Естественные и искусственные заземлители: Естественные и искусственные заземлители

Естественные и искусственные заземлители

Чтобы полу­чить заземляющие устройства с малым сопротивлением, широко используются естественные заземлители.

Естественным заземлителем называются находящиеся в со­прикосновении с землей электропроводящие части коммуника­ций, зданий и сооружений производственного или иного назначе­ния, используемые для заземления. К ним можно отнести: водопроводные и иные трубы, проложенные в земле, металличе­ские конструкции, хорошо связанные с землей, сварочные обо­лочки кабелей, металлические шпунты и т.п. На устройство та­ких заземлителей не требуется специальных затрат. Поэтому они должны быть использованы в первую очередь.

В тех случаях, когда такие естественные заземлители отсут­ствуют, для заземляющих устройств приходится устраивать ис­кусственные заземлители.

Искусственным заземлителем называется заземлитель, спе­циально выполненный для целей заземления. Для искусственных заземлителей применяются обычно вертикальные и горизонталь­ные электроды.

В качестве вертикальных электродов использует­ся прутковая сталь диаметром 12 мм и длиной 4-5 м, а горизон­тальных — угловая сталь размером 50 x 50 x 6 мм и длиной 2,5-3 м или сталь круглого сечения диаметром не менее 6 мм.

Верти­кальные электроды погружаются на глубину 4 м в предваритель­но вырытой траншее глубиной 0,7-0,8 м.

Верхний конец электро­да должен выступать над дном траншеи на высоту 0,1-0,2 м. Вертикальные электроды с горизонтальными соединяются свар­кой. Погружение электродов производится, как правило, механи­зированным способом с помощью копров, вибраторов, гидропрес­сов и т.п. Траншеи с уложенными в них электродами следует засыпать землей, не содержащей камней и строительного мусора.

Выбор электродов и глубину их заложения определяют в зависимости от характера грунта и климатических условий.

В соответствии с ПУЭ величина сопротивления заземления нейтрали источника тока в любое время года должна быть:

не бо­лее 8 Ом при напряжении 220/127 В,

4 Ом при напряжении 380/220 В и

2 Ома при напряжении 660/380 В.

Если заземляющее устройство одновременно используется для электроустановок выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю, то сопротивление заземляющего устройства определя­ется по формулеr₃ = 125 / I₃, где I₃ — расчетный ток замыкания на землю, А.

Приближенное значение расчетного тока I₃ может быть оп­ределено таким образом

I₃ =(35 l_КЛ + l_ВЛ), А, где U — напряжение сети, кВ;

l_КЛ и l_ВЛ — протяженность кабель­ных и воздушных линий, км.

На воздушных линиях зануление должно быть осуществле­но нулевым рабочим проводом, проложенным на тех же опорах, что и фазные провода. На концах воздушной линии длиной

более 200 м, а также на вводах от воздушных линий к электроустанов­кам, которые подлежат занулению, должны быть выполнены по­вторные заземления нулевого рабочего провода. Общее сопротив­ление повторного заземлителя должно быть не более 5, 10 и 20 Ом при напряжениях 660, 380 и 220 В соответственно.

Расчет заземлителя сводится к определению количества вертикальных и длины горизонтальных электродов, обеспечи­вающих необходимую норму сопротивления заземления.

Естественные и искусственные заземлители. Устройство и расчёт

Если в городской квартире с занулением все более или менее ясно, то обладателям собственного дома есть над чем голову поломать.

Как правило, подвод в такие дома осуществляется посредством ВЛ электропередачи, и щиток (который, как правило, выполнен со всеми возможными нарушениями ПУЭ) в доме не заземлен (да и не может быть заземлен гетинакс или дерево). В таких случаях использовать приходящий N-проводник еще и в качестве PE, мягко говоря, опрометчиво.

