ТКП 336–2011«Молниезащита зданий, сооружений и инженерных коммуникаций». Требования к материалам для заземления. Вопросы остаются.

Составные элементы и части заземляющих устройств должны быть рассчитаны и сконструированы таким образом, чтобы их технические характеристики, в условиях нормальной эксплуатации, отвечали требованиям надежности и безопасности, как для людей, так и для окружающей среды.
К основным функциям системы заземления относятся:
- обеспечение требуемого режима нейтрали электрической сети для систем TN и TT;
- обеспечение электробезопасности потребителей и оборудования (защитное заземление);
- выполнение дополнительных требований по заземлению электрического и/или электронного оборудования (функциональное или рабочее заземление);
- обеспечения работы системы внешней молниезащиты и системы уравнивания потенциалов.
Для случая молниезащиты зданий, система заземления должна быть выполнена в соответствии со стандартами Международной Электротехнической Комиссии (IEC) . В этих стандартах система заземления представлена как неотъемлемая составная часть объекта, предназначенная для различных целей: заземления систем молниезащиты, защитного заземления низковольтных электроустановок и телекоммуникационных систем и т.д., в которых она должна выполнять следующие задачи:
- обеспечить отвод токов молнии в землю,
- способствовать растеканию токов молнии в грунте,
- выполнять уравнивание потенциалов между вертикальными элементами (токоотводами) системы внешней молниезащиты и подводимыми к объекту коммуникациями (подразумевается кольцевое заземляющее устройство.

Проектное сообщество с большим пафосом восприняло информацию, что  наконец, с учетом вопросов по применению устаревшего РД 34.21.122-87 для принятия решения о  необходимости устройства молниезащиты с ноября 2011 года в Беларуси вступают в силу новые требования по молниезащите — кодекс установившейся практики ТКП «Молниезащита зданий, сооружений и инженерных коммуникаций», разработанный Министерством энергетики Республики Беларусь. Еще до выхода этого документа в средствах массовой информации сообщалось, что  требования ТКП вводятся взамен требований  РД 34. 21122-87 и идентичны действующим уже на территории Беларуси международным требованиям, изложенными в серии предстандартов  СТБ П IEC 62305 представленных к обсуждению  БелГИСС. Там же, сообщалось, что  в качестве достоинств нового документа можно отметить, что ТКП «Молниезащита зданий, сооружений и инженерных коммуникаций» ориентирован, как и на международные требования, так и на индивидуальный подход к принятию решения о необходимости устройства молниезащиты, более подробно (в отличие от РД 34. 21122-87) приведены требования к эксплуатации молниезащиты, примеры молниезащиты специализированных объектов, например, таких как, линии передачи электрической энергии, электрические подстанции, предложены более широко материалы заземляющих устройств, их конфигурации. После того, как в конце ноября 2011 года  ТКП 336–2011 стал доступен для чтения и анализа специалистами, у проектных и монтажных организаций начали появляться  вопросы по практическому применению его отдельных  положений .

Вопрос №1 по пункту 7.2.4 ТКП 336–2011 «Компоненты»

Компоненты СМЗ ( термин расшифровывается в пункте 3.2.21 ТКП 336–2011как система молниезащиты или Комплексная система, используемая для снижения материального ущерба при ударе молнии в здание. Она состоит из внешней и внутренней систем молниезащиты. П. 3.2.2 ТКП «Внешняя система молниезащиты»: Часть системы молниезащиты, состоящая из молниеприемников, токоотводов и заземлителей. Внешняя и внутренняя системы должны выдерживать электромагнитные воздействия тока молнии и прогнозируемые аварийные напряжения без повреждений.

Компоненты СМЗ должны быть выполнены из материалов, перечисленных в таблице 7.12, или из других материалов с равноценными механическими, электрическими и химическими (коррозия) техническими характеристиками.

