Согласно ‘‘ Технические указания по проектированию, строительству и эксплуатации кабельных линий связи в районах вечной мерзлоты’’. Министерство связи СССР; Центральный научно-исследовательский институт связи. - М., 1981
"6.2. Рекомендации по оборудованию заземлений
Выбор рациональной среды для сооружения заземлителей
6.2.1. Из естественных сред наиболее благоприятными вследствие их небольшого удельного электрического сопротивления для размещения заземлителей являются:
- непромерзающие и непересыхающие водоемы (пруды, реки, озера и т.д.);
- талики в относительно тонкодисперсных отложениях;
- солонцы и солончаки;
- хорошо проводящие рудные тела, угольные пласты, кимберлитовые трубки и зоны тектонических нарушений;
- некоторые типы мерзлых коренных пород (глинистые сланцы, кайонотипные эффузивы);
- тонкодисперсные отложения с массивной криогенной текстурой.
Техногенные талики благоприятны для размещения заземлителей, но вследствие ограниченных размеров большинство из них имеет частное значение.
6.2.2. Неблагоприятными для заложения заземлителей являются водоемы, основным источником питания которых являются дождевые и талые воды снежников и ледников, талики в грубообломочных породах ввиду относительно высокого их удельного электрического сопротивления и его значительных сезонных вариаций.
Использование вышеперечисленных факторов при сооружении заземлителей является обязательным и первостепенным.
Естественные заземлители
6.2.3. Хорошие результаты при устройстве заземлений в районах вечной мерзлоты получают при использовании естественных заземлителей.
В качестве естественных заземлителей могут служить: существующие обсадные и водоподъемные трубы скважин, проложенные в земле водопроводные трубы и другие металлические и непокрытые изоляцией трубопроводы (за исключением трубопроводов горючих жидкостей, а также горючих или взрывчатых газов), железобетонные фундаменты сооружений, металлические неизолированные оболочки кабелей, и металлические ограды, имеющие надежное соединение с землей, и т.п. Сопротивление их в ряде случаев достаточно мало из-за больших линейных размеров или расположения их в техногенных таликах.
Выносные заземления
6.2.4. При наличии вблизи заземляемого объекта водоема любых геометрических размеров, рудной жилы с сопротивлением 10-3 -10-5 Ом·м, таликов в относительно тонкодисперсных отложениях и других мест с грунтом, имеющим значительно меньшее удельное электрическое сопротивление, чем в месте установки объекта, выбор однозначен: сооружение выносного заземления.
6.2.5. Экономически обосновано устройство выносного заземления при длине линии от объекта до выносного контура заземления не более 500-800 м при защите от НЧ влияния. Для заземления защиты от ударов молнии длина линии не должна превышать 25-30 м.
6.2.6. В качестве заземляющих электродов при устройстве выносных заземлений используются:
- листы железа с минимальной площадью 0,75 м 2 и толщиной 5 мм;
- сетка размером 5x5 или 10x10 м, сваренная из стальных полос 40x4 мм с размером ячейки 40x40 см;
- стержневые электроды, выполненные из профильной стали или из труб длиной 1,5-2 м с минимальной площадью поперечного сечения 75 мм2 и толщиной стенок 4 мм.
6.2.7. Для непромерзающих водоемов рекомендуется устраивать заземлители в грунте дна (рис.10б) на глубину 1,5-1,8 м или по крайней мере, на поверхности дна (рис.10а). При прокладке электродов на дне водоема целесообразно помещать их в местах, где можно ожидать засасывание речным грунтом.
Рис.10. Листовой и стержневой заземлители в водоеме
Рис.10. Листовой (а) и стержневой (б) заземлители в водоеме
1. Заземлитель; 2. Заземляющий проводник; 3. Груз; 4. Глинистое дно
Чтобы исключить влияние прибрежного промерзания воды и грунта на сопротивление заземлителей, а также предотвратить возможность повреждения их конструкции от воздействия перемещающихся льдов, не рекомендуется устраивать заземляющие устройства непосредственно у берега водоема.
Количество заземлителей, требующееся для получения необходимой величины сопротивления, уточняется в процессе выполнения работы по устройству заземления.
При отсутствии близко расположенных естественных водоемов можно делать искусственный водоем глубиной не менее 2 м. Размеры водоема определяются условиями его промерзания.
Зимой на поверхности водоема рекомендуется снегозадержание.
6.2.8. При оборудовании заземляющего устройства в зоне талого тонкодисперсного грунта, подверженного сезонному промерзанию, рекомендуется длину вертикального стержневого заземлителя брать на 4-5 м больше максимальной толщины мерзлого слоя. При этом практическая длина заземлителя составляет 10-15 м.
6.2.9. Вынос заземления может быть сделан в рудное месторождение промышленного масштаба. В этом случае заземлителем является сама жила или рудное месторождение, а забиваемые электроды выполняют роль электрического контакта.
Заземлитель выполняется путем закладки труб или уголков вертикально в тело рудного месторождения.
