Заземление является целенаправленным электрическим соединением элемента электроустановки или оборудования с заземлителем. Заземляющее устройство представляет собой ряд проводниковых элементов, состоящих в контакте с нулевым потенциалом земли. Используются заземлители с целью обеспечения эффективной и безопасной работы электрооборудования, а также для осуществления молниезащиты. При выборе материала заземлителя важными параметрами являются удельное электрическое сопротивление проводника (чем ниже сопротивление, тем эффективнее устройство), приемлемая цена и достаточная долговечность. То есть, токопроводящие свойства заземляющего устройства обязаны обеспечить безопасную эксплуатацию оборудования на протяжении всего срока службы. Это значит, что материал должен обладать не только хорошей проводимостью, но и быть коррозионностойким.
ГОСТ Р 50571.5.54-2013/МЭК 60364-5-54:2011 пункт 542.2.1 оговаривает, что типы, материалы и размеры заземляющих электродов должны обеспечивать коррозионную и необходимую механическую прочность на весь срок службы. В таблице 5.54 этого ГОСТ приводятся минимальные размеры электродов и из наиболее распространенных коррозионностойких материалов. Несмотря на высокую механическую прочность, черные стали быстро подвергаются разрушению в грунте (до 7 лет). Такой материал в процессе взаимодействия с агрессивной средой приобретает неравномерную структуру, наблюдается увеличение объема. На поверхности стали образуется рыхлая оболочка, которая значительно снижает контакт элемента с грунтом. В итоге возрастает сопротивление растеканию тока. В связи с этим недопустимо применение черных металлов.
На сегодняшний день для исключения разрушения заземлителя используют медные проводники, нержавеющие материалы или токопроводящие коррозионностойкие покрытия, нанесенные на черную сталь. Последний вариант является более дешевым и при этом весьма эффективным, поскольку переменный электрический ток растекается преимущественно по поверхности проводника. Нанесение на поверхность черного металла слоя с большей электропроводностью уменьшает сопротивление растеканию тока во всем проводнике. Например, покрытие черного металла цинком или медью, может увеличить проводниковые свойства стального заземляющего устройства до 6 раз.
Рассмотрим основные достоинства и недостатки перечисленных материалов.
Нержавеющая сталь представляет из себя материал, устойчивый к взаимодействию с окружающей средой (коррозионностойкий). Такие свойства обусловлены наличием в стали хрома. При этом его содержание должно быть не менее 12,5%, тогда потенциал стали становится положительным, что препятствует коррозии. Помимо этого хром, окисляясь, формирует на поверхности стали пассивный слой оксида хрома (Сr2O3). Для увеличения антикоррозионных свойств сталь легируют никелем, молибденом, азотом. Также данные материалы обладают высокими значениями прочности. Срок службы «нержавейки» может достигать 100 лет.
Широкое распространение получило применение оцинкованной стали, которая является более дешевым материалом, чем «нержавейка». Цинк обладает достаточно низким удельным сопротивлением (0,059 Ом∙мм2/м). Цинковое покрытие наносят на черный металл методом горячего оцинковывания, его толщина составляет 0,080 мм.
В паре цинк-сталь цинк является более электрохимически активным материалом, следовательно, начинает разрушаться раньше, чем стальная основа. При введении оцинкованного заземлителя в агрессивную среду (в частности – почву), цинк будет постепенно растворяться, защищая черную сталь от коррозии. И даже глубокие царапины, образование которых возможно на поверхности электрода в процессе монтажа, не могут привести к быстрому появлению ржавчины. Пока слой цинка будет сохраняться вокруг места повреждения, коррозия распространяться не будет. Естественный же процесс окисления цинка является очень длительным. Применяют оцинкованные заземлители в кислых и нейтральных средах. Срок службы изделия может составлять более 30 лет.
Медь – цветной металл, главными отличительными характеристиками которого являются высокая электропроводимость, пластичность, коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость. Данный металл обладает очень низким удельным сопротивлением. Оно составляет всего 0,0175 Ом∙мм2/м. Единственными недостатками меди являются ее относительно высокая цена и низкая прочность по сравнению со сталью. Полностью медные стержни достаточно легко гнутся при погружении их в грунт. Для избежания этих проблем и увеличения его срока службы готового изделия, применяют медь в качестве высокопроводящего покрытия.
