СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ГРУНТАХ Российский патент 2002 года по МПК H01R4/66 H02B1/16 

Область техники
Изобретение относится к сооружению заземлений и заземлителей в многолетнемерзлых грунтах для объектов и передаточных звеньев техники высоких напряжений, электроснабжения, а также связи.

Уровень техники
Для снижения сопротивления заземляющего устройства в многолетнемерзлых грунтах, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением от 500 до 10000 Ом•м, обычно используют один из следующих способов /1/: применение глубинных заземлителей; специальная обработка грунта; устройство заземлителей в деятельном слое; вынос заземлителей в подозерный или подрусловый талики (зоны грунта в многолетней мерзлоте, находящиеся в талом состоянии).

При сооружении глубинных заземлителей скважина бурится на глубину до тех пор, пока сопротивление заземления бурового инструмента не снизится до требуемого значения. Затем в скважину опускается электрод - стальная полоса с грузом, а сама скважина заполняется смесью из угольной крошки или смесью тонкодисперсной земли с 10÷15% поваренной соли.

Недостаток способа состоит в том, что в условиях многолетней мерзлоты плохопроводящие мерзлые породы простираются на глубину до сотен метров и низкого значения сопротивления заземления удается достичь либо в результате погружения заземлителя на большую глубину за счет увеличения его длины, либо с выходом на подмерзлотный горизонт талых горных пород. Известны случаи, когда скважины для заземлителей бурились на глубину до 400 м.

Общим признаком с заявляемым способом является возможный контакт заземлителя с горными породами, находящимися на некоторой глубине круглогодично в талом состоянии.

Специальная обработка грунта подразделяется, в свою очередь, на три метода /2/: насыщение грунта легкорастворимыми солями; замена части грунта материалом с повышенной проводимостью; введение в грунт слаборастворимых в воде соединений.

Общим признаком этих методов с заявляемым способом является заложение заземлителя в круглогодично проводящую среду, полученную в результате специальной обработки грунта.

Обработка грунта легкорастворимыми солями понижает температуру его замерзания и, тем самым, препятствуя понижению его проводимости при низких температурах, существенно уменьшает сезонные коэффициенты изменения сопротивления заземления. Легкорастворимые соли, такие как поваренная соль, хлористый кальций, хлористый магний, медный купорос, сода и др., вводятся в грунт либо в твердом виде, либо в виде концентрированного раствора.

Недостаток этого метода обработки грунта - усиленная коррозия электродов и полное вымывание внесенных в грунт солей почвенным раствором, требующее ежегодного повторения обработки.

В методе замены некоторого объема грунта проводящим материалом обычно используют суспензии из глины или бентонита. При этом вокруг электрода образуется стабильная коллоидная система, которая в дождь накапливает влагу осадков, а в засуху отдает ее окружающему грунту.

Недостатком метода является необходимость большого объема работ по выемке грунта.

Сущность третьего метода состоит в использовании слаборастворимых проводящих веществ, либо веществ, образующих при смешивании нерастворимое соединение, которые, после введения в грунт, создают в нем нерастворимую в воде и сохраняющую свои свойства продолжительное время проводящую зону. Так, результаты обработки грунта внесением 6 кг слаборастворимого гипса или ангидритогипса на 1 кг грунта сохраняют эффективность до 10 лет. Силикатогель, образующийся при введении в грунт сперва концентрированного раствора сернокислой меди, затем эквивалентного количества концентрированного раствора железистоцианистого калия, стоек по отношению к сильным электролитам и нерастворим в воде. Он отличается низким удельным сопротивлением (до 2 Ом•м) и образует в грунте разветвленную сеть проводящих нитей, обладает влагоудерживающей способностью и не вызывает коррозии электродов.

Общим недостатком метода введения в грунт слаборастворимых в воде соединений является дороговизна используемых веществ, а также повышенная токсичность некоторых компонентов.

