ЗАЗЕМЛИТЕЛЬ Российский патент 2005 года по МПК H01R4/66 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве заземлителя для заземления электроустановок.

Заземлитель, как совокупность металлически соединенных между собой проводников (электродов), находящихся в соприкосновении с землей, используется в целях безопасности и обеспечения нормальной работы электроустановок.

Заземлитель характеризуется следующими основными параметрами:

1. Минимальное сопротивление растеканию электрического тока.

2. Минимальное значение соотношения "цена/долговечность".

В свою очередь первый параметр определяется следующими факторами:

1.1. Токопроводящие свойства грунта, в который погружен заземлитель, характеризуемого удельным сопротивлением грунта. Для достижения минимального сопротивления растеканию электрического тока используют эффективные с точки зрения токоотведения более плотные грунты (включая водонасыщенные слои), залегающие преимущественно ниже 10...15-метровых отметок. Для этого применяют глубинные заземлители, погружаемые на соответствующую глубину.

1.2. Токопроводящие свойства материала заземлителя, контактирующего с грунтом.

1.3. Площадь поверхности контакта токопроводящего материала с грунтом.

В соответствии с требованиями ГОСТ 30331.10-2001 [1, стр.2, п.542.2.3] для обеспечения наибольшей долговечности материалы и конструкция заземлителей должны быть устойчивыми к коррозии. Для предотвращения коррозии в грунте используют либо нержавеющие материалы, либо эффективные токопроводящие покрытия, покрывающие черные металлы, что предпочтительнее с точки зрения минимизации соотношения "цена/долговечность".

Для пояснения сущности изобретения и возможности получения технического результата в описании приводятся ссылки на чертежи и диаграммы в соответствии с прилагаемым перечнем фигур.

Известен заземлитель немецкой фирмы DEHN [2].

Заземлитель представляет собой стальной стержень длиной 1,5 м и диаметром 20-25 мм с цинковым покрытием, полученным методом горячего цинкования (окунанием в расплав цинка) (Фиг.1). С одного конца стержень имеет выступающую часть двух типов S и Z, а с другого - полость, размерами и конфигурацией совпадающей с выступающей частью. Для соединения стержней по длине выступающая часть одного стержня забивается в полость другого стержня, обеспечивая жестокое их соединение. Электрический контакт между отдельными стержнями осуществляется через точку их касания.

Недостатками этого заземлителя являются:

1. Большие затраты на производство и сложность нанесения покрытия.

Процесс нанесения покрытия предполагает:

а) размещение только на специализированных участках в цехах завода, что неизбежно отдаляет процесс производства заземлителей от потребителей и повышает затраты на транспортировку;

б) разогрев цинка до его расплава при высокой температуре 450-620°С;

в) наличие стационарного оборудования, такого как ванны с расплавом цинка, оборудования для подъема и перемещения образцов из ванн.

2. Недостаточная электропроводимость цинкового покрытия в сравнении с общедоступными и соизмеримыми по цене проводниками, например медью. Так, по данным [5, стр.56] удельное сопротивление медного покрытия составляет 1,68×10-8 Ом·м. Для цинкового покрытия удельное сопротивление составляет 5,75×10-8 Ом·м, т.е. в 3, 4 раза больше [5, стр.54].

3. Глубина погружения заземлителя ограничена 4-5 метрами. Конструкция соединения стержней по длине не обеспечивает надежный электрический контакт между стержнями, поскольку дальнейшее погружение стержней при неизбежном изменении направления их движения в грунте может привести к нарушению контакта из-за деформации жестокого соединения, вплоть до его разрушения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является заземлитель польской фирмы GALMAR [3].

Заземлитель представляет собой стальной омедненный стержень длиной 1,5 м и диаметром 12-16 мм. (Фиг.2). Стальной омедненный стержень 1 обладает высокой устойчивостью на ударную нагрузку, что обеспечивает глубинное его погружение с помощью специального виброударного инструмента. Медное покрытие имеет толщину 0,25 мм. На концах стержня накатана резьба длиной 30 мм, позволяющая соединение его в длинный заземлитель. Соединение стержней обеспечивается с помощью муфты 2, выполненной из латуни, допустимой для электроконтакта с медным покрытием стержня в соответствии с [4, табл.3]. Муфта предохраняет от коррозии резьбу и обеспечивает надежное токопроводящее соединение стержней на весь срок службы. Производитель гарантирует срок службы заземлителя в земле минимум 30 лет. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник 3, а на каждый последующий через муфту - стальной оголовок 4, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента.

Данный заземлитель имеет следующие преимущества по сравнению с упомянутым выше:

1. Использование медного покрытия, имеющего большую электропроводимость по сравнению с цинковым, полученным горячим цинкованием [5].

