способ выполнения заземления в многолетнемерзлых грунтах

Формула изобретения

Способ снижения сопротивления заземляющих устройств электроустановок путем пропускания тока промышленной частоты между электродами заземлителями, заключающийся в заложении в многолетнемерзлый грунт устройства заземления электроустановки, отличающийся тем, что содержит гальванически связанный с устройством заземления электроустановки коаксиальный нагреватель, состоящий из двух цилиндрических проводников, соединенных последовательно так, что один изолированный проводник по всей длине находится внутри другого, образуя цилиндрический бифиляр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сооружению заземлений и заземлителей в многолетнемерзлых грунтах для объектов и передаточных звеньев техники высоких напряжений, электроснабжения, а также связи.

Для снижения сопротивления заземляющего устройства электроустановки (трансформаторной подстанции, распределительного устройства и т.д.) в многолетнемерзлых грунтах, обладающих высоким удельным электрическим сопротивлением от 500 до 10000 Ом·м, как правило, используют один из следующих способов (Найфельд М.Р. Заземление, защитные меры электробезопасности. - М.: Энергия, 1971. - 312 с.): применение глубинных заземлителей; специальная обработка грунта; устройство заземлителей в деятельном слое; вынос заземлителей в подозерный или подрусловый талики (зоны грунта в многолетней мерзлоте, находящиеся в талом состоянии).

При сооружении глубинных заземлителей бурится скважина на глубину до тех пор, пока сопротивление заземления бурового инструмента не снизится до требуемого значения. Затем в скважину опускается электрод - стальная полоса с грузом, а сама скважина заполняется угольной кромкой или смесью тонкодисперсной земли с 10...15% поваренной соли.

Недостаток этого способа в том, что в условиях многолетней мерзлоты плохопроводящие мерзлые породы простираются на глубину до сотен метров и низкого значения сопротивления заземления удается достичь либо в результате погружения заземлителя на большую глубину за счет увеличения его длины, либо с выходом на подмерзлотный горизонт талых горных пород. Известны случаи, когда скважины для заземлителей бурились на глубину до 400 м.

Общим признаком с заявляемым способом является возможный контакт заземлителя с горными породами, находящимися на некоторой глубине круглогодично в талом состоянии.

Специальная обработка грунта подразделяется, в свою очередь, на три метода (Цирель Я.А. Заземляющие устройства воздушных линий электропередачи. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 160 с.): насыщение грунта легкорастворимыми солями; замена части грунта материалом с повышенной проводимостью; введение в грунт слаборастоворимых в воде соединений.

Общим признаком с заявляемым способом является заложение заземлителя в круглогодичную проводящую среду, полученную специальной обработкой грунта.

Обработка грунта легкорастворимыми солями понижает температуру его замерзания и, тем самым, препятствуя понижению его проводимости при низких температурах, существенно уменьшает сезонные коэффициенты изменения сопротивления заземления. Легкорастворимые соли, такие как поваренная соль, хлористый кальций, хлористый магний, медный купорос, сода и др., вводятся в грунт либо в твердом виде, либо в виде концентрированного раствора.

Недостаток этого метода обработки грунта - усиленная коррозия электродов и полное вымывание внесенных в грунт солей почвенным раствором, требующее ежегодного повторения обработки.

В методе замены некоторого объема грунта проводящим материалом обычно используют суспензии из глины или бентонита. При этом вокруг электрода образуется стабильная коллоидная система, которая в дождь накапливает влагу осадков, а в засуху отдает ее окружающему грунту.

Недостатком метода является необходимость большого объема работ по выемке грунта.