Устройство заземлителей в деятельном слое - поверхностном слое многолетнемерзлых грунтов, оттаивающем в летнее время на глубину 0,5÷2 м (реже до 3÷5 м), производится заглублением в слой горизонтальных стальных полос или коротких вертикальных стержней. Сравнительно низкое электрическое сопротивление талых грунтов позволяет обеспечить надежное заземление в летне-осенний период.

Общими признаками с заявляемым способом являются использование низкого электрического сопротивления талых грунтов и заложение заземлителя в талый слой.

Недостаток выполнения заземления в деятельном слое заключается в том, что при промерзании слоя зимой сопротивление заземлителя возрастает в несколько раз и сохраняется высоким до значительного оттаивания грунта в летний период.

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому в изобретении способу (прототипом) является вынос заземлителя на непромерзающее дно озера, реки или моря /1/. В зоне многолетней мерзлоты - это вынос заземлителя в подозерный или подрусловый талики. Соединение заземлителя с заземляемым объектом осуществляется воздушной или кабельной линией, линией из полосовой стали, проложенной в траншее. В качестве заземлителя используют уложенную на дно водоема сетку из проводников, либо плоскую конструкцию в виде гребенки, электродами которой являются как зубья гребенки, так и коллектор этих зубьев в виде лучевой звезды. Исходя из условий непромерзания водоема выносные заземлители рекомендуют устраивать в водоемах, имеющих поверхность площадью не менее 0,28 кв.км и глубину не менее 2 м /3/. Заземлитель укладывают на дно непромерзающего водоема, либо погружают в постоянно талые породы дна водоема.

Общими признаками с заявляемым изобретением являются заложение заземлителя в круглогодично проводящую среду и использование в этом качестве таликовой зоны.

Недостаток выносных заземлителей - в ограниченных возможностях их выполнения, обусловленных тем, что непромерзающие полностью в зимний период водоемы, а также наличие под ними таликов имеют ограниченное распространение. Выполнение выносных заземлителей экономически целесообразно лишь при наличии непромерзающих полностью водоемов или таликов под ними на небольшом расстоянии от заземляемого объекта.

Сущность изобретения
Изобретение направлено на решение задачи, связанной с выполнением заземления в плохопроводящих многолетнемерзлых грунтах, имеющих удельное электрическое сопротивление в пределах от 500 до 10000 Ом•м. Задачей изобретения является снижение сопротивления заземлителя в многолетнемерзлых грунтах до значения не более 0,5+10 Ом, требуемого защитными мерами, экономичным и технически легко осуществимым способом.

Это достигается, согласно изобретению, использованием в качестве среды для заложения заземлителя тонкого проводящего слоя в многолетнемерзлом грунте, сохраняющего достаточно высокую проводимость круглогодично.

В предлагаемом способе под тонким проводящим слоем в многолетнемерзлом грунте понимается слой легких пылеватых суглинков или водоносных горных пород, имеющих удельное электрическое сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом•м, толщину 0,1÷5 м и находящихся на глубине от 1 до 20 м. Наличие слоя на малых глубинах (до 5 м) связано с широким распространением в грунтах зоны многолетней мерзлоты различных видов надмерзлотных подземных вод, способствующих формированию надмерзлотных таликов, а также высокоминерализованных рассолов (криопэгов), расположенных над кровлей многолетней мерзлоты. Образование непромерзающего водоносного слоя - межмерзлотного талика - на глубинах от 10 до 20 м связывают с глобальными изменениями климата, приведшими к глубокому протаиванию криолитозоны в голоценовый температурный оптимум и к последующему промерзанию в позднеголоценовый период. На отдельных участках промерзание не привело к смыканию мерзлых толщ по вертикали и образовалась прерывистая криолитозона, составленная верхним и нижним ярусами, разделенными межмерзлотным таликом. Талое состояние межмерзлотного образования поддерживается гидрогеологическими процессами, привносом тепла подземными водами.