2. Конструкция заземлителей, имеющих соединительные муфты, позволяет погружать их на большую глубину (до 20 м) без опасения прерывания электрического контакта между отдельными стержнями. Соединительные муфты обеспечивают электрический контакт между стержнями не через точку их касания, а по резьбе с большой площадью соприкосновения. Кроме этого, имеющийся зазор между резьбой стержня и муфты, обеспечивает податливость, допускающую некоторый изгиб стержней в месте их соединения без его повреждения.

3. Муфта, имея больший диаметр по сравнению с диаметром стержня, принимает на себя основную истирающую нагрузку от грунта во время погружения, сохраняя защитное покрытие стержней.

Однако этот заземлитель имеет следующие недостатки:

1. Такие же как и в упомянутом выше известном заземлителе большие затраты на производство и сложность нанесения покрытия.

Нанесение покрытия предполагает:

а) размещение только на специализированных участках в цехах завода, что неизбежно отдаляет процесс производства заземлителей от потребителей и повышает затраты на транспортировку;

б) наличие медных электродов для обеспечения процесса гальванизации;

в) наличие большого количества специально приготовленного раствора сульфата меди с концентрированной серной кислотой;

г) длительный (до 25 часов) процесс гальванического нанесения меди.

д) наличие стационарного оборудования, такого как специальные ванны с раствором, оборудования для подъема и транспортировки образцов из ванн.

2. Медное покрытие, полученное гальваническим путем, представляет собой однородную, консолидированную, гладкую поверхность, имеющую минимальную (в отличие, например, от пористой поверхности) площадь контакта с окружающим грунтом. По данным [5, стр.56] медное покрытие применяется в качестве технологического подслоя для уменьшения пористости. Для защиты от коррозии как самостоятельное покрытие не рекомендуется из-за низкой коррозионной стойкости.

3. Заземлители с медным покрытием имеют ограниченную область применения. Они не могут быть использованы для заземления оборудования, работающего в системе катодной защиты (например, стальные трубопроводы различного назначения), поскольку медное покрытие может явиться причиной гальванического повреждения контактирующих с ним железосодержащих материалов [6, стр.81, п.5.2.1]. В этом случае должно быть использовано покрытие на основе цинка, являющегося анодным по отношению к железу.

Цели изобретения:

1. Упрощение процесса нанесения защитного токопроводящего покрытия на заземлитель при сохранении его долговечности.

2. Уменьшение сопротивления растеканию электрического тока заземлителя.

3. Расширение области применения заземлителя.

Поставленные цели достигаются использованием в качестве токопроводящего слоя на заземлителе покрытия типа ZINGA [7]. ZINGA - это промышленный продукт, представляющий собой однокомпонентный жидкий состав (полностью готовый к применению), состоящий из электролитического цинка размерами частиц 3...5 мкм чистотой 99,995% (DIN 1706 - ISO 752). Причем, частицы цинка имеют овальную форму, что, во-первых, значительно увеличивает содержание цинка в покрытии и, соответственно, его электропроводность и, во-вторых, улучшает сцепление с поверхностями даже с небольшой шероховатостью.

Второй и третьей составляющими ZINGA являются летучие вещества (ненасыщенные углеводороды) и связующие агенты (нейтральные смолы). В высохшем слое покрытия содержится 96% цинка (DIN 55 969 - ISO 354-1976), что обеспечивает надежную катодную (активную) защиту железа от коррозии путем создания гальванической пары с железом, как и при обычной гальванизации цинком. При этом обеспечивается защита аналогичная защите, которую дает горячее оцинковывание. Однако полимеризованный слой ZINGA существенно отличается от слоя оцинковки горячим способом. В то время как горячеоцинкованное покрытие содержит (в зависимости от глубины слоя) от 80 до 85% цинка чистотой до 98%, покрытие ZINGA представляет собой однородный тонкопленочный слой, состоящий из 96% цинка чистотой до 99,995%. Более того, цинк в ZINGA - это защищенный цинк благодаря смолам, присутствующим в его составе, что существенно влияет на защитные характеристики самого покрытия.

Нанесение покрытия ZINGA так же просто, как и нанесение краски. Несмотря на высокую плотность и содержание в сухом покрытии 96% чистого цинка, ZINGA в нормальных условиях является жидкостью и, следовательно, может наноситься без какого-либо дополнительного нагрева кистью или покрасочным пистолетом. Оно может наноситься на рабочей площадке, максимально приближенной к потребителю, а не только в цехе, что не требует больших затрат на производство. ZINGA может наноситься повсеместно, причем как при нормальных атмосферных условиях, так и в широком диапазоне температур и даже во влажной среде. Покрытие ZINGA может наноситься одним человеком или бригадой с минимальной малярной подготовкой, тогда как другие, рассмотренные выше покрытия могут быть осуществлены только специализированной бригадой на специальном производстве.

Изделие типа рассматриваемого стержня может быть покрыто покрытием ZINGA за несколько минут.

Срок службы покрытия

По результатам сравнительных испытаний стойкости к грунтовой коррозии (Фиг.3) медное гальваническое покрытие подвергается коррозии в 2-3 раза медленнее цинкового покрытия, нанесенного горячим способом. [3].