Металография медного покрытия заземлителя ЭРИКО увеличение в 200 раз	Металография цинкового покрытия заземлителя ОБО БЕТТРМАНН увеличение в 200 раз

По нашему мнению, Таблица 7.12 почти полностью соответствует таблице № 5 предстандарта СТБ П IEC 62305 – 3 – 2006 /2010 (а, если выражаться точнее, перевода с английского языка европейского стандарта  IEC 62305 – 3 – 2006 ), однако автор ТКП посчитал необходимым удалить из нее  последнюю часть с приложениями, на наш взгляд, имеющими принципиально важное значение, например, то что оцинкованная сталь разрушается в глинистом и влажном грунте. Стоило ли удалять эту часть европейского стандарта, так как вряд ли автор (авторы )проводил (ли) собственные испытания свойств перечисленных в таблице металлов? Хочется обратить особое внимание читателей, что черная сталь без покрытия цветным металлом в таблице о Компонентах СМЗ вообще не упоминается .

Вопрос № 2 по пункту 7.2.5 ТКП 336–2011.«Материалы и размеры».

 Он гласит : «  Материал и его размеры выбирают с учетом вероятности возникновения коррозии либо защищаемого здания, либо СМЗ... Конфигурации и минимальные размеры заземлителей приведены в таблице 7.13.»

Несмотря на то, что пункт 7.2.4 ТКП 336–2011 требует, что внешние компоненты СМЗ должны быть выполнены из материалов представленных в таблице 7.12 «Материалы системы молниезащиты и условия использования», включающая и материалы для элементов заземления, явным противоречием данному требованию является таблица 7.13 «Минимальные размеры заземлителей и заземляющих проводников», проложенных в земле, так как уже описывает данные элементы СМЗ из черной стали, не указанные в таблице 7.12. Причем, особенно необъяснимым для нас является также то, что круглый профиль для вертикальных и горизонтальных заземлителей из черной и оцинкованной стали имеет одинаковое сечение. Известно, что, как  6-е издание ПУЭ, действующее в РБ, так и 7-ое издание ПУЭ действующее в РФ декларируют существенную разницу по сечению для заземлителей и заземляющих проводников из черной и оцинкованной стали, исходя из большей коррозийной стойкости и долговечности оцинкованной стали. Например, п.1.7.72 ПУЭ изд.6 гласит, что наименьший диаметр круглых заземлителей из черной стали может быть 10 мм., а оцинкованных 6 мм., то есть по мнению разработчика и тот и другой элемент будут иметь одинаковый срок службы в одинаковых условиях различаясь, по диаметру в 1.67 раза.  ПУЭ  Изд. 7 в Таблице 1.7.4 сокращает это соотношение до разницы в 1.33 раза.(16 мм. на 12 мм.). Наша  же  собственная позиция о необходимости  использования  элементов заземления с покрытием из цветного металла кроме вышесказанного базируется не только на необходимости повышения их коррозионной стойкости, но в том числе, и на следующих обстоятельствах вытекающих из электрофизических свойств цветных металлов. Известно, что  при присоединении человека к корпусу оборудования ток однофазного замыкания либо молнии проходит по 2-ум направлениям, через параллельно включенные сопротивления: через тело человека и через заземление. Причем ток в данном случае по «Правилу Киргофа» распределяется обратно пропорционально  СОПРОТИВЛЕНИЮ ПРЕХОДОВ корпус земля и корпус человек, или по другому удельному сопротивлению поверхности заземлителя и удельному сопротивлению кожи человека. (Наша справка :сухая кожа человека имеет удельное сопротивление  3.2~ 4.4*10 в 3 положительной степени, влажная  ~100-1000 ом /м.  