В отличие от прототипа, в качестве вмещающей заземлитель проводящей среды предлагается использовать тонкий проводящий слой в многолетнемерзлом грунте, который находят на участке расположения заземляемого объекта, когда вынос заземлителя в подозерный или подрусловый талик экономически неоправдан.

Обнаружение тонкого проводящего слоя на площадке заземляемого объекта, оценку его параметров (глубина залегания, толщина и проводимость слоя) можно произвести, в отличие от прототипа, в любое время года по результатам высокочастотных электромагнитных зондирований с поверхности грунта, позволяющих получить информацию оперативно и с малыми затратами. Выбор высокочастотного диапазона зондирований определен тем, что тонкий проводящий слой наиболее значимо отмечается по данным измерений на высоких частотах порядка сотен килогерц.

Другое отличие изобретения от прототипа состоит в том, что в качестве заземлителя предлагается использовать плоскостной электрод в виде пластины или диска сравнительно небольших размеров, погружаемый в слой. Выбор плоскостного электрода определяется тем, что снижение величины удельного электрического сопротивления среды, в которую закладывается электрод, приводит к более значимому уменьшению расчетных размеров именно плоскостных электродов. Для оценки величины сопротивления заземления используем формулы /1/ для сопротивления заземлителя в виде пластины

и заглубленного горизонтального стержня
r_г.c≈ 2ρ/1,
где ρ - удельное электрическое сопротивление среды;
S - площадь пластины;
l - длина стержня.

Отсюда видим, что при снижении удельного сопротивления вмещающей среды с 1000 до 20 Ом•м, т.е. в 50 раз, для сохранения сопротивления заземлителя на уровне 10 Ом возможно уменьшение требуемой площади электрода в виде пластины с 625 кв. м до 0,25 кв. м. т.е. в 2500 раз. Тогда как та же операция для горизонтального стержня позволяет уменьшить его длину лишь в 10 раз - с 200 до 20 м, оставляя размер электрода все еще экономически неприемлемым для внедрения на глубину. Пластину или диск располагают в тонком проводящем слое так, чтобы плоскость электрода совпадала с плоскостью простирания слоя. Это позволит максимально использовать низкое удельное сопротивление слоя.

Предлагаемый способ имеете ряд важных преимуществ по сравнению с аналогами, выражающийся в следующей совокупности. Используемый в изобретении тонкий проводящий слой в многолетнемерзлом грунте может быть найден в непосредственной близости от заземляемого объекта на небольшой глубине. Он имеет низкое удельное сопротивление круглогодично, что позволяет применить для выполнения заземления экономичные в устройстве заземлители и заземляющие проводники малых размеров, повысить надежность заземлений в годовом цикле. Поиск тонкого проводящего слоя предлагается проводить электромагнитными зондированиями в высокочастотном диапазоне ввиду малой степени его влияния на структуру низкочастотного поля. Это позволяет применить для поиска экономичные и оперативные методы высокочастотной электроразведки, не требующие нарушающего воздействия на окружающую среду.

На фиг. 1 и 2 показаны варианты расположения заземлителя в тонком проводящем слое: вариант 1 - пластина в надмерзлотном талике; вариант 2 - диск в межмерзлотном талике.

На фиг. 1 - пластина 7 с заземляющим проводником 8, после выемки грунта в объеме, ограниченном линиями 6, внедрена в надмерзлотный талик 3, находящийся под деятельным слоем 1 (слоем сезонного оттаивания) и над многолетнемерзлым грунтом 5. Здесь 2 - граница сезонного оттаивания, 4 - кровля сплошной многолетней мерзлоты.