Сущность третьего метода состоит в использовании слаборастворимых проводящих веществ, образующих при смешивании нерастворимое соединение, которые, после введения в грунт, создают в нем нерастворимую в воде и сохраняющую свои свойства продолжительное время проводящую зону. Так, результаты обработки грунта внесением 6 кг слаборастворимого гипса или ангидритогипса на 1 кг грунта сохраняют эффективность до 10 лет. Силикатогель, образующийся при введении в грунт в начале концентрированного раствора сернокислой меди, затем эквивалентного количества концентрированного раствора железистоцианистого калия, стоек по отношению к сильным электролитам и нерастворим в воде. Он отличается низким удельным сопротивлением (до 2 Ом·м) и образует в грунте разветвленную сеть проводящих нитей, обладает влагоудерживающей способностью и не вызывает коррозии электродов.

Общим недостатком метода введения в грунт слаборастворимых в воде соединений является дороговизна используемых веществ, а также повышенная токсичность некоторых компонентов.

Устройство заземлителей в деятельном слое - поверхностном слое многолетнемерзлых грунтов, оттаивающем в летнее время на глубину 0,5...2 м (реже до 3...5 м), производится заглублением в слой горизонтальных стальных полос или коротких вертикальных стержней. Сравнительно низкое электрическое сопротивление талых грунтов позволяет обеспечить надежное заземление в летне-осенний период.

Общими признаками с заявляемым способом являются использование низкого электрического сопротивления талых грунтов и заложение заземлителя в талый слой.

Недостаток выполнения заземления в деятельном слое заключается в том, что при промерзании слоя зимой сопротивление заземлителя возрастает во много раз и сохраняется высоким до значительного оттаивания грунта в летний период.

Вынос заземлителя на непромерзающее дно озера, реки или моря в зоне многолетней мерзлоты - это вынос заземлителя в подозерный или подрусловый талики. Соединение заземлителя с заземляемым устройством осуществляется воздушной или кабельной линией, линией из полосовой стали, проложенной в траншее. В качестве заземлителя используют уложенную на дно водоема сетку из проводников, либо плоскую конструкцию в виде гребенки, электродами которой являются как зубья гребенки, так и коллектор этих зубьев в виде лучевой звезды. Исходя из условий непромерзания водоема, выносные заземлители рекомендуют устраивать в водоемах, имеющих поверхность площадью не менее 0,28 кв. км и глубину не менее 2 м (Якушев М.В., Дудинов В.А., Ершов Н.Л., Яныгин В.Н. Рекомендации по проектированию и сооружению заземляющих устройств электроустановок напряжением 0,4-35 кВ для районов Якутской АССР. - Якутск: Изд-во ЯФ СО АН СССР, 1988. - 124 с.). Заземлитель укладывают на дно непромерзающего водоема, либо погружают в постоянно талые породы дна водоема.

Общими признаками с заявляемым способом являются заложение заземлителя в круглогодично проводящую среду и использование в этом качестве таликовой зоны.

Недостаток выносных заземлителей - в ограниченных возможностях их выполнения, обусловленных тем, что непромерзающие полностью в зимний период водоемы, а также наличие под ними таликов имеют ограниченное распространение. Выполнение выносных заземлителей экономически целесообразно лишь при наличии непромерзающих полностью водоемов или таликов под ними на небольшом расстоянии от заземляемого объекта.

В способе (Ефремов В.Н., Кобылин В.П. Способ выполнения заземления в многолетнемерзлых грунтах. Патент на изобретение №2181918, 2002) используется в качестве среды для заложение заземлителя тонкий проводящий слой в многолетнемерзлом грунте, сохраняющий достаточно высокую проводимость круглогодично. Под тонким проводящим слоем понимается слой легких пылеватых суглинков или водоносных горных пород, имеющих удельное электрическое сопротивление в пределах от 10 до 100 Ом·м, толщину 0,1...5 м и находящихся на глубине от 1 до 20 м.

Наличие слоя на малых глубинах (до 5 м) связано с широким распространением в грунтах зоны многолетней мерзлоты различных видов надмерзлотных подземных вод, способствующих формированию надмерзлотных таликов, а также высокоминерализованных рассолов (криопэгов), расположенных над кровлей многолетней мерзлоты.

