Смеси, нормализующие заземление. В чем «соль» вопроса, или как не сделать ошибки при выборе заполнителя

Термины «защитное заземление», «технологическое заземление» и «молниезащита» звучат настолько привычно, что сама задача их обустройства часто кажется тривиальной. Однако за кажущейся простотой скрывается комплекс сложнейших электротехнических, физико-химических и климатических проблем. При проектировании и строительстве энергообъектов ключевое значение имеет обеспечение долгосрочной стабильности сопротивления растеканию токов промышленной частоты и грозовых разрядов.

На территории России — особенно в районах Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, а также в засушливых южных регионах- устройство заземляющих устройств (ЗУ) сопряжено с экстремальными трудностями. Наличие многолетнемерзлых грунтов (ММГ), сухих песчаных, галечниковых, щебенистых и скальных пород характеризуется аномально высокими значениями удельного электрического сопротивления (УЭС) — от 1000 до 10000 Ом·м. Надежность и электролитический контакт заземляющего устройства в сложных условиях зависят от правильного учета вертикальной геоэлектрической структуры земли и динамики сезонного промерзания-высыхания верхних слоев почвы. Затраты на обустройство заземления подстанций и линейных объектов в сложных грунтах нередко достигают 30–35% от общей сметной стоимости строительства. Оптимизация проектирования и применение инновационных проводящих систем имеют стратегическое значение для экономики электросетевого и нефтегазового комплексов.

На сегодняшний день для снижения сопротивления заземления в высокоомных средах традиционно применяются три метода:

1. Добавление поваренной соли в грунт в околоэлектродном пространстве.
2. Конструкционная замена материнского грунта углеродсодержащими засыпками (коксовой мелочью, углем).
3. Сооружение глубинных заземлителей (длиной от 20-30 м и более).

Рассмотрим физико-химические особенности, скрытые недостатки и эксплуатационные ограничения каждого из этих подходов.

Способ 1. Введение хлорида натрия в околоэлектродное пространство

Этот метод является исторически самым старым и дешевым в реализации, однако в условиях современной электроэнергетики он абсолютно деструктивен. Стремление сэкономить на старте оборачивается критическими аварийными рисками и технологическим провалом по трем главным причинам:

А. Хлоридный питтинг и скоростная коррозия металлов. Ионы хлора Cl⁻ являются агрессивнейшими активаторами коррозии. Обладая высокой проникающей способностью, они легко разрушают естественные пассивирующие оксидные пленки на поверхности металлов. В соляной среде даже высоколегированная коррозионностойкая сталь марки AISI 304 (не говоря уже об оцинкованном прокате) подвергается стремительной локальной язвенной (питтинговой) коррозии. В результате толстостенные металлические элементы заземлителя полностью теряют несущую способность, а сварные и резьбовые узлы соединений разрушаются в течение всего 2–3 лет эксплуатации, размыкая контур заземления объекта [4, 9].

Б. Высокая диффузионная подвижность и вымывание (выщелачивание) электролита. Хлорид натрия (NaCl) обладает гигантской растворимостью в воде. Обычный минеральный грунт не способен удерживать свободные ионы солей в своей структуре. В периоды весеннего снеготаяния, паводков и обильных летних дождей происходит интенсивная фильтрация влаги, которая полностью вымывает соли из околоэлектродного пространства в подстилающие слои грунта. Из-за этого выщелачивания концентрация электролита падает, а эффективность работы заземлителя снижается на 40–50% уже за первые 12–24 месяца. Электрод остается стоять в осушенной высокоомной породе, а сопротивление заземления лавинообразно возрастает [3]. Более того, миграция хлоридов жестко нарушает требования экологической безопасности, загрязняя близлежащие подземные водоносные горизонты.

В. Катастрофическое засоление почв и формирование техногенных солончаков. Массированное неконтролируемое внесение хлорида натрия в объеме десятков и сотен килограммов на один заземляющий контур кардинально меняет морфологию и химический баланс подстилающих грунтов. Свободная миграция ионов натрия и хлора запускает необратимый процесс искусственного (техногенного) солончакообразования. При достижении критической концентрации легкорастворимых солей на уровне более 0,3-0,5% от сухой массы почвы (а в зоне прямого контакта с электродом этот показатель превышает 1,5-2,0%) грунт переходит в категорию типичного солончака. Такая концентрация полностью подавляет осмотическую активность корневых систем любой растительности, вызывая ее полную гибель и деградацию почвенного покрова в радиусе до нескольких метров от заземлителя. Это прямое нарушение природоохранного законодательства РФ, влекущее многомиллионные штрафы.