Стержневые заземлители с искусственной обработкой грунта
6.2.10. При отсутствии вблизи заземляемого объекта условий, изложенных в (п.6.2.4) настоящих Указаний, на мощных мерзлых грунтах тонко- и среднедисперсных пород удовлетворительные результаты могут быть получены установкой глубинных (трубчатых) заземлителей с искусственной обработкой грунта (рис.11).
Рис.11. Глубинный трубчатый заземлитель
Оптимальная длина рабочей части заземлителя 15-20 м, диаметр трубы от 3/4" до 5". Трубы малого диаметра (до 1") соединяются в параллельные плети и свариваются по длине в 4-5 местах.
Внутрь тела заземлителя для постоянной эксплуатации вставляется труба-насадка длиной 2-3 м, которая имеет теплоизоляцию (несколько слоев полиэтиленовой пленки, кабельный пластикат) в нижней части, предохраняющая от интенсивного промерзания грунт в верхней части скважины.
Через трубу-насадку внутрь тела заземлителя заливается горячий раствор поваренной соли (25-40 кг на трубу) для оттаивания ледяных пропластков между фракциями породы в нижней части скважины. Нельзя заливать раствор в пространство между стенками скважин и перфорированной трубой, так как в этом случае возможны обвалы стенок скважины. В зависимости от категории мерзлого грунта и мощности ледяных включений и пустот в нижней части скважины требуется 100-150 литров горячего раствора.
Пространство между стенками скважины и телом заземлителя заполняется смесью горячего соляного раствора (10-15%) с просеянными тонкодисперсными породами (гумусированные породы, мелкий песок, суглинки, глина). Во избежание резкого увеличения сопротивления заземлителя перемешивание смеси и заполнение затрубного пространства следует производить при положительной температуре. Влажность смеси доводится до такой степени, при которой еще не теряется свойство сыпучести (должна образоваться творожистая масса, исключающая возможность прилипания к стенкам скважин).
Засыпка верхней части скважин (1,5-2 м от поверхности земли) производится без засоления грунта сухими тонкодисперсными породами.
Бурение скважин, для установки глубинного заземлителя, производится до глубины, превышающей рабочую длину заземлителя на 1,5-2,0 м. При механическом бурении с обсадными трубами (сыпучемерзлые грунты) последние извлекаются только после засыпки тела заземлителя на 1/2 длины.
Допускается в верхней части скважины оставлять обсадную трубу на длине примерно 3-5 м от поверхности земли.
Во избежание образования каверн и пустот в скважине должна производиться утрамбовка грунта в течение всего времени заполнения скважины грунтом.
Через каждые три-четыре года, а также в случае значительного роста величины сопротивления заземлителя в зимний период обработку солью следует повторять. Время производства работ по повторной солевой обработке вмещающих пород - осенне-поздний период до появления первых морозов.
6.2.11. При мощных мерзлых горизонтах грубодисперсных пород и слабом снеговом покрове удовлетворительные результаты могут быть достигнуты установкой глубинных (трубчатых, ленточных, уголковых) заземлителей длиной 20-100 м в скважины, пробуренные через толщу вечномерзлого грунта до слоев земли с высокой проводимостью (рудные включения, межмерзлотные и подмерзлотные талые грунты и т.д.).
Оборудование глубинных заземлителей допускается выполнять без искусственной солевой обработки вмещающего грунта.
При бурении скважины необходимо периодически контролировать сопротивление растекания опущенного в забой бурового снаряда, которое приблизительно равно сопротивлению заземлителя, установленного в скважине. При снижении сопротивления до заданной величины проходку можно прекратить.
6.2.12. В грунтах с высоким удельным электрическим сопротивлением (1000 Ом·м и более), для получения требуемой величины сопротивления заземления целесообразно оборудовать многоэлектродные заземляющие устройства.
При устройстве многоэлектродного заземления отдельные заземлители (п.6.2.10) располагают либо в один или несколько рядов, либо по замкнутому контуру.
Расстояние между отдельными заземлителями должно быть не менее удвоенной длины заземлителя. Расстояние между рядами должно быть не меньше половины длины одного ряда.
Количество электродов зависит от удельного электрического сопротивления грунта и определяется проектом.
Соединение заземлителей многоэлектродного заземления осуществляется стальной полосой сечением не менее 40x4 мм2 или круглой сталью диаметром 12 мм, привариваемой к электродам на глубине 0,8-1 м.
6.2.13. С целью предотвращения интенсивного промерзания грунта, площадку установки заземлителей рекомендуется покрывать искусственным теплоизолирующим материалом (§ 6.3).
6.2.14. Для бурения скважин применяют бурильные агрегаты СБУ-150-ЗИФ, СБУ-300-ЗИФ (на автомашинах), УТБ-50, АВБ-ТМ-100, БТС-50, БTC-100, БТС-150 (на тракторах), станок ударно-канатного бурения БУ-20М и др.
6.2.15. Наиболее благоприятное время производства работ по установке заземлителей - сентябрь и первая половина октября, до появления первых морозов.
Протяженные горизонтальные заземлители
6.2.16. В качестве заземления для защиты от ударов молнии в ранне-весенний период рекомендуется использовать ленточный заземлитель, частично (50 м) уложенный в траншею с переменной глубиной заложения 0,1-0,3 м в деятельном слое. Заземлитель должен выполняться из полосовой стали толщиной не менее 3-4 мм, с площадью поперечного сечения не менее 80 мм2, активной длиной 80-100 м.