Образование непромерзающего водоносного слоя - межмерзлотного талика - на глубинах от 10 до 20 м связывают с глобальными изменениями климата, приведшими к глубокому протаиванию криолитозоны в голоценовый температурный оптимум и к последующему промерзанию в позднеголоценовый период. На отдельных участках промерзание не привело к смыканию мерзлых толщ по вертикали и образовалась прерывистая криолитозона, составленная верхним и нижним ярусами, разделенными межмерзлотным таликом. Талое состояние межмерзлотного образования поддерживается гидрогеологическими процессами, привносом тепла подземными водами.

Общим признаком с заявляемым способом является наличие контакта заземлителя с тонким проводящим слоем, имеющим низкое электрическое сопротивление.

Недостаток этого способа заключается в том, что тонкие проводящие слои имеют неповсеместное распространение.

Известны также способы (Седалищев В.А., Якушев М.В. Поверхностный переносной заземлитель. Авторское свидетельство. №716096. БИ №6. 1980; Якупов B.C., Грачев В.Н., Шасткевич Ю.Г. Управление сезонными вариациями сопротивления заземлений. - Якутск: кн. изд-во, 1983. - 68 с.) выполнения заземления электрических установок путем подогрева грунта в зимний период. Различают два способа подогрева грунта: поверхностный подогрев и подогрев среды, вмещающей заземлитель.

В первом способе заземлитель, изготовленный в виде металлического резервуара с грузом, устанавливается на очищенную от снега поверхность грунта и поджигается залитое в резервуар жидкое топливо. После часового прогрева мерзлого грунта образуется хороший контакт таликовой зоны с грунтом. Сопротивление поверхностного заземлителя резко уменьшается (Седалищев В.А., Якушев М.В. Поверхностный переносной заземлитель. Авторское свидетельство. №716096. БИ №6. 1980).

Общим признаком с заявляемым способом является наличие таликовой зоны на контакте заземлителя с грунтом.

Недостатками известного способа являются: большой расход жидкого топлива; кратковременное сохранение (5...6 часов для открытого или до суток для термоизолированного заземлителя) достигнутого сопротивления заземляющего устройства; ограниченное применение (только для работы релейной защиты).

Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому в изобретении способу (прототипом) является способ пропускания через землю тока промышленной частоты между двумя электродами-заземлителями, вмещенными в многолетнемерзлый грунт и подключенными к источнику переменного тока (Якупов B.C., Грачев В.Н., Шасткееич Ю.Г. Управление сезонными вариациями сопротивления заземлений. - Якутск: кн. изд-во, 1983. - 68 с.). В качестве электродов для пропускания тока между ними используются сами заземлители устройства заземления электроустановки, попеременно отключаемые для этой цели от защищаемой системы. В результате подогрева грунта путем пропускания тока между заземлителями часть сезонно талого слоя сохраняется талой и зимой. Мощность таликовой зоны в период максимального промерзания составляет около 1 м. Для сохранения таликовой зоны применяются теплоизоляционные покрытия. Эффективность подогрева зависит от удельного сопротивления вмещающих пород в талом состоянии (и сопротивления заземлителя) поскольку оно определяет количество выделяющегося тепла. До определенного предела количество выделяющегося тепла можно регулировать величиной подаваемого напряжения, но тем не менее применение способа подогрева грунта ограничено величиной его удельного сопротивления (Якупов B.C., Грачев В.Н., Шасткееич Ю.Г. Управление сезонными вариациями сопротивления заземлений. - Якутск: кн. изд-во, 1983. - 68 с.).

Общим признаком с заявляемым способом является наличие таликовой зоны на контакте электрода-заземлителя с грунтом и применение электроподогрева для снижения сопротивления заземляющего устройства электроустановок.

Недостаток способа заключается в зависимости сопротивления заземлителя от удельных сопротивлений вмещающих пород. Другой недостаток способа - вероятность неравномерного развития и искажения формы талика из-за различия в сопротивлении заземления отдельных элементов заземляющего устройства.