при промышленной частоте тока). Таким образом, удельное сопротивление покрытия наносимого на заземлитель  должно быть существенно ниже Удельного Сопротивления самого стального стержня, в противном случае, коррозирующая черная сталь (а ржавчину мы можем отнести по проводимости, скорее к полупроводникам) в ближайшем времени приведёт к ухудшению параметров заземления. Другими словами, чем ниже удельное сопротивление покрытия заземлителя, тем меньший ток пройдет через человека и тем лучше работает заземление, например Удельное Сопротивление  меди 1.78*10в-8 отрицательной степени, цинка 6.1*10 в-8 отрицательной степени, сталь 12-49*10 в-8отрицательной степени, в зависимости от марки. Следует отметить, что Таблица №7 предстандарта СТБ П IEC 62305 – 3 – 2006 /2010 «Материал конфигурация и минимальные размеры заземлителей», которая, по видимому, использовалась автором (ми)  ТКП 336–2011 взята за основу при составлении таблицы 7.13, так же не описывает данных элементов из черной стали. В любом случае в таблице 7.13 элементы заземления из черной стали должны отличаться от оцинкованных и омедненных аналогов существенно большим сечением исходя из более низкой коррозийной стойкости и более высокого удельного сопротивления. По логике п.1.7.72  6-го издания ПУЭ минимальные размеры зазмлителей из круглой стали должны выстроится в таблице 7.13 в следующем порядке: Если  омедненный заземлитель имеет минимальный  диаметр 14 мм ., а  оцинкованный диаметр 16 мм., то аналог из черной стали должен иметь минимальный диаметр 27 мм. Несомненно именно такое соотношение сечений заземлителей покрытых цветным металлом и просто из черной стали поставит на свое место и вопросы экономической целесообразности по их применению, так как стоимость деталей покрытых цветным металлом и непокрытых отличается в разы. Только в этом случае перед заказчиком будет полная ясность, что экономическая составляющая  решения одной и той же технической задачи – строительства заземляющего устройства  может быть  рассмотрена в различных вариантах материалов, которые возможно  всесторонне оценить по их коррозионной стойкости и сроку службы, проводимости, весу и транспортным расходам, а так же удобству конструкции и скорости монтажа. Исходя из нашей многолетней практики на данном сегменте рынка, мы уже давно сделали вывод, что конструктивные особенности омедненных вертикальных заземлителей, способных к погружению в одной точке на глубину 30-40 метров в условиях городской инфраструктуры, при задаче получения, например, нормы  сопротивления растекания тока в земле в 4- ре Ома, полностью  снимают вопросы по их замене на простую арматуру из черной стали, несмотря на ее кажущуюся дешевизну. Так как заказчик понимает, что кажущаяся дешевизна черной стальной арматуры, которую невозможно забить глубже 5-ти метров, а полученный результата сопротивления растекания тока в земле необходимо будет корректировать по сезонному коэффициенту в сторону его уменьшения, исходя из возможного промерзания и просыхания верхних слоев грунта ,  утонет в несопоставимо больших расходах по земляным работам и восстановлению разрушенной инфраструктуры, связанных  ее применением

