«КОММЕРЦЪ»: смеси, нормализующие заземление. В чем «соль» вопроса или как не ошибиться при выборе заполнителя

Д. А. БЕЛОВ — генеральный директор АО «НПО «Биптрон»

А. С. ГРИБАНОВ — технический директор ООО «Биптрон»

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 Российской Федерации — в особенности в районах Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, а также в засушливых южных регионах — создание заземляющих устройств (ЗУ) сопряжено с экстремальными трудностями. Наличие многолетнемерзлых грунтов (ММГ), сухих песчаных, галечниковых, щебенистых и скальных пород характеризуется высокими значениями их удельного электрического сопротивления (УЭС) — от 1000 до 10000 Ом·м. Надежность и электрический контакт ЗУ в таких 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. Конструктивная замена материнского грунта углеродсодержащими засыпками (коксовой мелочью, углем).
3. Сооружение глубинных заземлителей (длиной от 20–30 метров и более).

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

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

■ А.1. Хлоридный питтинг и скоростная коррозия металлов
Ионы хлора (Cl⁻) являются агрессивнейшими активаторами коррозии¹. Обладая высокой проникающей способностью, они легко разрушают естественные пассивирующие оксидные пленки на поверхности металлов. В солевой бане даже высоколегированная коррозионностойкая сталь марки AISI 304 (не говоря уже об оцинкованном прокате) подвергается стремительной локальной язвенной (питтинговой) коррозии. В результате такого химического воздействия толстостенные металлические элементы заземлителя (например, стенка электрода толщиной 4 мм) полностью теряют несущую способность, а сварные и резьбовые узлы соединений разрушаются в течение всего 3–5 лет эксплуатации, размыкая контур заземления объекта [8, 12] (рис. 1, для хлоридной среды — зона З_х.о, норматив убытия металла по толщине слоя 1,25 мм в год).

■ А.2. 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. При этом миграция хлоридов не только приводит к лавинообразному росту сопротивления растеканию тока, но и повышает коррозионную агрессивность окружающего грунта по отношению к смежным подземным коммуникациям, что нарушает нормативные требования к их защите от коррозии [2,3]. Более того, миграция хлоридов жестко нарушает требования экологической безопасности, загрязняя близлежащие подземные водные горизонты.

■ Б. 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) солончак образования [11]. При достижении критической концентрации легкорастворимых солей на уровне более 0,3–0,5% от сухой массы почвы (в зоне прямого контакта с электродом этот показатель превышает 1,5–2,0%, а у некоторых производителей доходит до 9,0%), грунт переходит в категорию типичного солончака². Такая концентрация полностью подавляет осмотическую активность корневых систем любой растительности, вызывая её полную гибель (химический ожог) и полную деградацию почвенного покрова в радиусе до нескольких метров от заземлителя. В условиях жесткого экологического контроля и прохождения трасс через земли лесного или сельскохозяйственного назначения подобное варварское выжигание плодородного слоя является прямым нарушением природоохранного законодательства РФ и влечет за собой многомиллионные штрафы для эксплуатирующих организаций.

Кроме того, возникновение солончаковых эффектов требует учета при проектировании и строительстве сопряженных с ними объектов, например, опор ВЛ. При этом для их создания должен применяться специализированный металл армирования, а также специфические добавки в бетонную смесь.

■ А. 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 крошка. 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 ЗУ такие «коктейли» демонстрируют отличные показатели УЭС, что вводит заказчика в заблуждение. В долгосрочной же перспективе в теле такой засыпки активизируются деструктивные процессы, полностью разрушающие систему заземления.

■ А.1. Коллоидный коллапс и коагуляция бентонитовой матрицы
Главная ценность бентонитовых глин (особенно высокодисперсных натриевых сортов) заключается в их высочайшей гидрофильности. При контакте с водой макромолекулы бентонита гидротируются и увеличиваются в объеме в 10–15 раз, формируя плотный, вязкий, водоудерживающий токопроводящий гидрогель [9]. Этот гель должен плотно обволакивать тело заземлителя, ликвидируя воздушные пустоты и переходное сопротивление. Однако искусственное введение в эту систему избыточного количества подвижных ионов (например, при добавлении дешевой поваренной соли NaCl для мнимого повышения проводимости) приводит к разрушению структуры. Под воздействием свободных катионов натрия (Na+) происходит физико-химический процесс солевой коагуляции [9]: 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 грязная суспензия (жижа). В летний период эта масса стремительно теряет воду, усаживается, растрескивается на обособленные сегменты и полностью отстаивается от поверхности тела заземлителя. Контакт «металл–засыпка» размыкается, а сопротивление заземляющего устройства лавинообразно возрастает.