При обрыве нулевого провода на линии (на опорах электропередачи он, кстати, в самом низу, за исключением опор, по которым проброшена еще и сеть уличного освещения) при однофазном питании мы имеем обратку на корпусе приборов, а при трехфазном — то же плюс разноименную фазу на нулевом проводнике. При обрыве на линии (дерево, например, упало) мы имеем все шансы получить чистую фазу на нуле (в этом случае выручает защитное отключение при превышении напряжения в сети. См. п. 7.1.21 ПУЭ). В общем, необходимо что-то изобретать с заземлением. Ведро закапывать не советую — если вдруг поможет, то ненадолго. Посмотрим, что по этому поводу говорят ПУЭ:

1.7.39. В электроустановках до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью или глухозаземленным выводом источника однофазного тока, а также с глухозаземленной средней точкой в трехпроводных сетях постоянного тока должно быть выполнено зануление.

Применение в таких электроустановках заземления корпусов электроприемников без их зануления не допускается.

В обоснованных случаях рекомендуется выполнять защитное отключение (для переносного электроинструмента, некоторых жилых и общественных помещений, насыщенных металлическими конструкциями, имеющими связь с землей).

1.7.70. В качестве естественных заземлителей рекомендуется использовать:

1. проложенные в земле водопроводные и другие металлические трубопроводы, за исключением трубопроводов горючих жидкостей, горючих и взрывчатых газов и смесей, канализации и центрального отопления;
2. обсадные трубы скважин;
3. металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей;
4. металлические шунты гидротехнических сооружений, водоводы, затворы и т. п.;
5. свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле. Алюминиевые оболочки кабелей не допускается использовать в качестве естественных заземлителей. Если оболочки кабелей служат единственными заземлителями, то в расчете заземляющих устройств они должны учитываться при количестве кабелей не менее двух;
6. заземлители опор ВЛ, соединенные с заземляющим устройством электроустановки при помощи грозозащитного троса ВЛ, если трос не изолирован от опор ВЛ;
7. нулевые провода ВЛ до 1 кВ с повторными заземлителями при количестве ВЛ не менее двух;
8. рельсовые пути магистральных неэлектрофицированных железных дорог и подъездные пути при наличии преднамеренного устройства перемычек между рельсами.

1.7.71. Заземлители должны быть связаны с магистралями заземлений не менее чем двумя проводниками, присоединенными к заземлителю в разных местах. Это требование не распространяется на опоры ВЛ, повторное заземление нулевого провода и металлические оболочки кабелей.

1.7.72. Для искусственных заземлителей следует применять сталь. Искусственные заземлители не должны иметь окраски. Наименьшие размеры стальных искусственных заземлителей приведены ниже:

• Диаметр круглых (прутковых) заземлителей, мм:
  • Неоцинкованных — 10
  • Оцинкованных — 6
• Сечение прямоугольных заземлителей, мм² — 48
• Толщина прямоугольных заземлителей, мм — 4
• Толщина полок угловой стали, мм — 4

Сечение горизонтальных заземлителей для электроустановок напряжением выше 1 кВ выбирается по термической стойкости (исходя из допустимой температуры нагрева 400°С).

Не следует располагать (использовать) заземлители в местах, где земля подсушивается под действием тепла трубопроводов и т. п.

Траншеи для горизонтальных заземлителей должны заполняться однородным грунтом, не содержащим щебня и строительного мусора.

В случае опасности коррозии заземлителей должно выполняться одно из следующих мероприятий:

• увеличение сечения заземлителей с учетом расчетного срока их службы;
• применение оцинкованных заземлителей;
• применение электрической защиты.

В качестве искусственных заземлителей допускается применение заземлителей из электропроводящего бетона.

Итак, смотрим на возможность использования естественных заземлителей. Если такая возможность есть, то делаем отвод от них. Отвод делаем только посредством

сварки. В качестве заземляющего проводника используем полосовую сталь сечением не менее 48 мм² при толщине не менее 4 мм, или угловую сталь с толщиной полки не менее 2,5 мм. Полосу или уголок заводим в помещение, где можно развести или контур заземления (стальная полоса сечением не менее 24 мм², толщиной не менее 3мм), или, приварив к полосе (уголку) болт, заводим на него медный проводник (от 2.5 мм²), который и будет PE-проводником.