Способ 2. Конструкционное замещение грунта специализированными проводящими композициями

Замещение материнского грунта в околоэлектродном пространстве — это более сложный и технологичный метод, направленный на создание искусственной низкоомной оболочки вокруг проводника. Исторически для этого применялись простые наполнители: коксовая мелочь, шунгит или графитовая крупка. С введением в действие профильного национального стандарта ГОСТ Р 62561.7 (МЭК 62561-7) «Требования к смесям, нормализующим заземление [2],» данный сегмент рынка получил мощный импульс развития. Однако коммерциализация этого направления привела к появлению огромного количества дешевых суррогатных смесей сомнительного качества. Большинство таких продуктов построено на простейшей комбинации: бентонитовая глина, рядовой графит (как правило с зольностью 20–30%, для удешевления) или кокс, и массивные дозы дешевых галогенидных солей (чаще всего — хлорида натрия или калия) для искусственной стимуляции проводимости на этапе приемо-сдаточных испытаний.

На этапе первичного монтажа и сдачи контура такие «коктейли» демонстрируют отличные показатели УЭС, что вводит заказчика в заблуждение. В долгосрочной же перспективе в теле такой засыпки активизируются деструктивные процессы:

А. Коллоидный коллапс и коагуляция бентонитовой матрицы. Главная ценность бентонитовых глин (особенно высокодисперсных натриевых сортов) заключается в их колоссальной гидрофильности. При контакте с водой макромолекулы бентонита гидратируются и увеличиваются в объеме в 10-15 раз, формируя плотный, вязкий, водоудерживающий токопроводящий гидрогель [10]. Этот гель обязан плотно обволакивать тело заземлителя, ликвидируя воздушные пустоты и переходное сопротивление. Однако введение в эту систему несвязанных ионов натрия из дешевой поваренной соли полностью уничтожает коллоидную структуру глины. Происходит физико-химический процесс солевой коагуляции: электрический двойной слой глинистых частиц сжимается, они теряют гидрофильность, мгновенно сворачиваются в жесткие хлопья и выпадают в осадок. Вместо монолитного, удерживающего влагу защитного геля образуется нестабильная суспензия, которая летом растрескивается и отслаивается от электрода. Контакт «металл-засыпка» полностью размыкается.

Б. Интенсивное фильтрационное вымывание солей и потеря токопроводящих свойств. Потеряв коллоидные свойства, засыпка становится высокопористой и проницаемой. Хлорид натрия вымывается паводками всего за один климатический сезон. Уже через 8-12 месяцев после монтажа вся активная проводящая химия уходит в глубокие подземные горизонты, безвозвратно загрязняя экологию. Вокруг стального заземлителя остается лишь сухой, пористый скелет из свернувшейся глины и рядового высокозольного кокса. Заземляющее устройство полностью теряет ионную проводимость, электрический контакт разрывается, и контур перестает выполнять свою защитную функцию.

«Экологические пустышки» на основе гидрофобного кокса и нерастворимых карбонатов

На противоположном полюсе рынка заземляющих заполнителей находится другая технологическая крайность — так называемые «экологические пустышки». Спекулируя на естественном страхе заказчиков перед хлоридной коррозией, некоторые производители предлагают смеси, состоящие исключительно из рядовой коксовой мелочи или высокозольного природного графита в сочетании с безгалогенидными минеральными добавками — тонкомолотым мелом, известняком или строительной известью. Подобные композиции позиционируются как абсолютно безопасные для металла и экологии. Они действительно химически инертны и не вызывают ускоренного разрушения стальных проводников, однако с точки зрения электротехники такие смеси полностью перестают работать в среднесрочной перспективе:

А. Критическая гидрофобность углеродного наполнителя и дефицит ионной проводимости. Технический кокс, антрацит и графит обладают выраженной природной гидрофобностью. Высокий краевой угол смачивания заставляет углеродные частицы активно отталкивать воду [10]. Для проводимости им жизненно необходим стабильный внутренний источник свободных ионов — жидкий электролит. Однако карбонатные добавки обладают крайне низкой, близкой к нулю растворимостью и не способны обеспечить диссоциацию ионов. Вода скатывается с гидрофобных зерен кокса, формируется рыхлая структура с воздушными кавернами.