Изобретение направлено на решение задачи, связанной с выполнением заземления в плохопроводящих многолетнемерзлых грунтах, имеющих удельное электрическое сопротивление в пределах от 500 до 10000 Ом·м. Задачей изобретения является снижение сопротивления заземлителя в многолетнемерзлых грунтах до значений не более 0,5...10 Ом, требуемых ПУЭ. Это достигается согласно изобретению, непосредственно на контакте тонкого сезонноталого электропроводящего поверхностного слоя грунта 8 (фиг.1) с талой электропроводящей средой 9 вокруг нагреваемого током коаксиального нагревателя 1 (далее нагревателя), выполняющего роль электрода-заземлителя и гальванически связанного с устройством заземления 5 электроустановки.

На фиг.1 изображено размещение в деятельном слое 7 устройства заземления 5, гальванически связанного проводником 6 с проводником 2 нагревателя 1 (таликовая зона 9 заштрихована).

Коаксиальный нагреватель 1 представляет собой два цилиндрических проводника, соединенных последовательно так, что изолированный цилиндрический проводник 3 по всей длине находится соосно внутри неизолированного цилиндрического проводника 2, образуя цилиндрический бифиляр. При подключении к нагревателю напряжения и наличии изоляционного промежутка 4 между смежными цилиндрическими поверхностями протекают встречно направленные токи, вызывающие в проводниках эффект близости (скинэффект). При этом токи протекают, в основном, по обращенным друг к другу цилиндрическим поверхностям массивных проводников, проникая на незначительную глубину проводников и разогревая их.

Авторами была разработана методика прогнозирования скорости размораживания и продолжительности талого состояния многолетнемерзлых грунтов и проведены исследования поведения заземляющего устройства, вмещенного в деятельный слой и гальванически связанного с электродом-заземлителем (нагревателем) коаксиальной конструкции. Исходя из требований техники безопасности напряжение питания нагревателя принято 12 В. Сопротивление нагревателя в среднем составляло 0,02 Ом.

Методика расчета

Рассмотрено тепловое воздействие скважины, обогреваемой нагревателем, с окружающими многолетнемерзлыми породами, основными теплофизическими характеристиками которых являются: - плотность, с₁, с₂ - теплоемкости, ₁, ₂ - коэффициенты теплопроводности талого и мерзлого грунтов, w - льдистость, T_f - естественная температура грунта. Решение поставленной задачи сводилось к нахождению закона изменения во времени границы раздела талой и мерзлой зон.

Для математического моделирования данного процесса была сформулирована осесимметричная задача теплопроводности с учетом фазового перехода влаги, насыщающей грунт, т.е. его протаивания за счет действия нагревателя в скважине. Решение задачи велось методом интегрального теплового баланса. Этот метод позволяет свести исходную задачу для уравнений в частных производных к решению задачи Коши для системы двух обыкновенных дифференциальных уравнений. В данном случае известное решение необходимо видоизменить с учетом специфики процесса, что отражается в виде граничного условия которое выражает постоянство теплового потока на поверхности скважины с размещенным внутри нагревателем.

В соответствии с методом интегрального теплового баланса введен радиус теплового влияния R (t), который определяется из соотношений

Условия (1) заменяют собой начальное условие T₂(r, 0)=T_f и условие ограниченности решения на бесконечности. Вспомогательная переменная R(t) определяется из интеграла теплового баланса, который выводится путем интегрирования дифференциального уравнения для мерзлой зоны

и имеет вид:

В результате для определения безразмерного радиуса протаивания получаем систему двух обыкновенных дифференциальных уравнений:

Для ее однозначного решения необходимо задать начальные условия следующего вида:

где начальное значение радиуса влияния определяется путем решения следующего трансцендентного уравнения:

Второе условие в (3) означает, что протаивание мерзлого грунта начнется через некоторое время после включения нагревателя, за которое радиус теплового влияния увеличится до величины R_m.