Изготовление искусственного заземлителя — достаточно непростая задача, хотя бы исходя из объема грунта, который требуется перекидать.

Но прежде чем взять в руки лопату, нам понадобятся некоторые расчеты и некоторые данные.

Для начала нам необходимо знать удельное сопротивление грунта.

Тип грунта	Удельное сопротивление (Ом · м)
каменистый грунт:
граниты, гнейсы	700…106
сланец глинистый, известняк, ракушечник	100…1000
песок при залегании грунтовых вод:
глубже 5 м	1000
до 5 м	500
почва (чернозем и др. )	200
супесь влажная, мергель	150
суглинок полутвердый или лессовидный	100
мел или глина полутвердая	60
сланцы графитовые, мергель глинистый	50
суглинок пластичный	30
торф, глина пластичная	20
вода равнинной реки	50
подземные водоносные слои (разной минерализации)	5…50
морская вода	1

Следует учитывать, что заземлители монтируются на глубине, превышающей глубину промерзания. Скажем, для средней полосы вертикальный стержень забивается из траншеи глубиной более 0.6 м.

Ниже приводятся формулы для расчета сопротивления заземлителей.

Для вертикально заглубляемого стержня, у которого верхний конец находится на глубине до 0,8 м:

где — длина стержня, м; d — диаметр стержня, м; t — расстояние от поверхности земли до вершины стержня, м; — расчетное удельное сопротивление, Ом·м.

где — коэффициент сезона для вертикальных стержней. Для Московского региона =1.6…1.8. Собственно, коэффициент этот зависит от средней температуры летом, зимой и количества осадков в регионе. Чем ниже средняя температура, тем больше коэффициент (для Архангельска 1.8…2.0; для Краснодара — 1.2…1.4).

Сопротивление заземления горизонтальной полосы длиной l (м) и шириной b (м), расположенной на глубине t (м) от поверхности земли, можно подсчитать по формуле:

где .

— коэффициент сезона для горизонтальных заземлителей (для Москвы 3.5…4.5).

Пример 1:

Рассчитаем сопротивление заземлителя из стального прутка диаметром 10 мм, длиной 5 м, забиваемого из приямка глубиной 1 м.

Напоминаю, что сопротивление заземляющего устройства в сети 380/220 должно быть не больше 4 Ом.

Пример 2:

Попробуем произвести расчет реального заземляющего устройства для некоего дома с длиной стены 20 м (пусть он квадратный будет). Для того, чтобы обеспечить наилучшее растекание тока и выровнять потенциал, изготовим наше устройство из шести стержней, рассчитанных выше и забитых равномерно по периметру дома. Стержни будут соединены между собой стальной полосой с шириной стороны 30 мм.

Сначала рассчитаем сопротивление горизонтального заземлителя:

Суммарное сопротивление вертикальных заземлителей равно 40/6=6.7 Ом

Общее сопротивление заземляющего устройства будет равно:

Можно сказать, что уложились. Далее дело за замерами.

Ввод в помещение осуществляется с не менее чем двух разных точек (диаметрально противоположных) заземлителя. Все соединения выполняются только посредством сварки.

Еще один маленький момент. Для того чтобы копать вглубь и вширь, надо иметь четкое и однозначное представление о том, что находится в земле. Даже имея на руках кальку с нанесенными на ней коммуникациями, осторожный человек обязательно пригласит представителей организаций, чьи интересы могут быть, так сказать, задеты. Лицензия на раскопки — само собой. К вопросу о перестраховке… Очень неприятно войти ломом в кабель 10 кВ. Или порвать, к примеру, оптоволоконный кабель. Впрочем, в загородном доме и даче риск наткнуться на «сюрприз» меньше.

Назначение и характеристики искусственного заземлителя

Если коротко ответить на вопрос, что является определением понятия искусственного заземлителя, можно сказать, что это проводящий элемент, напрямую контактирующий с землей. Элементов может быть несколько, и контакт может осуществляться посредством промежуточной среды, проводящей электрический ток. От естественного заземления искусственное приспособление отличается тем, что сделано специально с применением расчетов и должной подготовки.