Б. Термическое осушение и диэлектрическое «запирание» заземлителя. В первые месяцы проводимость удерживается за счет остаточной влаги материнского грунта. Однако через 2-3 года эксплуатации, по мере прохождения циклов сезонного термического осушения, засыпка окончательно теряет влагу. Ввиду отсутствия гигроскопичных компонентов смесь превращается в абсолютно сухой угольный порошок. Сухой кокс без электролита обладает высоким контактным сопротивлением и полностью «запирает» протекание токов. Заземлитель фактически изолируется от почвы, обнуляя защитный потенциал системы.

Способ 3. Сооружение глубинных анодных и защитных заземлителей (ГАЗ)

Данный метод предполагает бурение вертикальных скважин глубиной от 15 до 60-100 м, спуск в них стальных проводников и последующее заполнение прианодного пространства бентонито-коксовыми пульпами, активированными хлоридом натрия. Метод призван достичь глубоких водоносных горизонтов с низким УЭС, однако его практическая реализация сопряжена с критическими экономическими и техническими ограничениями [3, 5]:

А. Высокая сметная стоимость и логистическая сложность. Технология требует тяжелой буровой техники и мобильных растворных узлов. Себестоимость бурения лавинообразно возрастает при проходке скальных, галечниковых и многолетнемерзлых грунтов. Это наиболее дорогой метод в структуре затрат на ЭХЗ и молниезащиту.

Б. Геоэлектрическая разнородность разреза и погрешность измерений. При бурении заземлитель пересекает множество геологических слоев с резко разной проводимостью. Традиционные методы вертикального зондирования (ВЭЗ) дают большую интегральную погрешность. Проектные значения сопротивления кардинально расходятся с фактическими замерами.

В. Скин-эффект при грозовых разрядах. При токах молнии (10-20 кА) определяющим становится высокочастотный волновой импеданс. Из-за скин-эффекта импульсный ток сбрасывается в землю преимущественно через первые 5-7 метров верхней части электрода. Нижняя часть глубинного заземлителя блокируется индуктивным затвором и не участвует в демпфировании потенциала. Несколько коротких, но сбалансированных электродов эффективнее одного сверхглубокого.

Инновационное решение: Токопроводящие геополимерные матрицы серий «МАГ Арктик» и «МАГ ГЕОМАТРИКС» от ООО «БИПРОН»

Осознавая технологические тупики традиционных методов (разрушительное солевание, гидрофобность «пустого» кокса и запредельная стоимость глубинного бурения), научно-производственная группа ООО «БИПРОН» разработала принципиально иной класс материалов. В основу композиций заложен научно выверенный принцип направленного синтеза низкоомной токопроводящей геополимерной матрицы. Материал не является пассивным инертным заполнителем, а выступает в роли активного структурообразователя и модификатора всего околоэлектродного пространства.

Процесс протекает в три последовательные стадии на протяжении всего многолетнего жизненного цикла системы:

Стадия 1. Щелочная активация и синтез пространственного каркаса. При затворении водой активируется силикатно-щелочной комплекс. Растворимые силикаты натрия вступают в управляемую топохимическую реакцию с алюмосиликатной фазой, запуская поликонденсацию с формированием жесткой трехмерной геополимерной решетки [7, 8]. Внутри ее ячеек иммобилизуются частицы высокоочищенного углеграфита, исключая их вымывание. Формируется монолитная структура с непрерывной электронной и ионной проводимостью, устойчивая к усадке и трещинам даже при дефиците внешней влаги.

Стадия 2. Капиллярное «врастание» в окружающий грунт. Жидкая проводящая фаза композиции, насыщенная ионами, активно мигрирует в радиальном направлении, заполняя капилляры и поры вмещающей породы — песка, суглинка, глины или скальных пород. Щелочной раствор реагирует с диоксидом кремния грунта, запуская локальное омоноличивание. Граница раздела «электрод — засыпка — почва» полностью стирается, что кардинально снижает переходное сопротивление.