Траншея засыпается смесью тонкодисперсного грунта (глина, пылеватые пески и т.п.) с солью (10 кг соли на 50 м траншеи) и трамбуется. Влажность смеси доводится до такой степени, при которой еще не теряется свойство сыпучести.
Остальная часть ленточного электрода (30-50 м) укладывается на очищенную от растений поверхность и крепится к грунту при помощи металлических костылей. Сверху производится подсыпка электродов слоем тонкодисперсного грунта толщиной в 2-5 см.
Для быстрой оттайки грунта снежный покров над траншеей нужно в первых числах апреля посыпать измельченным шлаком.
Заземлители, расположенные в местах строительства промышленных и гражданских сооружений
6.2.17. При необходимости иметь стабильную величину сопротивления заземления в районах вечной мерзлоты заземлители целесообразно располагать в местах строительства промышленных и гражданских сооружений: вертикальные и горизонтальные под фундаментами зданий; в виде сетки вдоль теплотрассы; протяженные горизонтальные в зоне магистральных сетей водоснабжения; горизонтальные в местах выхода теплых промышленных вод и т.п.
6.2.18. На ширину плиты желоба теплотрассы на землю с предварительной укладкой подушки из тонкодисперсных пород монтируется сетка из стального оцинкованного провода возможно большей длины. Сверху сетка засыпается тонкодисперсными породами и после этого укладывается желоб теплотрассы.
Если теплотрасса смонтирована и работает, то возможна прокладка протяженного заземлителя (провод, полоса), укладываемого рядом с боковыми стенками желоба теплотрассы с заменой прилегающего грунта на тонкодисперсный (рис.12).
Рис.12. Заземлитель под теплотрассой
Общая длина горизонтально-протяженного заземлителя не превышает 35-40 м.
6.3. Способы предотвращения интенсивного промерзания грунта на площадке установки заземлителей
6.3.1. С целью предотвращения интенсивного промерзания грунта, площадку установки заземлителя рекомендуется покрывать искусственным материалом в виде различных светопрозрачных пленок и других теплоизоляционных покрытий.
6.3.2. Полотнища пленок шириной до 6 м сваривают специальной установкой в полевых и стационарных условиях, а при ее отсутствии - паяльной лампой. Наиболее экономичная толщина пленки 0,08-0,1 мм. Эффективнее других пленка из полихлорвинила.
Края пленки закрепляются насыпным грунтом.
Рекомендуется многолетняя постоянная эксплуатация пленочного покрытия с периодической проверкой (1-2 раза в год) ее сохранности и степени загрязнения.
Применение светопрозрачных пленок позволяет увеличить поток тепла в мерзлую почву на 37-40% по сравнению с открытой поверхностью.
6.3.3. Хорошего результата можно добиться путем применения водовоздушной пены. Для ее получения необходимы поверхностно-активные вещества, которые при малых концентрациях (0,2-0,3%) должны давать устойчивую пену, не разрушающуюся при замерзании, переносить длительное хранение при любых температурах, легко вспениваться, не быть токсичными и иметь небольшую стоимость. Поставленным требованиям удовлетворяет выпускаемый промышленностью эмульгатор "Волгонат".
Для получения состава в необходимых количествах в институте "ИРГИРЕДМЕТ" создан пеногенератор. Он легок в эксплуатации и удобен для транспортировки.
Утепление поверхности земли слоем водовоздушной пены метровой толщины обеспечивает уменьшение глубины промерзания грунта в 2,5 раза.
Работы по утеплению площадки установки заземлителей слоем водовоздушной пены необходимо проводить в осенне-поздний период в момент наступления сезона устойчивых отрицательных температур.
6.3.4. Для уменьшения промерзания грунта, площадку установки заземлителей можно покрывать слоем твердого утепляющего покрытия (шлак, древесные опилки и т.п.) толщиной не менее 0,3-0,5 м.
Твердые утепляющие покрытия в ранне-весенний период с началом оттаивания грунта необходимо убирать.
6.3.5. Способы уменьшения глубины промерзания грунта на площадке установки заземлителей, изложенные в пп.6.3.2-6.3.4, пригодны при сооружении протяженных горизонтальных заземлителей и углубленных заземлителей длиной до 10-20 м.
Утепление площадки оборудования глубинных заземлителей длиной свыше 20 м неэффективно.
6.3.6. При устройстве углубленных заземлителей длиной 10-20 м и менее, для достижения эффекта утепления теплоизоляционным покрытием, радиус этих покрытий должен быть соизмерим с длиной заземлителей.
6.3.7. Работы по утеплению площадки установки заземлителей теплоизоляционными покрытиями необходимо проводить осенью (сентябрь-октябрь), перед наступлением сезона отрицательных температур."
Стержневые заземлители с искусственной обработкой грунта заводского изготовления
Наиболее отвечающий требованиям установки в многолетнемерзлых грунтов является заземлитель электролитический вертикальный ЭЗВ-60-15000-340Н