Математическая модель (2)-(3) может быть использована не только для расчетов протаивания при работе нагревательного устройства, но и смерзания грунта при его отключении. Для этого в уравнениях (2) необходимо положить q=0, а в начальных условиях (3) заменить значения s(0), R(0) на величины, полученные на предыдущем этапе вычислений. И в том, и в другом случае соответствующая задача Коши решается методом Рунге-Кутта четвертого порядка точности.

Расчеты выполнялись для двух типов грунта: 1) =1600; 2) =1800.

Было установлено, что у этих двух типов грунта различия в величинах радиуса протаивания не превышают 1%, поэтому все дальнейшие вычисления проводились только для грунта второго типа. Дополнительно использовались следующие значения параметров: наружный радиус скважины - 0,0135 м; теплота плавления льда - 80 ккал/кг; мощность нагревателя - 6,5 кВт; влажность (льдистость) грунта - 0,35 и 0,20; начальная температура грунта - минус 4 и минус 7.7°С.

Результаты вычислений динамики изменения радиуса зоны талого грунта при включенном (0<t 4000 ч) и выключенном (4000<t 8000 ч) нагревателе представлены на фиг.2а, б. Цифры под кривыми обозначают начальную температуру грунта и его влажность.

Здесь величина радиуса протаивания отнесена к величине радиуса скважины, а размерное время (в часах) связано с безразмерным следующим соотношением Анализ графиков на этих рисунках позволяет сделать следующие основные выводы. Во-первых, в полном соответствии с физикой процесса скорость протаивания существенно зависит от влажности грунта, окружающего коаксиальный нагреватель. Во-вторых, протаивание слабо зависит от начальной температуры грунта. Это объясняется сравнительно большой мощностью нагревателя, что в свою очередь приводит к гораздо большим градиентам температуры в зоне талого грунта по сравнению с зоной мерзлого грунта, а это означает, что начальная температура грунта будет мало влиять на скорость движения границы протаивания. В-третьих, скорость протаивания существенно выше скорости смерзания, что видно на фиг.2. Например, из фиг.2 следует, что при протаивании примерно за 8 сут. радиус талой зоны составил 0,91 м, а при обратном смерзании за то же время он уменьшился всего на 0,07 м или до полного смерзания пройдет 3,5 месяца. За этот период под действием солнечной радиации грунт протает на величину деятельного слоя и сопротивление устройства заземления 5 (фиг.1) уменьшится до нормируемой величины. Таким образом, для обеспечения нормируемого сопротивления устройства заземления в переходный период из мерзлого состояния грунта в талое достаточно одноразового включения электронагрева.

Экспериментальным путем установлено, что нагреватель представляет собой в основном активную нагрузку с cos =0,9. Его мощность составляет 6,5 кВт, энергопотребление за сезон

Э=Р·т=6,48 кВт ·189 ч=1223,4 кВт·ч.

Включение нагревателя в сеть и нагрев грунта производились в весенний период (в начале марта) таяния снега, когда на поверхности земли образуется тонкий проводящий слой. Значения экспериментальных и расчетных данных приведены в таблице.

Температурный режим грунта в зоне электронагрева

Расстояние от нагревателя, см	Температура грунта, °С
	Расчетная	Экспериментальная
0	70	67
15	43,5	39,7
30	30	28
100	0,7	0,5

Таким образом, размещение заземляющего устройства в деятельном слое и гальванически связанного с электродом-заземлителем коаксиальной конструкции решают проблему обеспечения таликовой зоны в переходный зимне-весенний период. В период начала таяния снежного покрова появляется тонкий (15...30 мм) высокопроводящий поверхностный слой. Этот период соответствует времени максимальных удельных сопротивлений грунта и, следовательно, повышенной опасности поражения электрическим током обслуживающего персонала. Основную функцию заземляющего устройства принимает на себя коаксиальный нагреватель, связанный гальванически с заземляющим устройством 5, имеющий связь с талым высокопроводящим поверхностным слоем 8 за счет наличия таликовой зоны 9 вокруг него. Следовательно, обеспечивается надежная работа технологического устройства заземления электроустановки и защиты обслуживающего персонала от напряжения прикосновения.