Основные функции

В электротехнике используются такие понятия, как заземление рабочее и защитное. Рабочее заземление применяется с целью обеспечения эффективной и бесперебойной работы установки. Молниеотводы, защищающие электроустановки от небесного электричества и воспламенений, также принадлежат к категории рабочих, поскольку в этом случае заземление никак не ограждает от поражений электрическим током.

Для защиты человека от электротока или удара молнией применяется защитное заземление. Другими словами, защитное заземление выполняется с целью снизить напряжение прикосновения до безопасного уровня. Это особенно важно на электрооборудовании с высоким, опасным для жизни напряжением.
Заземлитель является частью заземляющего устройства (заземления, ЗУ). Он плотно контактирует с грунтом. Один его конец подключен к электроприбору, благодаря чему происходит выравнивание потенциалов прибора и земли, и это защищает от удара током.

Согласно пункту 1.7.28 ПУЭ, заземлением является преднамеренно выполненное электрическое соединение точки электросети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Заземление подключают на всех электроустановках.

Расположение в грунте

Искусственное заземление применяется там, где нет возможности воспользоваться естественным заземлением, либо когда токовые нагрузки на естественные заземлители превышают допустимые нормы. Искусственные заземляющие устройства изготавливаются из стальных конструкций, но если в почвах превышена кислотность, или напротив, она подвержена ощелачиванию, применяются ЗУ из меди или оцинкованного металла.

По форме и структуре искусственный заземлитель похож на классический электрод. Чаще, это стержень, выполненный из стальной полосы или круглого прута. По типу расположения существуют 2 основных вида ЗУ. В горизонтальном типе заземлители укладывают по периметру фундамента на дне траншеи.

Вертикальные заземлители делают из стержней диаметром 12-15 мм и длиной до 4-5 метров. Их забивают в грунт на глубину 0,5-0,7 м.

Допускается расположение искусственных заземлителей под некоторым углом, и тогда понятия вертикальный или горизонтальный становится условным.

Наклонное расположение применяют в том случае, если стена строения расположена под углом к вертикали. Наклон не сказывается существенным образом на выполняемых функциях устройства.

В заземлении электроустановок с высоким напряжением используются так называемые сложные заземлители, в которых вертикальные элементы соединены с горизонтальными.

Когда устройство искусственных заземлителей оказывается на пахотной земле, все электроды должны размещаться на глубине не менее 1 метра. Это позволяет увеличить контакт с грунтом.

Какие требования предъявляются к искусственным заземлителям

Искусственные заземлители не подлежат окрашиванию, так как окраска играет роль изолятора и препятствует отведению электротока в землю. Таким образом, цвет заземлителя должен быть естественным, которым обладает применяемый в заземляющих устройствах, металл. Но места соединения проводников (сварочные швы) должны быть окрашены битумной краской, для предотвращения разрушения.

Нельзя размещать искусственные или применять естественные заземлители вблизи источников тепла, которые сушат землю. Для засушливых территорий существует особая железобетонная конструкция. Заземлитель делают в форме емкости, и помещают ниже поверхности земли. Емкость заполняют водой через люк. Таким образом, в заземлении принимает участие водораспределительная система. Стальные электроды соединены с выводом из емкости. Так обеспечивается оптимальное сопротивление.

Для создания искусственных заземлителей используются следующие материалы с указанными параметрами:

• диаметр стального арматурного прута не менее 10 мм;
• диаметр оцинкованного прута не менее 6 мм;
• в уголках толщина стенок от 4 мм;
• при использовании полосовой стали ее толщина должна быть не менее 4 мм;
• в молниезащитных заземлителях сечение берется от 155 мм2;
• толщина стенок отбракованных труб не менее 3,5мм.

Только для временных электроустановок можно применять электроды с минимальными значениями. Чтобы заземляющее устройство служило 40-50 лет в благоприятных грунтовых условиях, достаточно выбрать стержни для него на 2-3 мм больше. Во влажных грунтах толщина и диаметры ЗУ должны быть в 2 раза выше минимального.