Стадия 3. Кольматация пор и минимизация переходного сопротивления. Сорбционные свойства алюмосиликатов (цеолиты, палыгорскит) прочно запирают влагу и ионы в межкристаллических пустотах. Это обеспечивает:

• многократное (в 5-8 раз) увеличение эквивалентного радиуса заземлителя;
• трансформацию прилегающего грунта в часть проводящего контура;
• исключение воздушных зазоров при летней засухе;
• нивелирование морозного пучения и выталкивания трубы зимой.

Сформированный геополимерный кластер гарантирует стабильный электрический и механический контакт «электрод — засыпка — грунт» на протяжении всего 50-летнего срока, независимо от сезонных колебаний температуры и влажности [7].

Заключение и выводы

Для проектных институтов, строительно-монтажных организаций и подразделений капитального строительства крайне важно объективно оценивать риски, возникающие при обустройстве ЗУ и систем ЭХЗ в сложных геоэлектрических условиях. Сезонная динамика промерзания ММГ Крайнего Севера и термическое иссушение почв аридных регионов делают достижение нормативного сопротивления растеканию токов сложнейшей инженерной задачей.

Детальный физико-химический анализ показывает, что попытки решить эту проблему устаревшими или суррогатными методами неизбежно ведут к аварийным последствиям:

1. Прямое солеваниеNaCl или дешевые бентонито-соляные смеси гарантируют питтинговую коррозию металла за 2–3 года, превращают почву в бесплодный солончак и полностью вымываются паводками за один сезон.
2. «Экологические пустышки»на основе мела и рядового кокса из-за гидрофобности углерода превращаются в сухие подземные изоляторы после первой засухи, разрывая контакт «электрод-грунт».
3. Бессистемное углубление скважиндо 60-100 м неоправданно удорожает строительство (до 30-35% бюджета) и не решает задач импульсной молниезащиты из-за скин-эффекта.

В условиях, когда бесперебойная работа микропроцессорной автоматики, телемеханики и силового оборудования напрямую зависит от стабильности контура заземления, любая сиюминутная лжеэкономия оборачивается катастрофическими затратами. Выход дорогостоящей техники из строя и простои в условиях Крайнего Севера несут прямую угрозу промышленной безопасности.

Применение инновационных геополимерных матриц серий «МАГ ГЕОМАТРИКС» и «МАГ Арктик» производства ООО «БИПРОН» позволяет кардинально изменить экономику проектирования. За счет капиллярного «врастания» и увеличения эквивалентного радиуса токоотдачи в 5–8 раз данные композиции позволяют:

• сократить глубину и объемы бурения вертикальных скважин в 2–3 раза без потери нормативного сопротивления;
• полностью отказаться от экологически опасных галогенидов и исключить коррозионную агрессию к металлу;
• обеспечить гарантированный 50-летний срок службы с неизменными круглогодичными электротехническими параметрами.

Переход от примитивных засыпных смесей к патентованным геополимерным технологиям — это единственный организационно-технический путь к созданию безаварийной, экономически эффективной и долговечной инфраструктуры заземления нового поколения [1, 3, 7].

Список литературы

1. ГОСТ Р 58882-2020. Заземляющие устройства. — М.: Росстандарт, 2020.
2. ГОСТ Р МЭК 62561.7-2016. Компоненты системы молниезащиты. — М.: Стандартинформ, 2016.
3. ГОСТ 9.602-2016. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии. — М.: Стандартинформ, 2017.
4. ГОСТ Р 51164-98. Магистральные стальные трубопроводы. — М.: Госстандарт России, 1999.
5. СТО Газпром 2-2.1-131-2007. Инструкция по проектированию ЗУ. — М.: ВНИИГАЗ, 2007.
6. СТО Россети 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию ЗУ подстанций. — М.: ФСК ЕЭС, 2012.
7. Патент № 2528831 РФ. Электропроводящий состав для заземляющих устройств. — ООО «Бипрон», 2014.
8. Баженов Ю.М., Воробьев В.А. Модифицированные геополимерные вяжущие. — Строительные материалы и технологии XXI века. — 2022. — №4.
9. Колосов А.В., Дмитриев И.М. Особенности электрохимической коррозии стальных заземлителей. — Коррозия: материалы, защита. — 2024. — №8.
10. Петров Н.А. Коллоидная химия бентонитовых растворов при солевой агрессии. — Территория НЕФТЕГАЗ. — 2023. — №11.

 

Грибанов Алексей Сергеевич, технический директор ООО «Бипрон»
pro@bipron.com
тел.: +7 (495) 988-19-16

www.bipron.com