Омедненная сталь и заземление

Заземление является целенаправленным электрическим соединением элемента электроустановки или оборудования с заземлителем. Заземляющее устройство представляет собой ряд проводниковых элементов, состоящих в контакте с нулевым потенциалом земли. Используются заземлители с целью обеспечения эффективной и безопасной работы электрооборудования, а также для осуществления молниезащиты. При выборе материала заземлителя важными параметрами являются удельное электрическое сопротивление проводника (чем ниже сопротивление, тем эффективнее устройство), приемлемая цена и достаточная долговечность. То есть, токопроводящие свойства заземляющего устройства обязаны обеспечить безопасную эксплуатацию оборудования на протяжении всего срока службы. Это значит, что материал должен обладать не только хорошей проводимостью, но и быть коррозионностойким.

ГОСТ Р 50571.5.54-2013/МЭК 60364-5-54:2011 пункт 542.2.1 оговаривает, что типы, материалы и размеры заземляющих электродов должны обеспечивать коррозионную и необходимую механическую прочность на весь срок службы. В таблице 5.54 этого ГОСТ приводятся минимальные размеры электродов и из наиболее распространённых коррозионностойких материалов. Несмотря на высокую механическую прочность, чёрные стали быстро подвергаются разрушению в грунте (до 7 лет). Такой материал в процессе взаимодействия с агрессивной средой приобретает неравномерную структуру, наблюдается увеличение объёма. На поверхности стали образуется рыхлая оболочка, которая значительно снижает контакт элемента с грунтом. В итоге возрастает сопротивление растеканию тока. В связи с этим недопустимо применение чёрных металлов.

На сегодняшний день для исключения разрушения заземлителя используют медные проводники, нержавеющие материалы или токопроводящие коррозионностойкие покрытия, нанесённые на чёрную сталь. Последний вариант является более дешёвым и при этом весьма эффективным, поскольку переменный электрический ток растекается преимущественно по поверхности проводника. Нанесение на поверхность чёрного металла слоя с большей электропроводностью уменьшает сопротивление растеканию тока во всем проводнике. Например, покрытие чёрного металла цинком или медью, может увеличить проводниковые свойства стального заземляющего устройства до 6 раз.

Рассмотрим основные достоинства и недостатки перечисленных материалов.


Элементы систем заземления из нержавеющей стали: стержень, полоса, проволока

Нержавеющая сталь представляет из себя материал, устойчивый к взаимодействию с окружающей средой (коррозионностойкий). Такие свойства обусловлены наличием в стали хрома. При этом его содержание должно быть не менее 12,5%, тогда потенциал стали становится положительным, что препятствует коррозии. Помимо этого хром, окисляясь, формирует на поверхности стали пассивный слой оксида хрома (Сr2O3). Для увеличения антикоррозионных свойств сталь легируют никелем, молибденом, азотом. Также данные материалы обладают высокими значениями прочности. Срок службы «нержавейки» может достигать 100 лет.


Оцинкованные стальные элементы систем заземления: стержень, полоса, проволока

Широкое распространение получило применение оцинкованной стали, которая является более дешёвым материалом, чем «нержавейка». Цинк обладает достаточно низким удельным сопротивлением (0,059 Ом∙мм2/м). Цинковое покрытие наносят на чёрный металл методом горячего оцинковывания, его толщина составляет 0,080 мм.

В паре цинк-сталь цинк является более электрохимически активным материалом, следовательно, начинает разрушаться раньше, чем стальная основа. При введении оцинкованного заземлителя в агрессивную среду (в частности – почву), цинк будет постепенно растворяться, защищая чёрную сталь от коррозии. И даже глубокие царапины, образование которых возможно на поверхности электрода в процессе монтажа, не могут привести к быстрому появлению ржавчины. Пока слой цинка будет сохраняться вокруг места повреждения, коррозия распространяться не будет. Естественный же процесс окисления цинка является очень длительным. Применяют оцинкованные заземлители в кислых и нейтральных средах. Срок службы изделия может составлять более 30 лет.


Медные элементы систем заземления: стержень, полоса, проволока

Медь – цветной металл, главными отличительными характеристиками которого являются высокая электропроводимость, пластичность, коррозионная стойкость, хорошая обрабатываемость. Данный металл обладает очень низким удельным сопротивлением. Оно составляет всего 0,0175 Ом∙мм2/м. Единственными недостатками меди являются её относительно высокая цена и низкая прочность по сравнению со сталью. Полностью медные стержни достаточно легко гнутся при погружении их в грунт. Для избежания этих проблем и увеличения его срока службы готового изделия, применяют медь в качестве высокопроводящего покрытия.

Медное покрытие наносят на чёрную сталь электрохимическим методом. Сущность электрохимического омеднения стали заключается в следующем: стальной стержень (катод) подключают к минусу источника тока, а медные пластинки (анод) – к плюсу. Электроды помещают в раствор электролита, содержащий соль меди. Под действием электрического тока положительно заряженные ионы меди Сu2+ движутся к аноду (стальной основе заземлителя) и оседают на его поверхности в виде чистого металла. Полученный материал называют омеднённой сталью.

Омеднённое покрытие характеризуются высоким сцеплением с разными металлами, высокой пластичностью и электропроводностью. Кроме того, омеднённая сталь обладает большей прочностью, чем медь.

Адгезия меди к стали выше, чем у цинка, поэтому даже при значительных механических нагрузках отслаивания меди от основы не наблюдается. Толщина медного покрытия, как правило, составляет 0,250 мм.

Омеднённый заземлитель обладает рядом преимуществ в сравнении с оцинкованным. Дело в том, что медь является менее электрохимически активным (достаточно взглянуть на ряд напряжения металлов) материалом, чем цинк и сталь. Поэтому в паре медь-сталь быстрее разрушается сталь, и пока вся она не разрушится медное покрытие остается целым. При достаточной толщине медное покрытие служит дольше, чем оцинкованное, являясь более эффективным и коррозионностойким.

Омеднённая сталь получила широкое распространение на практике, как материал для изготовления заземлителей. Стальные стержни, с нанесённым на них медным покрытием можно применять в любых условиях. Срок службы омеднённой стали в качестве заземлителя превышает 35 лет.

Смотрите также:

Смотрите также: