ДВУХСЛОЙНОЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ НА ОСНОВЕ ШУНГИТА

ДВУХСЛОЙНОЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ НА ОСНОВЕ ШУНГИТА

Научная статья

Тихомиров А.А.^1, *, Пшеничников М.А.²

^{1, 2} Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск, Россия;

* Корреспондирующий автор (sasha.82[at]mail.ru)

Аннотация

Работа посвящена исследованию возможности применения шунгитового порошка в качестве дополнительного слоя грунта для обеспечения растекания тока заземляющего устройства. Получена зависимость удельного сопротивления шунгитового порошка от сжимающей силы и весовой влажности. Проведены измерения удельного сопротивления от протекающего тока в однослойном и двухслойном грунте с частичной заменой шунгитовым порошком. Проведенные измерения показывают падающую характеристику зависимости удельного сопротивления от протекающего тока через заземляющее устройство.

Ключевые слова: заземляющее устройство, грунт, удельное сопротивление.

TWO-LAYER EARTHING DEVICE IN ELECTRIC-POWER ENGINEERING BASED ON SHUNGITE

Research article

Tikhomirov A.A.^1, *, Pshenichnikov M.A.²

^{1, 2} Petrozavodsk State University, Petrozavodsk, Russia

* Corresponding author (sasha.82[at]mail.ru)

Abstract

The work is devoted to the study of the possibility of shungite powder application as an additional soil layer to ensure the spreading of a current in the grounding device. The authors have obtained the dependence of the resistivity of shungite powder on compressive strength and weight moisture. They measured resistivity from the flowing current in a single-layer and two-layer soil with partial replacement with schungite powder. The measurements show a falling characteristic of the dependence of the resistivity on the flowing current through the grounding device.

Keywords: grounding device, soil, resistivity.

Введение

Заземляющее устройство является важными элементом электроэнергетической системы, выполняющее защитную функцию от опасных перенапряжений, которые возникают как при аварийных режимах, так и в процессе эксплуатации.

Для обеспечения надежности электроснабжения, заземляющее устройство должно иметь неизменное нормативное сопротивление в соответствии с нормами ПУЭ [1]. Отдельным вопросом является рассмотрение величины сопротивления заземляющего устройства при импульсных токах для  выполнения молниезащиты.

Удельное сопротивление грунта является многофакторной величиной, что затрудняет описание его электрических характеристик. Так в работах [2],[3] показана сложность предсказания удельного сопротивления грунта, из-за влияния его плотности и влажности на величину удельного сопротивления. Кроме того на удельное электрическое сопротивление грунта существенно влияет  температура окружающей среды при переходе в отрицательные значения из-за промерзания грунта.

 Сезонное изменение температуры окружающей среды, уровня осадков в случае высокого удельного сопротивления грунта могут приводить к выходу за нормативные значения величины сопротивления заземляющего устройства. Кроме того низкая удельная проводимость грунта может быть причиной зависимости сопротивления заземляющего устройства от протекающего тока [4]. Для снижения удельного сопротивления грунта и обеспечения нормативного сопротивления заземляющего устройства может применяться засоление грунта, однако такой подход не решает проблему  создания надежного растекания тока на длительный период.

При большом удельном сопротивлении грунта, например в условиях Крайнего Севера или скальных пород, обеспечение нормативной величины сопротивления заземлителя требует увеличения габаритных размеров электродов, что существенно повышает экономические затраты на строительство.

Развитие заземляющих устройств связано с применением новых технических решений и материалов. Так электролитическое заземляющее устройство обеспечивает  электрохимический контакт с грунтом через поры пробки в нижней части заземлителя [5]. Преимуществом электролитического заземляющего устройства является возможность обеспечения лучшего электрического контакта с высокоомным грунтом по сравнению с классическим электродным заземлителем. Недостатком такого заземляющего устройства является применение электролитов как потенциално опасных материалов для окружающей среды, кроме того налагается условие положительных рабочих температур, что ограничивает их применение.

Для нивелирования изменения удельного сопротивления грунта от промерзания в [6] описана возможность использования заземляющего устройства на основе электродов нагревателей.

В связи с развитием буровых технологий находят применение глубинные вертикальные заземлители с их вводом нижние слои грунта с меньшим удельным сопротивлением. При этом возможна частичная или полная замена грунта на материал с низким удельным сопротивлением с получением нормативных параметров заземляющего устройства. Так [7] показано преимущество установки вертикальных электродов над горизонтальными при проектировании заземляющего устройства в случае двухслойного или более грунта.

Применение частичной замены грунта делает актуальным задачу рассмотрение новых материалов с низким удельным сопротивлением для обеспечения растекания электрического тока, которые одновременно не являлись бы экологически опасными для окружающей среды.

