной земли. Корпуса оборудования объекта, соединенные с заземлителем, принимают его потенциал. Сигнальные проводники систем управления, связи, проводники системы питания имеют потенциал заземлителя трансформаторной подстанции (ТП) плюс рабочее напряжение линии (обычно от 5 до 220 В). Потенциал заземлителя ТП близок к нулю. Так как энергия молнии велика, разность потенциалов между корпусами оборудования, принявшими потенциал заземлителя объекта, и системой сигнальных (питающих) проводников, принявших потенциал заземлителя ТП, многократно превышает импульсную стойкость изоляции оборудования. Происходит пробой в местах наименьшей стойкости изоляции. Наименьшая стойкость к импульсным воздействиям – у сложных электронных устройств, таких как процессор, поэтому они повреждаются в первую очередь. В случае когда ЗУ изготовлено неудачно, пробои происходят не только в микросхемах или входных каскадах, страдают
  и более стойкие устройства – проводники и кабели питания. При множественных повреждениях электронного и питающего оборудования его проще заменить, чем отремонтировать;
• проводящие покровы кабелей (связи и энергетики), выходящие из объекта. Проводящие покровы кабелей, проложенных в грунте, работают как дополнительные ЗУ. По ним истекает из объекта часть тока молнии. Если эта часть велика (неудачно выполненное ЗУ), то разность потенциалов между оболочкой кабеля и его жилами превышает стойкость изоляции жил, следует пробой, возникает неисправность кабельной линии.

Рис. 1. Разрушения вследствие протекания тока молнии

Таким образом, от параметров и конструкции молниеприемного ЗУ напрямую зависят возможные повреждения конструкций объекта, оборудования, особенно электронного, и кабельных трасс.

ДЕЙСТВУЮЩАЯ ПОЛОСА ЧАСТОТ И ПАРАМЕТРЫ ЗУ

Измерение сопротивления растеканию ЗУ при контроле или изготовлении производится на постоянном токе или на частотах, близких к 50 Гц. Ток молнии представляет собой импульсный процесс и представлен широким спектром действующих частот. Основная энергия сосредоточена в полосе частот от 0 до 300 кГц, поэтому ЗУ объекта должно нормально работать в этой полосе частот.

К ЗУ объекта с современным электронным оборудованием предъявляются самые разнообразные требования:

• нормированное сопротивление на промышленной частоте для защитного заземления;
• малое сопротивление растеканию и низкий уровень наведенных шумов для функционального заземления;
• малое сопротивление в полосе частот до 300 кГц для молниеприемного ЗУ;
• долговечность (нормальный срок службы порядка 25 лет).

Каким образом достигается выполнение этих требований?

Малое сопротивление растеканию достигается размещением ЗУ в грунтах с малым удельным сопротивлением или увеличением площади поверхности заземлителя.

Перенос ЗУ в зону грунтов с малым удельным сопротивлением редко осуществим на практике. Объект размещается на местности с учетом очень многих факторов, и сопротивление грунтов не самый главный из них.

Увеличение площади поверхности заземлителя – путь, по которому обычно вынуждены идти проектировщики или эксплуатация при проектировании (изготовлении) ЗУ. В результате около объекта возникают целые поля в виде уголков или стержней длиной 2,5–3 м, забитых в грунт и соединенных системой стальных полос. Сопротивление подобной структуры сильно зависит от температуры и влажности грунта, а значит, от времени года. С учетом сезонных условий приходится увеличивать количество элементов ЗУ на 30–50%, что дополнительно сказывается на его габаритах. Выбрать место для подобного устройства по соседству с объектом, который является местом подключения большого количества инженерных сетей, проблема не простая.

Низкий уровень наведенных помех на ЗУ очень важен для устойчивой работы оборудования, особенно современного цифрового, в том числе оптического.

ЗУ, выполненное из большого числа горизонтальных полос и вертикальных элементов, имеет сложную пространственную конструкцию. Расположить подобное устройство на местности по соседству с объектом и не попасть в зону влияния кабелей энергетики, связи или иных проводящих структур (водопровод, газопровод и т.п.) сторонних организаций, практически невозможно. Таким образом, у ЗУ всегда найдутся элементы, расположенные рядом с влияющей (излучающей) структурой, по которым начинают циркулировать наведенные токи. В итоге это определяет высокий уровень наведенных шумов на ЗУ объекта и, как следствие, неустойчивую работу цифрового оборудования.

Малое сопротивление в полосе частот импульса молнии можно обеспечить только уменьшением общих габаритов ЗУ и особенно длины заземляющего проводника. Сложная пространственная конструкция ЗУ больших размеров имеет значительную собственную индуктивность и, значит, плохую проводимость в области высоких частот.

Долговечность устройства обычно достигается увеличением поперечного сечения элементов ЗУ, выполненных из черной стали в расчете на более длительный процесс коррозии.