Из всех названых материалов наиболее оптимальным признано использование круглой арматуры, поскольку расход металла в этом случае снижается в 1,5 раза, уменьшается соответственно и себестоимость заземляющих устройств.

Коррозионная стойкость у круглой стали выше, чем у линейной, потому что у круглого электрода площадь соприкосновения с землей самая малая в сравнении с другими формами ИЗ. Еще одно преимущество состоит в том, что стержневые круглые электроды легче монтируются, экономится время, затрачиваемое на устройство ЗУ.

При заземлении мощных высоковольтных установок применяются контуры, состоящие из горизонтальных лучей, раскинувшихся на сотни метров и нескольких десятков вертикально установленных стержней. Чтобы искусственные заземлители не экранировали друг на друга, лучи разводят горизонтально в противоположные стороны. Если лучей 3, или 4, их располагают под углом 90 и 120 градусов соответственно.

Сопротивление искусственного заземлителя

Чтобы ЗУ эффективно выполняло свою задачу, оно должно иметь сопротивление растекания, не превышающее определенных значений. Данный параметр показывает, насколько хорошо устройство проводит электрический ток.

Для заземляемой электроустановки с напряжением 380В сопротивление искусственного заземлителя не должно превышать 30 Ом. Работающие под высоким напряжением, медицинская аппаратура, серверные блоки, системы видеонаблюдения заземляются с сопротивлением 0,5-1 Ом.

Расчет для искусственных заземлителей производится с целью определить, какое количество вертикальных и горизонтальных токопроводящих стержней должно быть смонтировано для получения оптимального сопротивления.

виды, от чего защищает, применение, схема подключения

Такие заземлители являются одним целым проводником. Они должны удовлетворять требованиям правил устройств электроустановок касательно электрического сопротивления. Базовым материалом, применимым для элементов заземления – сталь. В случае невозможности использования стали, как альтернатива применимы алюминий и медь. В статье расскажем про естественный заземлитель, рассмотрим основные виды.

От чего защищает заземлитель

Главное предназначение заземлителя – создание защиты от воздействия электрического тока. Заземление обеспечивает защиту самого человека и электроприборов. Существуют два основных вида заземления:

• защитное;
• рабочее.

Рабочее – в первую очередь служит для обеспечения безопасной работы большинства электрических приборов. Базовой задачей такой разновидности защиты есть реализация бесперебойного использования электрических установок, а также приборов такого рода в их нормальном режиме.

Защитное – основная цель заключается в обеспечении безопасности. Такой вид заземления позволяет снизить вероятность выхода из строя аппаратуры при воздействии на нее скачков тока либо напряжения. Данный тип обеспечивает защиту человека при работе с электрическим оборудованием. Причинами возникновения опасных значений тока и напряжения – удар молнии или неправильная эксплуатация рабочего оборудования.

Сравнение естественного и искусственного контура

Естественный контур – совокупность металлических конструкций, контактирующих с грунтом для обеспечения заземления. Заземлителем естественного типа может быть:

• разновидность металлических сооружений, таких как арматуры строительных конструкций, которые контактируют с грунтом;
• трубопроводы различного назначения, располагающиеся в земле.

Такой тип защитного контура должен быть связан с объектом минимум двумя заземляющими элементами. Они как правило монтируются в разных участках конструкции.

Нельзя применять в качестве естественного заземления:

• трубные металлоконструкции токсичных веществ и горючих газов;
• трубы, используемые коррозионностойкую изоляцию;
• канализационные магистрали и отопительные системы.

Искусственный контур – металлические специальные приспособления, устанавливаемые в грунт для реализации заземления. Примеры таких контуров:

• стальные балки, трубы, уголки, стержни, установленные в грунт;
• заложенные в землю металлические полотна, различной формы.

Пример заземлителя в виде стального стержня с подключенным проводником заземления.

Все элементы искусственного контура должны иметь коррозионностойкие электрические проводники (из цинка, меди). Читайте также статью: → «Защитное заземление».