Данные Центра технологии материалов Фулмер, Великобритания при сравнении покрытия ZINGA с покрытием, полученным при горячем цинковании, показали, что в высококорррозионном растворе, использованном для опытов, сталь с покрытием ZINGA коррелировала в 3 раза медленее, чем в случае горячего цинкования [6].

Т.е. коррозионная стойкость и долговечность покрытия ZINGA практически одинаковы в сравнении с медным покрытием по прототипу.

Таким образом, при одинаковой долговечности сравниваемых защитных токопроводящих покрытий процесс нанесения покрытия на новый заземлитель значительно упрощается. При его нанесении удается исключить целый ряд технологических переделов, требующих значительной производственной инфраструктуры, что необходимо при производстве заземлителей с медным покрытием по прототипу. Этим и достигается первая цель изобретения.

Вторая поставленная цель достигается следующим образом.

Поскольку в состав покрытия ZINGA, помимо основного составляющего Zn, входит также летучий растворитель (ароматические углеводороды), испаряющийся во время его высыхания, покрытие ZINGA имеет пористую структуру. Теоретически пористая поверхность имеет более развитую площадь контакта с окружающей средой (грунтом) по сравнению с однородной, консолидированной, гладкой поверхностью, которую образует медное покрытие, нанесенное гальваническим путем. Это обстоятельство должно привести к увеличению электропроводимости пористого покрытия за счет возрастания числа электрических контактов с частицами грунта, что и подтвердилось в результате поставленного эксперимента.

Для сравнения были испытаны две серии из 4-х образцов - заземлителей, погруженных в грунт на одном участке на глубину 6 м. Первая серия образцов состояла из заземлителей с медным покрытием производства польской фирмы GALMAR. Вторая серия была изготовлена с использованием покрытия ZINGA. В качестве сравнительной характеристики испытываемых образцов принят показатель электрического сопротивления заземления, Ом, который является обратной величиной электропроводности. Сопротивление заземлителей замеряли прибором Ф4103-М1.

По завершении периода некоторой стабилизации показаний (2-3 месяца) отмечается снижение сопротивления растеканию тока в заявляемых образцах по сравнению с прототипом (см. Фиг.4).

Третья цель достигается заменой медного покрытия заземлителя на покрытие, содержащее цинк.

На Фиг.5 показан предлагаемый заземлитель, представляющий собой стальной стержень 1 длиной 1,5 м и диаметром 12-16 мм, покрытый цинковым покрытием типа ZINGA толщиной 80...120 мкм. На концах стержня накатана резьба длиной 30 мм, позволяющая соединение его в длинный заземлитель. Соединение стержней обеспечивается с помощью муфты 2, выполненной из твердого алюминиевого сплава с содержанием меди менее 0,5%, допустимого для электроконтакта с цинковым покрытием стержня в соответствии с [4, табл.3]. При погружении в грунт на первый стержень наворачивают заостренный стальной наконечник 3, а на каждый последующий через муфту - стальной оголовок 4, воспринимающий нагрузку от ударного инструмента.

Литература

1. ГОСТ 30331.10-2001 (МЭК364.5.54.80). Заземляющие устройства и защитные проводники.

2. Каталог немецкой фирмы DEHN в Польше, internet: www.dehn.pl

3. Каталог польской фирмы GALMAR Marciniak, internet: www.galmar.pl

4. ГОСТ 9.005-72. Единая система защиты от коррозии и старения. Допустимые и недопустимые контакты с металлами и неметаллами.

5. ГОСТ 9.303-84. Единая система защиты от коррозии и старения. Покрытия металлические и неметаллические неорганические.

6. International Standard IEC 61024-1-2. (Стандарт международной электротехнической комиссии).

7. Проспект бельгийской компании "ZINGA-Metall", internet: www.zinga.ru

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве заземлителя для заземления электроустановок. Заземлитель, состоящий из отдельных стальных стержней с электропроводимым антикоррозионным цинковым покрытием с резьбой по концам каждого стержня, позволяющей соединение их по длине через муфты, выполненные из материала, допустимого для электроконтакта с покрытием стержней, причем при погружении в грунт на первый стержень наворачивается заостренный наконечник, а на каждый последующий через муфту-оголовок. Заземлитель позволяет упростить процесс его изготовления, уменьшить сопротивление растеканию электрического тока и расширить область применения. 5 ил.

Заземлитель, состоящий из отдельных стальных стержней с электропроводимым антикоррозионным покрытием, с резьбой по концам каждого стержня, позволяющей соединение их по длине через муфты, выполненные из материала, допустимого для электроконтакта с покрытием стержней, причем при погружении на первый стержень наворачивается заостренный наконечник, а на каждый последующий через муфту - оголовок, отличающийся тем, что в качестве покрытия стержней используется жидкий состав, состоящий из 96% цинка чистотой до 99,995%, смол и летучего растворителя.