В 2011 г. вышел ГОСТ 50571.5.54-2011, запрещающий использовать для создания ЗУ стальные элементы, не защищенные от коррозии. Вертикальные стержни и горизонтальные полосы заземлителей, например оцинкованные горячим способом, удовлетворяют требованиям ГОСТ (рис. 2).

Рис. 2. Оцинкованные элементы ЗУ

КОНСТРУКЦИЯ ГЛУБИННОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ

Каким образом при создании заземляющего устройства учесть все эти противоречивые требования?

Выход можно найти в использовании ЗУ иной конструкции – глубинных заземлителей (рис. 3). Устройства подобного рода рассмотрены еще в трудах основоположников теории и практики заземления В.В. Бурсдорфа и Р.Н. Карякина. Правда, технология изготовления (закручивание) в те годы не выдерживала никакой критики, поэтому заземлители подобного типа тогда не получили широкого распространения. Современная технология вибропогружения избавлена от прежних недостатков. Рассмотрим преимущества, которые дает использование таких ЗУ.

Рис. 3. Схема организации глубинного заземлителя

Малое сопротивление растеканию. Идея использования глубинного заземлителя состоит в том, что обычно на глубине 6–10 м удельное сопротивление грунта существенно (в 5–10 раз и более) уменьшается. Каждый метр заземлителя, расположенного в этой зоне, оказывается эквивалентным 5–10 м в приповерхностной зоне. По опыту работы предприятия в Санкт–Петербурге, на одном заземлителе, погруженном на глубину до 20 м, достигается сопротивление растеканию менее 4 Ом (лучший результат 0,1 Ом). Глубинный заземлитель практически не реагирует на изменение проводимости, в том числе сезонное, приповерхностного слоя грунта. Организация заземления объекта одним или двумя электродами дает существенную экономию места, следовательно, ЗУ проще разместить около объекта. Возможно размещение ЗУ в подвале здания или на первом этаже, что, кроме удобства обслуживания и контроля, дает еще и гарантию сохранности устройства от ущерба, наносимого земляными работами сторонних организаций.

Низкий уровень наведенных помех. Изготовление ЗУ объекта из вертикального стержня упрощает его размещение в зоне минимального влияния и уменьшает наводки со стороны влияющих структур. Кроме того, размещение ЗУ вблизи объекта или в пятне застройки позволяет многократно уменьшить длину подверженного влиянию заземляющего проводника. Таким образом, вертикальный стержень располагается перпендикулярно влияющим кабелям и системам, а подверженный влиянию горизонтальный заземляющий проводник многократно уменьшается по длине. В результате получаем практически полное отсутствие наводок на заземлитель.

Малое сопротивление в полосе частот импульса молнии. Размещение ЗУ около здания или в его подвале многократно сокращает длину и индуктивность заземляющего проводника, что улучшает проводимость ЗУ в области высоких частот.

Долговечность устройства. Изготовление заземлителя из стальных стержней с качественным антикоррозионным покрытием (горячее цинкование) позволяет обеспечить срок службы ЗУ 25–30 лет. В случае использования стержней из нержавеющей стали срок службы еще увеличивается.

Технология изготовления. ЗУ изготавливается методом последовательного погружения составного электрода (рис. 4). Существенно упрощает процесс безмуфтовое соединение стержней. Стержни соединяются опрессовкой, что соответствует требованиям нормативной документации. Состав бригады для производства работ – 2 человека. Время проведения работ – один рабочий день (с подготовкой места, измерением параметров и восстановлением покрытия). Глубина погру-жения – обычно до 20 м (максимально достигнутая – 38 м). Необходимый инструмент – переносной электромолот (электроотбойник). Транспорт для доставки бригады, комплектующих и инструмента к месту проведения работ – легковая автомашина.

Рис. 4. Монтаж электрода

Глубинные заземлители из качественных материалов, монтируемые по современным технологиям, позволяют быстро и качественно решить все проблемы, возникающие при монтаже и эксплуатации ЗУ современного объекта с установленным высокотехнологичным оборудованием.

Грамотное проектирование и профессиональный монтаж системы заземления обеспечивают необходимые параметры ЗУ. Для выполнения этих работ важно привлекать опытных специалистов и надежные проектные бюро.

Компания ОБО Беттерманн – ведущий производитель системных решений для защиты зданий и сооружений от ударов молнии и воздействия импульсных перенапряжений.

Ассортимент ОБО Беттерманн включает комплектные УЗИП всех трех классов, защитные и искровые разрядники, системы уравнивания потенциалов, оборудование для внешней молниезащиты и заземления. Компания гарантирует заказчикам всестороннюю поддержку на всех этапах реализации проекта.

Москва,
Научный проезд, д. 19, офис 1
Тел.: +7(495) 510 22 37

Санкт-Петербург,
ул. Седова, д. 12, офис 411
Тел.: +7(812) 449 78 91
Тел.: +7(812) 633 32 21

www.obocom.ru