Медное покрытие наносят на черную сталь электрохимическим методом. Сущность электрохимического омеднения стали заключается в следующем: стальной стержень (катод) подключают к минусу источника тока, а медные пластинки (анод) – к плюсу. Электроды помещают в раствор электролита, содержащий соль меди. Под действием электрического тока положительно заряженные ионы меди Сu2+ движутся к аноду (стальной основе заземлителя) и оседают на его поверхности в виде чистого металла. Полученный материал называют омедненной сталью. Омедненное покрытие характеризуются высоким сцеплением с разными металлами, высокой пластичностью и электропроводностью. Кроме того, омедненная сталь обладает большей прочностью, чем медь. Адгезия меди к стали выше, чем у цинка, поэтому даже при значительных механических нагрузках отслаивания меди от основы не наблюдается. Толщина медного покрытия, как правило, составляет 0,250 мм.
Омедненный заземлитель обладает рядом преимуществ в сравнении с оцинкованным. Дело в том, что медь является менее электрохимически активным (достаточно взглянуть на ряд напряжения металлов) материалом, чем цинк и сталь. Поэтому в паре медь-сталь быстрее разрушается сталь, и пока вся она не разрушится медное покрытие остается целым. При достаточной толщине медное покрытие служит дольше, чем оцинкованное, являясь более эффективным и коррозионностойким. Омедненная сталь получила широкое распространение на практике, как материал для изготовления заземлителей. Стальные стержни, с нанесенным на них медным покрытием можно применять в любых условиях. Срок службы омедненной стали в качестве заземлителя превышает 35 лет.
Смотрите также:
www.zandz.ru
Цинк VS медь. Какое заземление выбрать?
При выборе заземления, состоящего из стальных стержней, зачастую возникает вопрос — какое покрытие стержней выбрать: медное или цинковое? Если стальная основа стрежня обеспечивает прочность и возможность погружения электрода на большую глубину, то на что влияет материал покрытия?
В данном вопросе следует обратиться к основам химии.
При взаимодействии цинка со сталью окислителем является сталь, а цинк - восстановителем. Таким образом окисляется прежде всего цинк, защищая сталь. Но когда вся его масса проучаствует в реакции, т.е. окислится, начнет корродировать сталь.
При взаимодействии меди со сталью окислителем является медь, а сталь - восстановителем. В данном случае окисляется прежде всего железо, защищая таким образом медь. Здесь следует обратить внимание на особенность электрохимической реакции: она возможна только в присутствии электролита/ воды. Если сталь изолировать от него, то реакция окисления останавливается.
Таким образом, медное покрытие должно иметь толщину, позволяющую погрузить стержень на большую глубину, избежав оголения основы стержня. Оптимальная толщина медного покрытия — 250 мкм (данные на основе проведенных исследований). Такая величина характеризует механическую стойкость покрытия - во время погружения стержня в грунт, возможные "встречи" с камнями не нанесут покрытию серьезное повреждение.
Благодаря цинковому покрытию отсутствует необходимость в механической защите покрытия при монтаже. Повреждение целостности покрытия не приводит к последствиям, так как цинк всё равно защищает железо, находясь рядом. Однако, из-за малой толщины цинкового покрытия, срок службы стержня снижается до 15-25 лет. Кроме того, на сокращение срока службы стержня, покрытого цинком, влияют и металлоконструкции, находящиеся рядом с ним.
Штырь заземления с цинковым покрытием
толщиной 99 мкм, извлеченный из грунта
(суглинок) после 10 лет
Толщина же медного покрытия стержней заземления имеет значение от 200 мкм и выше, что увеличивает срок службы омедненного стержня до 30 лет в агрессивном грунте и до 100 лет в обычном суглинке. Не стоит игнорировать и вопрос денежных затрат — для достижения высокого срока службы стержней с цинковым покрытием, необходимо увеличивать толщину этого покрытия, что в разы увеличивает цену изделия, в то время как омедненные стержни доступны всем.
Штырь заземления с медным покрытием
толщиной 254 мкм, извлеченный из грунта
суглинок) после 10 лет
Как видно из проведенного сравнения, очевидно преимущество медного покрытия. Выбрав омедненный стержень заземления, Вы получите надежное заземляющее устройство, которое прослужит еще очень долго.