Преимущества и недостатки устройств заземления

• Естественные устройства заземления лучше использовать в тех случаях, когда они позволяют обеспечить все требования техники безопасности, предъявляемые к ним.
• Контуры заземления искусственные рекомендуется использовать для уменьшения величин токов, которые будут уходит в земли через естественные заземлители.
• В большей степени можно обойтись использованием только естественных заземлительных приспособлений. Это прежде всего сохранит затраты на покупку дополнительных материалов, а также гораздо уменьшит трудовые и физические затраты. Кроме того, использование естественных приспособлений гораздо проще в применении нежели искусственных.

Правила устройства электроустановок (ПУЭ)

В связи с ПУЭ происходит сооружение новых и реконструкция старых электрических установок. Речь идет о сооружениях питаемые переменным и постоянным токами с напряжением менее 750 кВ. Содержание вышеуказанных правил, необходимо применять для существующих конструкций, если это помогает повысить производительность и надежность электрического сооружения, а также способствует усовершенствованию требований техники безопасности. ПУЭ дает указание к проведению и ремонту всех электрических установок, а также производить их наладку и ремонт.

Использование фундамента как естественного заземлителя

Подготовка к сварке стальных арматурных прутков перед заливкой бетонного фундамента.

Заземлители в виде железобетонных фундаментов применяют только в случаях, когда бетонные конструкции спроектированы в виде отдельных блоков, соединенных между собой. Для более надежного построения, арматурные сваи сваривают между собой электродуговой сваркой.

Сегодня применение заземлителей на железобетонных фундаментах зданий возможно лишь при влажности грунта не более 3%. На сооружения могут воздействовать исключительно слабоагрессивные либо неагрессивные вещества.

Использование труб как естественного заземлителя

Если же за основу взят заземлитель трубопровода, то подключение производится на задвижке трубы через перемычку. Использование канализационной трубы как заземлителя крайне нежелательно, поскольку будет иметь место слабый электрический контакт в стыках металлоконструкции.

В качестве заземлительного проводника нельзя использовать водопроводные трубы или трубы, предназначенные для отопления. В трубопроводе могут присутствовать нетокопроводящие вставки, следовательно, это нарушит электроконтакт. Также на плохую электропроводность влияет коррозия. Читайте также статью: → «Разновидности систем заземления».

Монтаж и соединение заземлителей

Разновидности грунта, подходящие под строительство заземления:

• суглинок;
• глина;
• торф.

Приведенные различные виды почв, в которых рекомендуется проводить установку заземлителей.

Разновидности грунта, не подходящие под строительство заземления:

• каменный грунт;
• скальный грунт.

Приведенные различные виды почв, в которых не рекомендуется проводить установку заземлителей.

Таблица 1. Показания удельных сопротивлений различных типов грунта, необходимые при монтаже заземления.

Каждый тип грунта, обладает при определенных условиях различными свойствами. Заземлительные электроды, зачастую выполняются из меди либо черного металла, покрытого цинком.

Таблица 2. Рекомендуемые сечения стальных (без покрытия) электродов для выполнения монтажа заземления.

Таблица 3. Рекомендуемые сечения медных электродов для выполнения монтажа заземления.

Таблица 4. Рекомендуемые сечения стальных оцинкованных электродов для выполнения монтажа заземления.

В виде электродов, для прокладки заземления можно применить:

• уголок из стали с номинальными размерами 50 х 50 х 5, имеющие сечение 480 – 500 мм²;
• полосу из стали с номинальными размерами 40 х 4, имеющие сечение 160 – 200 мм².

Изображения нескольких разновидностей электродов, которые рекомендуется применять при различных видах заземления.

Отобранные вертикальные заземлительные материалы вкапываются в землю не полностью. Над поверхность должно остаться 20-25 см электрода. На следующем этапе электроды привариваются к стальным уголкам, установленным по периметру в виде треугольника.

Схема подключения стальных уголков, сваренных между собой по периметру в виде треугольника.

Совет #1. По окончанию монтажа, обязательно необходимо выполнить измерение сопротивления заземления.