Вопрос № 3 по пункту 10.9 «Заземляющее устройство электроустановок 35–750 кВ» ТКП 336–2011.

Во первых , текст данного пункта ТКП полностью слово в слово повторяет главу 7.1 «Выбор сечения заземляющего устройства.»  СТП 09110.47.103-07 « Методические указания по проектированию заземляющих устройств электрических станций и подстанций напряжением 35-750 кВ.» и мы выражаем надежду, что авторский коллектив института РУП «Белэнергосетьпроект» будет не в претензии .В 2006-2007 годах  наше предприятие принимало участие в разработке данного нормативного документа и даже имеет благодарность от руководства института за посильный вклад.

Во вторых ,пункт 10.9 гласит: «Сечение заземляющих проводников выбирается, исходя из требований, предъявляемых к их механической прочности и термической стойкости. Сечения вертикальных электродов выбираются только по их механической и коррозионной стойкости. Коррозионное воздействие в основном оказывается на стальные элементы ЗУ, находящиеся в земле, на оцинкованные и омедненные элементы ЗУ коррозионное воздействие незначительно и практически не учитывается.»: здесь мы так же видим уже традиционный ряд противоречий с пунктом 7.2.4 ТКП 336–2011 требующим, что внешние компоненты СМЗ должны быть выполнены из материалов, представленных в таблице 7.12 «Материалы системы молниезащиты и условия использования» ,которая не описывает элементов из черной стали так и с пунктом 7.2.5 ТКП 336–2011 «Материалы и размеры», где круглый профиль для вертикальных и горизонтальных заземлителей из черной и оцинкованной стали, несмотря на коррозийное воздействие только на черную сталь имеет одинаковое сечение, а круглый профиль для вертикальных заземлителей из омедненой стали при минимальном диаметре в 14 мм .имеет разницу в 1.16 раза в большую сторону с круглым профилем  из оцинкованной стали диаметром в 12 мм. ,хотя пункт ТКП гласит ,что «…для оцинкованных и омедненных элементов ЗУ коррозионное воздействие незначительно и практически не учитывается ...». Наконец, совершенная путаница в голове наступает после того ,когда декларируемое здесь незначительной коррозионное воздействие, на оцинкованные и омедненные элементы ЗУ спотыкается о прочитанное выше требование авторов ТКП применять круглый профиль для вертикальных заземлителей из омедненой стали  меньшим по диаметру в 14 мм . при тех же  условиях, когда применяется круглые профиля из  оцинкованной стали диаметром 16 мм.

Думаю, что не для кого из специалистов не является секретом то, что степень коррозии заземляющих электродов зависит от типа материала, из которого изготовлен электрод, и условий окружающей среды. Такие факторы окружающей среды как удельное сопротивление грунта, влажность, растворимые соли (формирующие электролит), степень аэрации и температура оказывают непосредственное влияние на степень и скорость коррозии. Важным фактором являются естественные и промышленные отходы.
Результат контакта между несовместимыми металлами, наряду с воздействием окружающей среды или электролита приведет к увеличению коррозии анодного металла, и уменьшению коррозии катодного металла. Электролитом данной реакции могут быть подземные воды или влажная почва.
Распределенные по большой площади ЗУ могут пострадать от разных грунтовых условий в удаленных друг от друга частях. Это может усилить процесс коррозии и поэтому требует особого внимания. Для уменьшения коррозии систем заземления необходимо:
- избегать использования нестойкого к коррозии металла в агрессивной окружающей среде;
- избегать контакта несовместимых металлов (металлов с заметно разной электрохимической и гальванической активностью);
- использовать проводники, полосу, электроды и зажимы соответствующего поперечного сечения для обеспечения достаточной коррозионной стойкости;
- обеспечить изоляцию в точках соединения проводников, не подлежащих сварке, соответствующим изоляционным материалом во избежание попадания влаги;
- во время монтажа муфт, сварочных или механических соединений тщательно соблюдать все технологические требования, применять изоляционные материалы, стойкие к средам, ускоряющим коррозию;
- учитывать гальванический эффект, возникающий при присоединении к заземляющим электродам других металлических конструкций или коммуникаций;
- избегать проектирования систем, в которых естественные коррозионные материалы из катодного металла, например, меди - могут соприкасаться с анодным металлом (например, катодная медь с анодным металлом – сталью). Процесс коррозии заземляющих стержней так же является следствием электрохимических процессов в грунте или воздействия блуждающих токов.

Лабораторные испытания стальных заземляющих стержней с медным покрытием, производимых польской компанией Galmar, и стальных заземляющих стержней с цинковым покрытием, нанесенным горячим способом, проводились в Лаборатории Факультета Инженерного Дела по испытаниям структуры материалов Варшавского Политехнического Университета . Испытания проводились на отрезках стержней диаметром 20 мм и длиной 68 мм с цинковым покрытием толщиной Zn 0,08 мм, нанесенным горячим способом, а также испытывались стержни, омедненные электролитическим способом толщиной покрытия Cu в 0,250 мм. Сегменты стержней были помещены в раствор, содержащий уксусную кислоту CHCOOH и ацетат натрия CHCOONa с молярным отношением 1:1, рН составляло 4,8 (типичный показатель кислотности почвы в Польше). Степень коррозии измерялась гравиметрически с интервалом в 7 дней на протяжении 35-ти дней испытания. Дополнительные испытания были проведены для измерения коррозионной стойкости при помощи электрохимического метода. Результатами проведенных гравиметрических и электрохимических испытаний доказано, что в данной искусственно созданной среде заземляющие стержни подвергаются коррозии равномерно и пропорционально времени испытания. Среднее значение степени коррозии цинкового покрытия нанесенного горячим способом составляло 1,1 мм в год и было почти в 25 раз выше, чем степень коррозии медного покрытия, нанесенного электролитическим методом согласно технологии фирмы GALMAR.
В естественных условиях сравнительные испытания на коррозию заземляющих стержней были проведены специалистами Лаборатории Гражданского Морского Флота США .
Опытные образцы заземляющих стержней были изготовлены:
- из мягкой стали;
- стали с цинковым покрытием, нанесенным горячим способом;
- стали с медным покрытием, нанесенным электролитическим методом;
- нержавеющей стали;
- алюминия и других материалов.