■ А.2. Интенсивное фильтрационное вымывание солей и потеря токопроводящих свойств
Ввиду того, что бентонитовая глина под действием солевой агрессии полностью сворачивается и теряет свои коллоидные гидроизолирующие и удерживающие свойства (см. выше), внутри околоэлектродного заполнителя формируется рыхлая, высокопористая и проницаемая структура. Хлорид натрия, обладая аномально высокой растворимостью в воде, в таких условиях становится абсолютно нестабильным элементом. Первые же весенние паводки, подъёмы грунтовых вод и обильные сезонные дожди запускают процесс сквозной фильтрации ионного раствора. Вся токопроводящая соль полностью вымывается из объёма засыпки всего за один климатический сезон. Скорость выщелачивания настолько высока, что уже через 8–12 месяцев после монтажа вся активная проводящая химия уходит в глубокие подземные горизонты, безвозвратно загрязняя экологию и отравляя близлежащие водоносные слои. Вокруг стального заземлителя остается лишь сухой пористый скелет из свернувшейся глины и рядового высокозольного кокса. Заземляющее устройство полностью теряет ионную проводимость, электрический контакт разрывается, а контур заземления промышленного объекта целиком перестает выполнять свою защитную функцию.

■ Б. «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 (угольной) мелочи или высокозольного природного графита, в сочетании с безгалогенными (бесхлорными) минеральными добавками — тонкомолотым мелом, известняком или строительной известью. Подобные композиции позиционируются как абсолютно безопасные для металла заземлителя и окружающей среды. Они действительно химически инертны и не вызывают ускоренного разрушения стальных проводников, однако с точки зрения электротехники такие смеси полностью перестают работать в среднесрочной перспективе, превращаясь в подземный изолятор. Причиной этого фиаско являются фундаментальные законы физики поверхностных явлений.

■ Б.1. 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 того, чтобы заставить такую гидрофобную углеродную систему непрерывно проводить ток в теле грунта, ей жизненно необходим стабильный внутренний источник свободных ионов — жидкий электролит. Однако вводимые в состав «экологических пустышек» безгалогенные минеральные добавки (карбонат кальция, мел, известняк) обладают крайне низкой, близкой к нулю, растворимостью в воде и не способны обеспечить диссоциацию свободных токопроводящих ионов. В результате еще на этапе приготовления рабочего раствора (затворения) вода скатывается с гидрофобных зерен кокса, не проникая внутрь микропор. При засыпке или закачке такой смеси в околоэлектродное пространство внутри скважины формируется рыхлая, неравномерная структура, изобилующая скрытыми воздушными кавернами и пустотами.

■ Б.2. Термическое осушение и диэлектрическое «запирание» заземлителя
В первые месяцы после монтажа заземляющее устройство удерживает минимальную проводимость исключительно за счет присутствия свободной трассовой или капиллярной влаги материнского грунта. Однако через 2–3 года эксплуатации по мере прохождения циклов сезонного термического осушения и естественного ухода капиллярной воды из приэлектродной зоны засыпка окончательно теряет влагу. Ввиду отсутствия гигроскопичных и влагоудерживающих компонентов смесь превращается в абсолютно сухой, жесткий и пористый угольный порошок. Поскольку сухой кокс без электролита обладает высоким мелкоконтактным сопротивлением, он полностью «запирает» протекание токов катодной защиты или молниезащиты. Заземляющее устройство фактически изолируется от вмещающей почвы, полностью обнуляя защитный потенциал системы.

Данный метод предполагает бурение вертикальных скважин глубиной от 15 до 60–100 метров, спуск в них стальных проводников (или железокремнистых анодных электродов) и последующее заполнение призабойного пространства простейшими бентонито-коксовыми или глинопесчаными пульпами, искусственно активированными хлоридом натрия. Проектирование и сооружение таких систем регулируется требованиями ГОСТ 9.602-2016 (в части ЭХЗ) и СТО Газпром 2-1.11-170-2007 (в части молниезащиты) [3, 5]. Метод призван достичь глубоких водоносных горизонтов с низким УЭС, однако его практическая реализация сопряжена с критическими экономическими и техническими ограничениями.

