Заземление технических средств.
Необходимо помнить, что экранирование ТСПИ и соединительных линий эффективно только при правильном их заземлении. Поэтому одним из важнейших условий по защите ТСПИ является правильное заземление этих устройств.
В настоящее время существуют различные типы заземлений. Наиболее часто используются одноточечные, многоточечные и комбинированные (гибридные) схемы [128].
На рис. 2.2 представлена одноточечная последовательная схема заземления.
Эта схема наиболее проста. Однако ей присущ недостаток, связанный с протеканием обратных токов различных цепей по общему участку заземляющей цепи. Вследствие этого возможно появление опасного сигнала в посторонних цепях.
В одноточечной параллельной схеме заземления (рис. 2.3) этого недостатка нет. Однако такая схема требует большого числа протяженных заземляющих проводников, из-за чего может возникнуть проблема с обеспечением малого сопротивления заземления участков цепи. Кроме того, между заземляющими проводниками могут возникать нежелательные связи, которые создают несколько путей заземления для каждого устройства. В результате в системе заземления могут возникнуть уравнительные токи и появиться разность потенциалов между различными устройствами [128].
Многоточечная схема заземления (рис. 2.4) практически свободна от недостатков, присущих одноточечной схеме. В этом случае отдельные устройства и участки корпуса индивидуально заземлены. При проектировании и реализации многоточечной системы заземления необходимо принимать специальные меры для исключения замкнутых контуров [22, 128].
Как правило, одноточечное заземление применяется на низких частотах при небольших размерах заземляемых устройств и расстояниях между ними менее 0,5хl.
На высоких частотах при больших размерах заземляемых устройств и значительных расстояниях между ними используется многоточечная система заземления. В промежуточных случаях эффективна комбинированная (гибридная) система заземления, представляющая собой различные сочетания одноточечной, многоточечной и плавающей заземляющих систем [128].
Заземление технических средств систем информатизации и связи должно быть выполнено в соответствии с определенными правилами.
Рис. 2.2. Одноточечная последовательная схема заземления.
Рис. 2.3. Одноточечная параллельная схеме заземления.
Рис. 2.4. Многоточечная схема заземления
.
Основные требования, предъявляемые к системе заземления, заключаются в следующем [22, 128]:
- система заземления должна включать общий заземлитель, заземляющий кабель, шины и провода, соединяющие заземлитель с объектом;
- сопротивления заземляющих проводников, а также земляных шин должны быть минимальными;
- каждый заземляемый элемент должен быть присоединен к заземлителю или к заземляющей магистрали при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий проводник нескольких заземляемых элементов запрещается;
- в системе заземления должны отсутствовать замкнутые контуры, образованные соединениями или нежелательными связями между сигнальными цепями и корпусами устройств, между корпусами устройств и землей;
- следует избегать использования общих проводников в системах экранирующих заземлений, защитных заземлений и сигнальных цепей;
- качество электрических соединений в системе заземления должно обеспечивать минимальное сопротивление контакта, надежность и механическую прочность контакта в условиях климатических воздействий и вибрации;
- контактные соединения должны исключать возможность образования оксидных пленок на контактирующих поверхностях и связанных с этими пленками нелинейных явлений;
- контактные соединения должны исключать возможность образования гальванических пар для предотвращения коррозии в цепях заземления;
- запрещается использовать в качестве заземляющего устройства нулевые фазы электросетей, металлоконструкции зданий, имеющие соединение с землей, металлические оболочки подземных кабелей, металлические трубы систем отопления, водоснабжения, канализации и т.д.
Сопротивление заземления определяется главным образом сопротивлением растекания тока в земле.
Величину этого сопротивления можно значительно понизить за счет уменьшения переходного сопротивления между заземлителем и почвой путем тщательной очистки перед укладкой поверхности заземлителя и утрамбовкой вокруг него почвы, а также подсыпкой поваренной соли [22,128].
Таким образом, величина сопротивления заземления будет в основном определяться сопротивлением грунта.
Удельное сопротивление различных грунтов (т.е. электрическое сопротивление 1 см3 грунта) зависит от влажности почвы, ее состава, плотности, температуры и т.п.. и колеблется в очень широких пределах (см. табл. 2.3) [128].