На фиг. 2 - диск 7 с заземляющим проводником 8 после бурения скважины в объеме, ограниченном линией 6, внедрен в межмерзлотный талик 3, занимающий промежуточное положение в прерывистой многолетней мерзлоте 5.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Предлагаемый способ реализуется следующим образом. На территории проектируемого объекта (электроустановки) производится съемка по площади и зондирование высокочастотными методами электроразведки (радиокип, ДЭМП и др.). По результатам съемки оконтуривается распространение тонкого проводящего слоя по исследуемой площади и выбирается пункт для выполнения заземления вблизи от объекта, определяются глубина залегания, удельное электрическое сопротивление и толщина слоя. По этим параметрам рассчитывается необходимая площадь электрода заземлителя. В зависимости от величины рассчитанной площади электрода и глубины залегания тонкого проводящего слоя производится выбор рационального обеспечения доступа к слою: либо рытье шурфа или траншеи (1 вариант), либо шнековое бурение скважины (2 вариант).

Заложение заземлителя по 1 варианту (фиг. 1) производится в тонкий проводящий слой (надмерзлотный талик) 3, находящийся на небольшой глубине. После выемки грунта пластина 7 необходимого размера закладывается в тонкий проводящий слой 3 в плоскости его простирания на глубине, соответствующей половине мощности слоя. Затем обеспечивается ее соединение заземляющим проводником 8 с объектом заземления.

По 2 варианту (фиг. 2) заложение заземлителя в тонкий проводящий слой 3 может быть произведено на любой глубине. Возможности этого варианта ограничиваются доступной величиной диаметра шнека, который должен быть больше чем диаметр диска 7с минимальной площадью, обеспечивающей требуемое сопротивление заземлителя в слое. Скважина бурится до заглубления в тонкий проводящий слой, в который и погружается диск. При обеспечении соединения диска с объектом заземления заземляющим проводником 8 может служить стальная полоса, опущенная в скважину и засыпка скважины проводящим материалом (бентонитом, глиной или угольной крошкой).

Литература
1. Найфельд М. Р. Заземление, защитные меры электробезопасности. - М.: Энергия, 1971. - 312 с.

2. Цирель Я.А. Заземляющие устройства воздушных линий электропередачи. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 160 с.

3. Якушев М. В., Дудинов В.А., Ершов Н.Л., Яныгин В.Н. Рекомендации по проектированию и сооружнию заземляющих устройств электроустановок напряжением 0,4 - 35 кВ для районов Якутской АССР. - Якутск: изд-во ЯФ СО АН СССР, 1988. - 124 с.

Изобретение относится к сооружению заземления и заземлителей объектов и передаточных звеньев техники высоких напряжений, электроснабжения, а также связи. В результате применения способа достигается снижение сопротивления заземлителей в плохопроводящих грунтах зоны многолетней мерзлоты до 0,5-10 Ом экономичным путем и отсутствие значительных сезонных изменений этого параметра. Для этого предлагается заземлитель закладывать в тонкий проводящий слой с удельным электрическим сопротивлением 10-100 Ом•м, толщиной 0,1-5 м, находящийся в многолетнемерзлом грунте на глубине от 3,5 до 20 м и сохраняющий низкое сопротивление круглогодично. Способ включает следующие операции: поиск слоя высокочастотным электромагнитным зондированием с поверхности грунта; обеспечение доступа к слою через шурф, траншею или скважину; заложение заземлителя в виде пластины или диска в слой в плоскости простирания слоя. 2 ил.

Способ заземления в многолетнемерзлых грунтах, заключающийся в заложении в круглогодично электропроводящую среду многолетнемерзлого грунта заземлителя, отличающийся тем, что с поверхности земли определяют вблизи объекта заземления наличие тонкого электропроводящего слоя, имеющего удельное электрическое сопротивление в пределах 10-100 Ом • м, пролегающего или между слоями многолетне-мерзлого грунта, или между слоем сезонного оттаивания и многолетнемерзлым грунтом, оконтуривают зону распространения тонкого электропроводящего слоя, определяют ближайший к объекту заземления участок и размещают в тонком электропроводящем слое этого участка в плоскости его простирания плоский электрод заземлителя, при этом местонахождение тонкого электропроводящего слоя осуществляют методом высокочастотного электромагнитного зондирования.