■ А. Высокая сметная стоимость и логистическая сложность буровых работ
Технология требует постоянного присутствия на площадке тяжелой буровой техники и мобильных растворных узлов. Себестоимость погонного метра бурения стремительно возрастает при проходке скальных, галечниковых, валунных и многолетнемерзлых грунтов. Дополнительные затраты на монтаж и неизвлекаемый анкерный крепеж обсадных труб, повышенный расход топлива и трудозатраты строительно-монтажных бригад в условиях труднодоступной трассы Крайнего Севера делают этот способ наиболее дорогим в структуре затрат на ЭХЗ и молниезащиту объектов.

■ Б. Геоэлектрическая разнородность разреза и критическая погрешность проектных измерений
При бурении на значительную глубину заземлитель пересекает множество геологических слоев с резко полярной структурой и проводимостью — от талых суглинков до скальных линз. Традиционные четырехэлектродные методы вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) дают огромную интегральную погрешность в многослойных средах. Как следствие, расчетные проектные значения сопротивления ГАЗ на бумаге кардинально расходятся с фактическими замерами после пусконаладки. Заказчик, инвестировавший миллионы в бурение 100-метровой скважины, в реальности оказывается далек от нормативных показателей растекания тока.

В. Физическое ограничение импульсной проводимости при грозовых разрядах (Скин-эффект)
При протекании токов молнии сверхвысоких частот и амплитуд (10–20 кА) определяющей характеристикой ЗУ становится не статическое сопротивление растеканию, а высокочастотный волновой импеданс заземлителя. Из-за проявления электродинамического скин-эффекта и индуктивного сопротивления длинного вертикального проводника импульсный ток грозового разряда сбрасывается в землю преимущественно через первые 5–7 метров верхней части электрода. Нижняя, 50-метровая часть глубинного заземлителя в момент удара молнии фактически блокируется индуктивным затвором и в демпфировании потенциала не участвует.

В импульсном режиме ЭХЗ и молниезащиты пространственный контур из нескольких коротких, но сбалансированных по площади токоотдачи электродов большого диаметра гарантированно эффективнее, чем один–два сверхглубоких трубчатых заземлителя.

Инновационное решение проблемы от ГК «Биптрон»: токопроводящие геополимерные матрицы серий «МАГ – Арктик» и «МАГ – Геоматрикс»

Осознавая технологические тупики традиционных методов (разрушительное засоление почв, гидрофобность «пустого» кокса и запредельная стоимость глубинного бурения), научно-производственная группа Биптрон разработала принципиально новый класс материалов.

В основу работы заземляющих и прианодных композиций серий «МАГ – Арктик» и «МАГ – Геоматрикс» заложен научно выверенный принцип направленного синтеза низкоомной токопроводящей геополимерной матрицы. Поставляемый материал не является пассивным механически засыпаемым инертным заполнителем, а выступает в роли активного структурообразователя и модификатора всего околоэлектродного пространства.

Этот сложнейший процесс протекает в три последовательные стадии на протяжении всего многолетнего жизненного цикла системы заземления или ЭХЗ.

В момент затворения сухой смеси технической водой на строительной площадке (либо при постепенной естественной гидратации за счет капиллярной грунтовой влаги) активируется специализированный силикатно-щелочной комплекс. Растворимые силикаты натрия и щелочные буферные модификаторы вступают в управляемую топохимическую реакцию с мелкодисперсной активной алюмосиликатной фазой смеси.

Запускается процесс направленной поликонденсации с формированием жесткой трехмерной кремний-кислород-алюминиевой (геополимерной) пространственной решетки [7]. На микроструктурном уровне происходит уникальный физический эффект: внутри ячеек этой растущей минеральной матрицы, как в прочной пространственной бронематрице, жестко защемляются, иммобилизируются и удерживаются от малейшего вымывания ультрадисперсные частицы искусственного углерофита высокой степени очистки.

Благодаря такой синергии формируется стабильная монолитная структура, обладающая непрерывной, дублирующей друг друга электронной и ионной проводимостью. Полученная геополимерная матрица обладает абсолютной стабильностью объема и полностью защищена от усадочных трещин даже в условиях жесткого термического дефицита внешней влаги или экстремальной засухи.