Таблица 2.3
Значения удельного сопротивления различных грунтов
|
Тип грунта |
Удельное сопротивление (Ом/см3). |
||
|
среднее |
минимальное |
максимальное |
|
|
Золы, шлаки, соляные отходы |
2370 |
500 |
7000 |
|
Глина, суглинки, сланцы |
4060 |
340 |
16300 |
|
То же с примесями песка |
15800 |
1020 |
135000 |
|
Гравий, песок, камни с небольшим количеством глины или суглинков |
94000 |
59000 |
458000 |
[128].
При промерзании сопротивление грунтов резко возрастает. Например, для суглинков удельное сопротивление при влажности 15 % и температуре 20 °С составляет 7200 Ом/см3, при температуре -5 °С - 79000 Ом/см3, а при температуре -15 °С - 330 000 Ом/см3 [128].
Орошение почвы вокруг заземлителей 2 ... 5 процентным соляным раствором значительно (в 5 ... 10 раз) снижает сопротивление заземления [128].
Учесть все факторы, влияющие на проводимость почвы, аналитическим путем практически невозможно, поэтому при устройстве заземления величину удельного сопротивления грунта в тех местах, где предполагается размещение заземления, определяют опытным путем.
Как правило, измерение сопротивления заземления проводится два раза в год (зимой и летом).
Если заземлитель состоит из металлической пластины радиуса г, расположенной непосредственно у поверхности земли, то сопротивление заземления R3 можно рассчитать по формуле [22]
При увеличении глубины закапывания 1з пластины сопротивление заземления уменьшается и при 1з значительно больше r (13 » r) величина R3
уменьшается в два раза [22].
Довольно часто применяют заземляющее устройство в виде вертикально вбитой трубы. Сопротивление заземления в этом случае определяется формулой [128]
Из формулы видно, что сопротивление заземления зависит в большей степени не от радиуса трубы, а от ее длины. Поэтому при устройстве заземления целесообразнее применять тонкие и длинные трубы (стержни из арматуры).
В табл. 2.4 приведены экспериментально полученные значения сопротивления заземления стержневого заземлителя (Æ15,9 мм, 1 = 1,5 м) для различных грунтов [128].
В качестве одиночных стержневых заземлителей целесообразно использовать медные заземляющие стержни, конструкции которых приведены на рис. 2.5 [128].
Как видно из табл. 2.4 [128], сопротивление простых одиночных заземлителей оказывается достаточно большим. Поэтому такие заземлители находят применение при невысоких требованиях к заземляющим устройствам или при почвах с очень большой проводимостью.
Рис. 2. 5. Типовые стержни заземлителей: 1 - скользящий молот; 2 • подвижный упор; 3 - соединительная медная шина; 4 - головка с фаской; 5-зажим; 6-стержень; 7 - заостренный конец для забивки в грунт.
Рис. 2.6. Комбинированное заземление из стержней и сетки: 1 -поверхность земли; 2 - сетка; 3 - сварное соединение; 4 - зажим;
5 - медный провод (навитой и приваренный); 6 - медный стержень заземления (его верхний конец выступает над поверхностью)
Таблица 2.4
Значения сопротивления заземления стержневого заземлителя (Æ15,9 мм, 1 = 1,5 м) для различных грунтов
|
Тип грунта |
Сопротивление заземления R3, Ом |
||
|
среднее |
минимальное |
максимальное |
|
|
Золы, шлаки, соляные отходы |
14 |
3,5 |
41 |
|
Глина, суглинки, сланцы |
24 |
2 |
98 |
|
То же с примесями песка |
93 |
6 |
800 |
|
Гравий, песок, камни с небольшим количеством глины или суглинков |
554 |
35 |
2700 |
При повышенных требованиях к величине сопротивления заземления ( сопротивление заземления ТСПИ не должно превышать 4 Ом [114]) применяют многократное заземление, состоящее из ряда одиночных симметрично расположенных заземлителей, соединенных между собой.