Какие естественные заземлители использовать для частного дома

В качестве естественных заземлителей используются:

1. Стальные и железобетонные сооружения, которые имеют непосредственный контакт с землей. К ним относятся фундаменты железобетонных зданий и сооружений, имеющие гидроизоляцию в условиях слабо- и среднеагрессивных условиях.
2. Водопроводные трубопроводы, проложенные в грунте.
3. Стальные фрагменты сооружений гидротехнического назначения.
4. Иные элементы металлических конструкций и построений.

Защитный контур должен обеспечивать надежную защиту человека от воздействия на него электрического тока в случае соприкосновения с металлическими нетоковедущими фрагментами. Эти элементы могут находится под напряжением в случае выхода из строя изоляции. Читайте также статью: → «Монтаж контура заземления в доме».

Совет #2. Устанавливать защитное оборудование рекомендуется при непосредственном соприкосновении стальных частей электрических установок с «землей» либо с ее аналогом.

Практические вопросы по установке заземлителей

Вопрос №1. Какие разновидности природного заземления применяется на электролиниях?

В данном случае рекомендуется использовать свай, различные подножки железобетонные. Они будут играть роль заземлителей. Если же сопротивление грунтового покрова около 300 Ом/м, такое строение будет наиболее рациональное. Исходя из практики, грунтовая почва через определенной период после установки контура, будет со временем увлажняться. Тем самым смонтированная конструкция будет постепенно превращаться в естественный заземлитель. Сопротивление такой монтажной установки будет не сильно изменятся в течении времени работы, это позволяет просто не учитывать такие изменения.

Вопрос №2. В каких случаях применяется фундамент из железобетона в качестве заземлительного контура?

Такое строительное решение возможно, если используемая площадь грунта имеет влажность не менее 3%. При таком показателе влажности, бетон может оказывать гораздо большее сопротивление и как следствие не быть надежным заземлительным строением. Железобетон является защитным контуром, если на него не будут действовать токсичные и агрессивные среды.

Вопрос №3. Случаи, запрещающие использование фундамента на основе железобетона?

Железобетонная основа не является природным защитным контуром, если такое сооружение имеет нагруженные арматурные балки. При таких условиях бетонная конструкция не нуждается в монтаже искусственного заземлителя, что позволяет снизить размеры прокладывающих проводников. Такое решение позволит снизить затраты на дополнительном оборудовании, строительных материалах и приспособлениях.

Вопрос №4. Как необходимо соединить между собой фрагменты заземлительного контура?

Все элементы контура, как металлические, так и не металлические, должны соединяться между собой, тем самым обеспечив беспрепятственное прохождение по ним электрического тока. Во всех бетонных балках, если таковые используются, необходимо смонтировать в них закладные детали. Такие вспомогательные элементы устанавливаются на каждом этаже сооружения и к ним присоединяются оборудования для заземления.

Вопрос №5. Какие железобетонные сооружения не рекомендуется использовать, как заземлительный компонент?

Не желательно подводить заземляющий кабель к сборочной конструкции, которая полностью выполнена из железобетона. Нужно обеспечить надежное соединение между стальными арматурами и только сооружается естественное заземление. Если сложно реализовать такой процесс, рекомендуется использовать искусственный заземлительный контур.

4 ошибки при выборе естественных заземлителей

1. Использование дешевых и плохопроводимых материалов, таких как:

• ржавая арматура;
• стержни с малой проводимостью.

2. Монтаж заземлителя далеко от постройки. Заземлительное сооружение должно располагаться как можно ближе к строению в самом влажном месте, поскольку такая среда увеличивает проводимость и происходит мгновенное замыкание цепи и активация защитного устройства.
3. Объединение заземленного контура с контуром молниезащиты. При отсутствии устройства защиты от импульсных перенапряжений, которое воспроизводит размыкание цепи при поступлении заряда высокого значения. Большая величина тока выведет из строя электроаппаратуру.
4. Объединение проводника электробезопасности и рабочего нуля. Такое нарушение приводит к появлению больших токов и ошибочному срабатыванию устройства защитного отключения.