В процессе гидратации и первичного гелеобразования синтезируемая геополимерная матрица обладает высочайшей осмотической активностью и внутренним гидростатическим давлением. Жидкая проводящая фаза композиции, насыщенная токопроводящими ионами модифицирующих солей, начинает активно мигрировать в радиальном направлении от оси заземлителя. Она заполняет капилляры, микротрещины и поры окружающего материнского грунта — песка, суглинка, глины или скальных пород. В этой фазе протекают два синергетических процесса:
• диффузионное натекание: глубокое проникновение ионов вглубь пор грунта;
• топохимическое сшивание: реакция щелочного раствора с диоксидом кремния.
Взаимодействие со свободным кварцевым песком и глинистыми минералами на стенках скважины или траншеи запускает процесс локального омоноличивания. Геополимерная матрица физически «врастает» в окружающую породу. При этом полностью стирается резкая диэлектрическая граница раздела сред «электрод — засыпка — грунт».

На финальной стадии стабилизации структуры активируются сорбционные свойства каркасных алюмосиликатов (цеолитов клиноптилолитового типа и слоистых пальгорскитовых глин / аттапульгитов), которые прочно запирают влагу и ионы в межкристаллических пустотах.
Это приводит к следующим эксплуатационным эффектам:
• многократное увеличение эквивалентного радиуса заземлителя: геометрическая зона эффективного растекания тока увеличивается в 5–8 раз;
• трансформация вмещающей породы: прилегающий грунт сам становится продолжением проводящего контура;
• демпфирование термической усадки грунта: летом при засухе полностью исключается образование воздушных зазоров;
• защита от динамических нагрузок: зимой пластичная матрица нивелирует морозное пучение и выталкивание трубы (рис. 3.1 и 3.2) — пример пучения грунта на ЗУ традиционной и солевой технологии). Сформированный геополимерный кластер гарантирует стабильный электрический и механический контакт «электрод – засыпка – грунт» на протяжении всего 50-летнего срока новой аттестации оборудования, вне зависимости от сезонных колебаний температуры и влажности климатической зоны.

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

Как показал детальный физико-химический анализ, попытки решить эту проблему устаревшими или суррогатными (сомнительными) методами неизбежно приводят к аварийным последствиям:

1. Прямое солевание грунта хлоридом натрия или применение дешевых бентонито-соляных смесей гарантирует нарастающее разрушение металла заземлителей от питтинговой коррозии всего за 2–3 года, превращая почву в бесплодный техногенный солончак и полностью вымываясь паводками за один сезон.
2. «Экологические пустышки» на базе мела и рядового кокса ввиду природной гидрофобности углерода превращаются в сухие подземные изоляторы уже после первой сезонной засухи, полностью разрывая контакт «электрод–грунт».
3. Бессистемное углубление скважин до 60–100 метров приводит к необоснованному росту сметной стоимости буровых работ (до 30–35% от бюджета объекта), не решая при этом задач импульсной молниезащиты из-за проявления волнового скин-эффекта.

В условиях безопасности, когда бесперебойная работа микропроцессорной автоматики, телемеханики, силового оборудования компрессорных и трансформаторных подстанций и другого оборудования напрямую зависит от стабильности контура заземления, любая сиюминутная лжеэкономия и закупка контрафактных засыпок оборачиваются колоссальными затратами в будущем. Выход дорогостоящей техники из строя, паралич каналов связи и системные простои технологических процессов в условиях экстремально низких температур Крайнего Севера несут в себе прямую угрозу промышленной безопасности.

Применение инновационных токопроводящих геополимерных матриц серий «МАГ – Арктик» и «МАГ – Геоматрикс» ГК «Биптрон» позволяет кардинально изменить экономику и надежность проектирования ЗУ.

За счет эффекта капиллярного «врастания» в поры материнской породы и искусственного 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 растеканию;
• полностью отказаться от использования экологически опасных галогенидов и сульфатов, исключив коррозионную агрессию к металлу;
• обеспечить гарантированный 50-летний срок службы заземляющего контура с неизменными круглогодичными электротехническими параметрами.

Переход от примитивных засыпных смесей к патентованным геополимерным технологиям представляется наиболее эффективным и основным организационно-техническим путем к созданию безаварийной, экономичной и долговечной инфраструктуры заземления и электрохимической защиты новейшего поколения [1, 3].

Вместо выводов сегодняшней встречи позволим себе рекомендовать коллегам-специалистам внимательно отнестись к новым отечественным продуктам рынка электроэнергетики, позволяющим не просто произвести импортозамещение, но и предложить более эффективные и экономичные решения.

Желаем всем благотворного сотрудничества на благо нашей Родины!