Ссылки по теме:Омедненная стальОмедненные стержни заземленияКонсультации
www.zandz.ru
Омеднение или цинкование. Какой заземлитель выбрать.
Омеднение или цинкование. Какой заземлитель выбрать.
Обязательным условием для современной системы заземления является наличие защиты ее элементов от коррозии, что обеспечивает длительный срок эксплуатации (15 – 30 лет и более). Как правило, защищают основные элементы систем заземления – стальные стержни. Наиболее распространены два вида защиты: омеднение и оцинковывание стержней.
В этой статье мы постараемся объяснить, по каким критериям стоит выбирать глубинные заземлители.
Так что же выбрать – омеднение или оцинковку?
Для начала отметим основные факторы влияющие на скорость коррозии металлов (заземления) в грунте:
- Влажность почвы
С увеличением влажности почвы ее коррозийная активность повыщается до тех пор, пока не достигнет критического уровня. При последующем увеличение влажности ее активность падает. Это связано с уменьшением доступа кислорода, требуемого для реакции.
- Значение pH
Для большинства почв значение находится в пределах 6,0-7,5. Однако встречаются также солончаки и щелочные суглинки, у которых значение pH 7,5-9,5 и кислые, болотные почвы со значением pH 3,0-6,0. Эти почвы отличаются особой агрессивностью.
- Минералогический состав почвы
Минералогический состав почвы влияет на сопротивление грунта, а этот важный нам показатель также влияет на агрессивность грунта.
- Блуждающие токи
Блуждающие токи одна из важнейших причин коррозии металлов. Эти токи появляются из-за утечки в грунт от рельсового транспорта (метро, трамвай, и.т.д)
Существуют и другие причины коррозии в грунте такие как: воздухопроницаемость, неоднородность, микроорганизмы, температура. Но в рамках данной статьи мы их упустим
Напомним, что антикоррозионные покрытия могут быть анодными и катодными. Для обеспечения хорошей коррозионной защиты заземлителя, покрытие будь оно цинковое или медное должно быть без дефектов, вмятин и царапин. Если же в покрытии образовывается дефект, то характер неминуемой коррозии будет зависеть от электромеханических характеристик обоих металлов.
По отношению к стали цинк является анодом, а медь катодом. Поэтому в оцинкованном заземлителе первоначально будет разрушаться цинк, а сталь останется без коррозии, до тех пор пока не разрушится покрытие. Медь же наоборот является катодом по отношению к стальному заземлителю,и в случае нарушения покрытия разрушатся будет сталь.
Перечисленные выше особенности влияют на срок службы заземлителей. В случае с оцинковкой проблему увеличения срока службы можно решить увеличением толщины цинкового покрытия. Однако на практике это оказалось технически сложно и экономически не выгодно. По-этому средний срок службы присутствующих на рынке систем заземления на базе оцинкованных элементов мал и составляет 10-15 лет.
В случае с омедненными стержнями эта проблема успешно решена нанесением слоя меди свыше 250 мкм. Данная толщина покрытия позволяет надежно защитить стальной стержень даже при монтаже в каменистых грунтах.
Испытания, проведённые одной из лабораторий экспериментально показали, что срок службы омеднённого штыря с покрытием толщиной 250 мкм в агрессивном грунте (кислом или щелочном) составляет не менее 30 лет, а в обычном суглинке достигнет 100 лет.
Также известно испытание, проведённое с 1910 по 1955 год Национальным Институтом Стандартов и Технологий США (The National Institute of Standards and Technology (NIST)). Было реализовано обширное исследование подземной коррозии, во время которого 36 500 образцов, представляющих 333 разновидности покрытий из черных и цветных металлов и защитных материалов, подвергались испытанию в 128 местах по всей территории Соединенных Штатов.
Одним из результатов этого исследования стал факт, что штырь заземления, покрытый 254 мкм меди, сохраняет свои технические характеристики в течение более 40 лет в большинстве типов почвы. А стержневые электроды, покрытые 99,06 мкм цинка, в этих же грунтах могут сохранять свои качества лишь в течение 10-15 лет.
Подведем итог:
Преимуществом оцинкованных заземлителей является относительная дешевизна и доступность, а также примерно одинаковые показатели по коррозии в разных видах почвы. Недостатком является не столь долгая коррозийная устойчивость, как у медного покрытия.