Целью работы является рассмотрение возможности применения шунгита (аналога стеклоуглерода) как отдельного слоя грунта для уменьшения общего сопротивления заземляющего устройства с вертикальными электродами.

Электрофизические свойства шунгита исследовались в работах [8], [9]. Шунгит представляет собой композит наночастиц углерода с разнообразными минеральными примесями (наиболее часто встречаются пирит, кварц, сфалерит) добываемый открытым способом. Наночастицы входящие в состав шунгита обладают деформированными графеновыми плоскостями.  Удельное сопротивление шунгита составляет порядка 0,001 Ом×м, что делает возможным его применение в области экранировки электромагнитного излучения.

Основная часть

В настоящей работе использовался шунгит Зажогинского месторождения фракцией 100 мкм.

Для измерения зависимости удельного сопротивления шунгита от давления использовался керамический цилиндр с расположенным в его нижней части электродом (см. Рисунок 1) в который засыпался шунгитовый порошок и придавливался верхним электродом. Измерение сопротивления производилось с помощью мультиметра. Внутренний диаметр цилиндра 1 равен 15 см, а высота шунгитового порошка 5 см.

 

Рис. 1 – Схема измерения удельного сопротивления грунта от давления:

1 – диэлектрический цилиндр, 2, 3 – верхний и нижний электрод, 4 – мультиметр

 

Полученная зависимость удельного сопротивления шунгитового материала от давления, которая представлена на рисунке 2 показала практически линейное падение с ростом  давления. При  этом при создании циклической нагрузки шунгитовый материал показал повторяемость результатов с погрешностью порядка 20%.

Рис. 2 – Зависимость удельного сопротивления от давления

На рисунке 3 представлены результаты измерений зависимости удельного сопротивления шунгитового порошка от весовой влажности в ненагруженном состоянии.

 

Рис. 3 – Зависимость удельного сопротивления от давления

 

Для измерения массы шунгитового порошка использовались весы Massa K BK 3000.

Для исследования растекания тока в грунте при его частичной замене шунгитовым материалом была собрана экспериментальная установка, показанная на рисунке 4, представляющая собой металлический короб (40x21x30 см) наполненным грунтом (супесь) в который погружен электрод диаметром 6 мм.

 

Рис. 4 – Экспериментальная установка

1 – электрод, 2 – металлический короб, 3 – грунт, 4 – амперметр, 5 – источник питания, 6 – вольтметр

 

Для измерения сопротивления такого заземлителя, между корпусом короба и электродом подавалось переменное напряжение с частотой 50 Гц с помощью источника питания (5).  Ток растекания измерялся амперметром (4).

Зависимости сопротивления заземляющего устройства от протекающего тока при различных глубинах погружения электрода в однослойный грунт показаны на рисунке 5.

Рис. 5 – Зависимость сопротивления заземляющего устройства от тока в однослойном грунте

 

Для измерения сопротивления заземляющего устройства при частичной замене грунта, верхний слой (около 1 см) был заменен на шунгитовый порошок.

Зависимости сопротивления заземляющего устройства от протекающего тока при различных глубинах погружения электрода в двухслойном грунте показаны на рисунке 6.

 

Рис. 6 – Зависимость сопротивления заземляющего устройства от тока в двухслойном грунте

 

Заключение

Из представленных вольт-амперных характеристик видно близкое к линейному падение сопротивления заземлителя с ростом напряжения как в случае однослойного грунта так и при частичной замене грунта. Полученные результаты показывают, что шунгитовый порошок обладает достаточно низким удельным сопротивлением от 130 до 10 Ом-м в зависимости от давления, при этом его электрическое сопротивление практически линейно падает с ростом тока.

Конфликт интересов «Не указан».

Conflict of Interest «None declared».