На практике наиболее часто в качестве заземлителей применяют:
- стержни из металла, обладающие высокой электропроводностью, погруженные в землю и соединенные с наземными металлоконструкциями средств ТСПИ;
- сеточные заземлители, изготовленные из элементов с высокой электропроводностью и погруженные в землю (служат в качестве дополнения к заземляющим стержням).
На рис. 2.6. приведена схема комбинированного заземления из стержней и сетки [128].
При необходимости устройства высокочастотного заземления нужно учитывать не только геометрические размеры заземлителей, их конструкцию и свойства почвы, но и длину волны высокочастотного излучения. Суммарное высокочастотное сопротивление заземления складывается из высокочастотного сопротивления магистрали заземления Z3 (провода, идущего от заземляемого устройства до поверхности земли) и из высокочастотного сопротивления самого заземлителя Z3
(провода, металлического стержня или листа, находящегося в земле).
Величина заземления в основном определяется не сопротивлением заземления, а сопротивлением заземляющей магистрали. Для уменьшения последнего следует стремиться прежде всего к уменьшению индуктивности заземляющей магистрали, что достигается за счет уменьшения ее длины и изготовления магистрали в виде ленты, обладающей по сравнению с проводом круглого сечения меньшей индуктивностью. В тех случаях, когда индуктивность заземляющей магистрали можно сделать весьма небольшой или использовать ее для получения последовательного резонанса при блокировании излучающих сетей защитными конденсаторами на землю (например, при комплексном подавлении излучения в помещениях), целесообразно значительно уменьшить величину сопротивления заземлителя Z3. Уменьшить величину Z3 можно также многократным заземлением из симметрично расположенных заземлителей [128].
При этом общее сопротивление заземления будет тем меньше, чем дальше друг от друга расположены отдельные заземлители.
При устройстве заземления в качестве заземлителей чаще всего применяются стальные трубы длиной 2 ... 3 м и диаметром 35 ... 50 мм и стальные полосы сечением 50 ... 100 мм [22].
Наиболее пригодными являются трубы, позволяющие достигнуть глубоких и наиболее влажных слоев земли, обладающих наибольшей проводимостью и не подвергающихся высыханию или промерзанию. Однако здесь необходимо учитывать, что с уменьшением сопротивления грунта возрастает коррозия металла. Кроме того, применение таких заземлителей не связано со значительными земляными работами, что неизбежно, например, при выполнении заземления из металлических листов или горизонтально закладываемых в землю металлических лент и проводов [22].
Заземлители следует соединять между собой шинами с помощью сварки. Сечение шин и магистралей заземления по условиям механической прочности и получения достаточной проводимости рекомендуется брать не менее (24 х 4) мм2
[22].
Проводник, соединяющий заземлитель с контуром заземления, должен быть луженым для уменьшения гальванической коррозии, а соединения должны быть защищены от воздействия влаги.
Магистрали заземления вне здания необходимо прокладывать на глубине около 1,5 м, а внутри здания - по стене или специальным каналам таким образом, чтобы их можно было внешне осматривать. Соединяют магистрали с заземлителем только с помощью сварки. К заземляемому устройству ТСПИ магистраль подключают с помощью болтового соединения в одной точке [22].
Для уменьшения сопротивлений контактов наилучшим является постоянное непосредственное соединение металла с металлом, полученное сваркой или пайкой. При соединении под винт необходимо применять шайбы (звездочки или Гровера), обеспечивающие постоянство плотности соединения [128].
При соприкосновении двух металлов в присутствии влаги возникает гальваническая и (или) электрическая коррозия. Гальваническая коррозия является следствием образования гальванического элемента, в котором влага является электролитом.Степень коррозии определяется положением этих металлов в электрическом ряду [128].
Электрическая коррозия может возникнуть при соприкосновении в электролите двух одинаковых металлов. Она определяется наличием локальных электротоков в металле, например, токов в заземлениях силовых цепей [128].
Наиболее эффективным методом защиты от коррозии является применение металлов с малой электрохимической активностью, таких, как олово, свинец, медь. Значительно уменьшить коррозию и обеспечить хороший контакт можно, тщательно изолируя соединения от проникновения влаги.