У омедненных заземлителей несомненным плюсом является высокая коррозионная устойчивость, но она высока лишь при равномерном покрытии без пор и дефектов, при образовании которых преимущества заземлителя сводится к нулю. Недостатком также является большая зависимость скорости коррозии от агрессивности грунта. В некоторых грунтах сталь с медным покрытием будет коррозировать быстрее простой черной стали. Также отметим что стоимость такого заземлителя больше оцинкованного
Поэтому выбор заземлителей необходимо производить исходя из конкретных условий и местоположения заземляющего устройства. Естественно производить каждый раз геологическое обследование почвы дорогое удовольствие. Но мы живем в 21 веке и большинство данных по почве в том или ином месте, хоть и не совсем точных в сети уже есть.
Если Ваш выбор пал на омеднение, настоятельно рекомендуем использовать только материалы известных производителей, таких как Galmar, ELKO-BIS. Только тогда можно быть уверенным в качестве медного покрытия и Ваше заземление прослужит достаточно долго и надежно.
zazemlenie.com.ua
Омеднённая сталь
Ключевым фактором изготовления качественного омеднённого штыря заземления или омеднённого проводника является создание на стальной заготовке крепкого однородного медного покрытия необходимой толщины с минимальными примесями.
При этом основными характеристиками добротного омеднения являются:
Для достижения необходимых показателей используется не простое химическое осаждение в насыщенном растворе, а электролитическое осаждение.
Пластичность покрытия
Высококачественное медное покрытие гарантирует отсутствие трещин и расслоений при деформации штыря заземления, которое может возникнуть при монтаже в грунт.
Адгезия ("прилипание") к основе
Высокая величина адгезии медного покрытия к стальной основе обеспечивает отсутствие расслаивания покрытия при больших механических нагрузках, например, при погружении штыря заземления в грунт.
Такая адгезия позволяет выдавливать резьбу на штырях после омеднения с применением техники проката, что обеспечивает сохранение толщины медного слоя на резьбе (250 мкм), которую невозможно сделать, используя технологию создания резьбы ДО омеднения.
Толщина медного слоя
Для штырей заземления требуется толщина слоя не менее 250 мкм (0,25 мм). Такая величина характеризует механическую стойкость покрытия - во время погружения штыря оно подвержено трению и сцарапыванию твердыми элементами в грунте, в результате чего толщина меди уменьшается.
Оставшийся слой должен гарантировать срок службы штыря заземления не менее 30 лет в агрессивных грунтах (100 лет в обычных грунтах).
Испытания медного покрытия
Была проведена серия испытаний медного покрытия штырей производства GALMAR (Польша) с одновременным сравнением его качества с качеством покрытия на штырях других производителей.
В конце ролика показан штырь заземления с полностью разорванным медным покрытием при деформации штыря. Такое повреждение влечет за собой возникновение в месте оголения стали очага электрохимической коррозии между двумя металлами с высокой разницей потенциалов. Сталь полностью разрушается примерно за 2-3 года.
Данное испытание дополняет первое. Оно показательно описывает надежность "прилипания" медного покрытия к стальной основе. В конце ролика показан сравниваемый с оригинальным штырь, у которого произошло отслаивание покрытия по всей площади (что наблюдается и в первом испытании).
Последнее испытание моделирует монтаж омеднённого штыря в каменистом грунте, когда на покрытие оказывается очень большое механическое воздействие: острые края камней, сцарапывающих медь.
www.zandz.ru
Системы заземления. Рекомендации европейских стандартов. Омедненные завземлители.
Элементы, выполненные из меди или из нержавеющей стали, отличаются относительно высокой ценой, поэтому проектанты или исполнители часто отказываются от их применения. Разрешение в новейших стандартах стали, омедненной гальваническим методом, – это решение, наиболее рентабельное с экономической точки зрения, имеющее свойства, близкие к меди, и одновременно совместимое с новейшими стандартами. Элементы, выполненные из омедненной стали, обладают высокой стойкостью к коррозии благодаря значительной толщине медного покрытия, а также прочностью на растяжение, характерному для стали.
В стандартах [5] и [8] определена минимальная толщина слоев меди, которая составляет 70 мкм для полос и проводов и 250 мкм для стержней, используемых в вертикальных заземлителях. Такое покрытие должно содержать 99,9% чистой меди.