Девять вертикальных стержневых заземлителя, изготовленных из различных материалов, длиной 2,4 м и диаметром 5/8 дюйма (14,2 мм) каждый, были зарыты в грунт на 7-летний период времени. Стержни проверялись по истечении 1, 3, и 7 лет.
Кроме визуального осмотра у каждого заземляющего стержня были произведены измерения потери массы, являющейся следствием коррозии. Потеря массы в процентах, соответствующая определенному материалу заземляющего стержня, отображена в табл. 1. Специалисты Лаборатории Гражданского Морского Флота сделали заключение, что только стальные заземляющие стержни с медным покрытием толщиной Cu – 0,250 мм и заземляющие стержни, изготовленные из нержавеющей стали, отвечают требованиям коррозионной стойкости в естественных условиях (имеют низкую степень коррозии).

Испытания на коррозионную стойкость, проведенные в естественных условиях, показали несомненное преимущество заземляющих стержней с медным покрытием, срок эксплуатации которых выше, а затраты на эксплуатацию системы заземления состоящей из вертикальных заземляющих стержней с медным покрытием, меньше.
Мировой лидер по производству заземляющих электродов и систем молниезащиты американская компания  ERICO(Эрико) выпустила по результатам испытаний своей продукции следующие рекомендации.

В Новосибирске с 22 по 25 марта 2005 года на базе Сибирской энергетической академии и Новосибирского государственного технического университета состоялась вторая Российская конференция по заземляющим устройствам. В ней приняли участие представители большинства регионов России, а также специалисты из Казахстана, Латвии, Польши, Украины.

На конференции обсуждались:
− действующие нормативные документы;
− методы расчета и проектирования заземляющих устройств, а также изысканий под заземляющие устройства;
− характеристики заземлителей на высокой частоте и при стекании токов молнии;
− коррозия и долговечность заземлителей;
− конструктивное исполнение заземляющих устройств электрических станций, подстанций, линий электропередачи, объектов связи.
Рассмотрев среди многих других важных проблем вопрос о коррозионной стойкости заземляющих устройств, Конференция записала в своих решениях следующие рекомендации по изменению главы 1.7 ПУЭ «Заземление и защитные меры безопасности». Конференция высказалась в пользу того, что диаметр круглых омедненных вертикальных заземлителей может быть наименьшим – 12мм.,чем из черной стали и оцинкованных ,так как  результаты лабораторных и натурных испытаний на коррозионную стойкость заземляющих стержней с различным покрытием показали техническую и экономическую эффективность применения электродов с медным покрытием и их преимущества по сравнению с электродами из черной стали или оцинкованных горячим способом.

Исходя из вышеизложенного,  полагаем, что авторам  ТКП 336–2011необходимо доработать вышеперечисленные пункты данного документа ввиду невозможности их практического применения,  глубоко изучив   мировой и отечественный опыт использования различных материалов для строительства заземляющих устройств.

Металография медного покрытия заземлителя Интербелтрейд увеличение в 200 раз	Производство наших вертикальных заземлителей - стержни покрыты медью

Заключение

Библиография :