Список литературы / References

1. Правила устройства электроустановок: 7-е издание (ПУЭ)/ Главгосэнергонадзор России. М.: Изд-во ЗАО «Энергосервис», 2007. 610 с.
2. Зайцева Н. М. Зависимость удельного сопротивления грунта от плотности / Зайцева Н.М., Исабекова Б.Б., Зайцев Д.С. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2009.–№6. – С. 138–141.
3. Зайцева Н. М. Зависимость удельного электрического грунта от влажности и температуры / Н.М. Зайцева, Д.С. Зайцев, М.Я. Клецель // Электричество. – 2008. – №9. – С. 31–35.
4. Васильев П.Ф. Методы снижения сопротивления растеканию тока в многолетнемерзлых грунтах / В.П. Кобылин, В.А. Седалищев, Р.П. ЛиФир-Су,П.Ф. Васильев // Изв. РАН. Энергетика. – – №1. – С. 117–121.
5. Иванов В.Г. Электролитические заземлители. Преимущества и перспективы использования / В.Г. Иванов, А.М. Чернюк // Энергетика и электрификация. – № 6. – 2007. – C. 23–29.
6. Способ выполнения заземления в многолетнемерзлых грунтах / Ефремов В.Н., Кобылин В.П., Пат. РФ 2181918, 2002.
7. Caetano C. E. F. et al. A simplified method for calculating the impedance of vertical grounding electrodes buried in a horizontally stratified multilayer ground //2018 34th International Conference on Lightning Protection (ICLP). – IEEE, 2018. – С. 1–7.
8. Batista R., Paulino J. O. S. A practical approach to estimate grounding impedance of a vertical rod in a two-layer soil // Electric Power Systems Research. – 2019. – Т. 177. – С. 105973.
9. Парфеньева, Л.С. Электропроводность шунгитового углерода / Л.С. Парфеньева, И.А. Смирнов, А.З. Зайденберг, Н.Н. Рожкова, Г.Б. Стефанович // ФТТ. – 1994. –Т. 36, № 1. – С. 234-236.
10. Голубев Е.А. Электрофизические свойства и структурные особенности шунгита (природного наноструктурированного углерода) // ФТТ. – 2013. –Т. 55. – В. 5. – С.995-1002.

Список литературы на английском языке / References in English*

1. Pravila ustroystva elektroustanovok: 7-ye izdaniye (PUE) [Electrical installation rules: 7th edition (PUE)] / Glavgosenergonadzor of Russia. M.: Publishing House of CJSC Energoservice, 2007. – 610 p. [in Russian]
2. Zaitseva N. M. Zavisimost' udel'nogo soprotivleniya grunta ot plotnosti [Dependence of soil resistivity on density] / Zaitseva N. M., Isabekova B. B., Zaitsev D. S. // Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Problemy energetiki [News of higher educational institutions. Energy issues]. – 2009. – No. 6. – P. 138–141. [in Russian]
3. Zaitseva N. M. Zavisimost' udel'nogo elektricheskogo grunta ot vlazhnosti i temperatury [Dependence of specific electric soil on humidity and temperature] / N.M. Zaitseva, D.S. Zaitsev, M.Ya. Kletsel // Elektrichestvo [Electricity]. – 2008. – No. 9. – P. 31–35. [in Russian]
4. Vasiliev P.F. Metody snizheniya soprotivleniya rastekaniyu toka v mnogoletnemerzlykh gruntak [Methods of reducing the resistance to current spreading in permafrost soils] / V.P. Kobylin, V.A. Sedalischev, R.P. LiFir-Su, P.F. Vasiliev // Izv. RAN. Energetika [Bul. Of RAS. Energy] – 2008. – No. 1. – P. 117–121. [in Russian]
5. Ivanov V.G. Elektroliticheskiye zazemliteli. Preimushchestva i perspektivy ispol'zovaniya [Electrolytic grounding. Advantages and prospects of use] / V.G. Ivanov, A.M. Chernyuk // Energetika i elektrifikatsiya [Energy and Electrification]. – No. 6. – 2007. – P. 23–29. [in Russian]
6. Sposob vypolneniya zazemleniya v mnogoletnemerzlykh gruntakh [Method of grounding in permafrost soils] / Efremov V.N., Kobylin V.P., Pat. RF 2181918, 2002. [in Russian]
7. Caetano C. E. F. A simplified method for calculating the impedance of vertical grounding electrodes buried in a horizontally stratified multilayer ground //2018 34th International Conference on Lightning Protection (ICLP). – IEEE, 2018. – С. 1–7.
8. Batista R. A practical approach to estimate grounding impedance of a vertical rod in a two-layer soil / Batista R., Paulino J. O. S. // Electric Power Systems Research. – 2019. – V. 177. – С. 105973.
9. Parfenyeva, L.S. Elektroprovodnost' shungitovogo ugleroda [Electrical conductivity of shungite carbon] / L.S. Parfenyeva, I.A. Smirnov, A.Z. Seidenberg, N.N. Rozhkova, G.B. Stefanovich // FTT. – 1994. – V. 36, – No. 1. – P. 234-236. [in Russian]
10. Golubev E.A. Elektrofizicheskiye svoystva i strukturnyye osobennosti shungita (prirodnogo nanostrukturirovannogo ugleroda) [Electrophysical properties and structural features of shungite (natural nanostructured carbon)] // FTT. – 2013. – V. 55. – P. 5. – P.995-1002. [in Russian]