Среди производителей элементов заземления из омедненной стали особое место занимает польская фирма GALMAR, высококачественная продукция которой известна во всем мире. Омедненные системы заземления фирмы GALMAR отвечают требованиям стандартов [1, 5, 8, 15], представленным в таблице 1, а также требованиям стандарта [8].
Толщину защитных покрытий перед монтированием заземлителей стоит проверять (рис. 12), поскольку нанесение гальванических покрытий на стальные стержни является, как известно, сложным процессом. Практика показывает, что можно ожидать различных неожиданностей как с цинковыми, так и с медными покрытиями.
Предлагаемые фирмой GALMAR омедненные полосы сечением 25 x 4 мм2 и 30 x 4 мм2 – это уникальные продукты в мировом масштабе, отвечающие требованиям к минимальной поверхности сечения (90 мм2) и толщине полосы (3 мм), а также к толщине медного покрытия (70 мкм). Тестирование доказывает, что покрытие меди толщиной 70 мкм и чистотой 99,9% характеризуется высокой адгезией и пластичностью. Кроме того, проведенные фирмой GALMAR исследования выявили, что омедненные полосы и провода коррозируют приблизительно в 5,5 раз медленнее, чем полосы и провода, оцинкованные горячим методом: скорость коррозии оцинкованных заземлителей составила 0,0481 мм/год, тогда как омедненных заземлителей – 0,0090 мм/год [9].
Вертикальные заземлители фирмы GALMAR предлагаются в двух версиях в зависимости от способа соединения стержней друг с другом. Доступны винтовые заземлители, соединяемые с помощью соединительных зажимов, а также так называемые кованые заземлители, соединяемые штекерным методом. Оба типа заземлителей доступны с нормативными диаметрами – 14,2 мм и 17,2 мм (минимальный диаметр согласно стандартам – 14 мм). Эти заземлители могут соединяться для получения длинного вертикального заземлителя в целях достижения требуемого активного сопротивления заземления. При этом глубина погружения заземлителя достигает даже 30 м, что значительно больше тех глубин, которые достигаются путем забивания заземлителей, в конструкции которых нет соединений. Высокая прочность на растяжение 600 Н/мм делает возможным глубокое погружение с помощью вибромолотов. Кованые заземлители GALMAR благодаря уплотнительно-усилительной втулке обеспечивают согласно требованиям стандартов минимальный диаметр заземлителя по всей его длине. Часто выполнить это требование не представляется возможным с другими заземлителями, соединяемыми штекерным методом, где при монтаже может происходить частичное сплющивание токоотвода заземлителя во время вбивания и неточного соединения стержней (рис. 13).
а) кованый омедненный заземлитель GALMAR с уплотнительно-усилительной втулкой, которая обеспечивает минимальный диаметр заземлителя по всей его длине;
б) оцинкованный заземлитель с токоотводом, сплющенным в результате забивания (уменьшен диаметр заземлителя в месте соединения стержней).
Рис.13. Соединение вертикальных заземлителей штекерным методом
Толстое (минимально 250 мкм) медное покрытие гарантирует большую сопротивляемость обдиранию защитного слоя при погружении стержней в землю, а также обеспечивает длительный срок службы заземлителя в почве – по меньшей мере 30 лет.
В 2003 г. стартовала многолетняя программа исследования коррозии вертикальных заземлителей, осуществляемая фирмой GALMAR. Исследованиям подвергались закопанные на разных опытных площадках стальные заземлители с медным и цинковым покрытием (полученным горячим и гальваническим методом). Тестирование показало, что омедненные заземлители – более стойки к коррозии [10]. Через четыре года после погружения заземлителей в землю толщина медного покрытия практически не изменилась (при начальной толщине покрытия 260–360 мкм), тогда как покрытие стальных заземлителей, оцинкованных гальваническим методом, подверглось почти полной деградации (при начальной толщине покрытия 20–30 мкм), а в случае заземлителей, оцинкованных горячим методом, толщина покрытия уменьшилась приблизительно на 25–30% (при начальной толщине покрытия 50–60 мкм). Многолетние исследования, осуществляемые в других странах, также доказали преимущества медных покрытий над цинковыми [11, 12].
Рис. 12. Измерение толщины покрытия омедненных вертикальных заземлителей GALMAR с минимальной толщиной покрытия 250 мкм 