Оцените качество статьи:

Из какого материала должны изготавливаться искусственные заземлители: отличия искусственных и естественных

Заземление является главным защитным инструментом, предотвращающим риск поражения человека электрическим током. Без него использование электротехники небезопасно, поэтому оно должно присутствовать и в городской квартире, и в частном доме. Заземлительная система может быть естественной или искусственной. Создавая защитную конструкцию самостоятельно, важно знать, из какого материала должны изготавливаться искусственные заземлители.

Разновидности конструкций

Применение неправильно подключённых электроприборов может быть небезопасным. Опасность состоит в том, что в процессе использования может случиться пробой, в результате которого напряжение перейдёт на корпус устройства. Это напряжение может как вывести из строя сам прибор, так и нанести человеку электротравму разной степени тяжести (вплоть до летального исхода). Для предотвращения подобных проблем могут быть использованы два вида заземления:

• Естественное. К нему относятся массивные конструкции, постоянно находящиеся в земле. Роль естественных заземлителей отводится фундаментам зданий, водопроводным трубам, металлоконструкциям и шпунтам, хорошо закреплённым в грунте. Достоинство таких конструкций в том, что на обеспечение заземления с их помощью не требуется дополнительных затрат. Однако сопротивление естественного контура невозможно рассчитать.
• Искусственное. Заземление такого рода создаётся специально из горизонтальных и вертикальных элементов (электродов), изготовленных из определённого материала и имеющих конкретный размер. В качестве основных элементов искусственного контура чаще всего выступают стальные детали, имеющие круглую или угловую форму. Качество такого заземления зависит от сопротивления, которым обладают искусственные заземлители. Определение сопротивления каждого электрода осуществляется по специальной формуле.

Во всех современных устройствах, работающих за счёт электроэнергии, предусмотрено заземление. Всё, что требуется сделать — просто обеспечить соединение с основной заземлительной системой.

Элементы искусственного контура

Несмотря на то что естественные и искусственные заземлители выполняют одинаковую функцию, заключающуюся в защите от поражения электрическим током, использование первых не всегда оказывается целесообразным. Установка искусственной конструкции необходима, когда:

1. Она является единственно возможной.
2. Естественный контур не выдерживает токовых нагрузок.

И в том, и в другом случае оптимальным решением является создание искусственной заземлительной системы с проведением предварительных расчётов. В процессе таких расчётов определяется форма, размер контура и материал, из которого будут выполнены электроды. В качестве основы для них обычно используют сталь, которая имеет покрытие:

• Из цинка. Обеспечивает устойчивость к действию коррозии и кислотной среды. Детали из такого материала отличаются низким сопротивлением.
• Из меди. Для стали и меди характерно хорошее сцепление, поэтому такие электроды обладают высокой прочностью и хорошо контактируют с другими материалами. Имеют отличную электропроводимость и долгий срок службы, обеспечивающийся за счёт низкой электрохимической активности металлов.

Ещё один вариант изготовления электродов (из чёрных металлов) обладает существенным недостатком, выражающимся в низкой устойчивости к коррозии и ржавчине. Из-за высокой прочности сопротивление растеканию тока возрастает, в результате этого создаётся очень опасная для человека ситуация.

Расположение электродов

Входящие в общую заземлительную конструкцию детали могут располагаться вертикально или горизонтально. При первом способе монтажа электроды закапываются в грунт на 70 см. При этом их длина не должна превышать 5 м, а диаметр должен находиться в диапазоне 10−16 мм.

Горизонтальный метод укладки предполагает углубление заземлителей на 50 см (в случае с пахотной землёй на — 1 м). Горизонтально расположенные стальные пруты диаметром более 1 см (либо стальные полосы толщиной более 4 мм) используются для связывания вертикально установленных элементов, стыки между ними фиксируются при помощи сварки. Такой метод показывает свою эффективность лишь при достаточной электропроводимости верхнего слоя грунта.

Правила устройства электроустановок обязывают обеспечить заземление для электрооборудования бытового и промышленного назначения. Чётких требований относительно того, как электроды должны располагаться в грунте, не существует. В каждом конкретном случае это определяется индивидуально.​

Электрическая безопасность, созданная с помощью искусственных заземлителей, реализуется с помощью уменьшения разности потенциалов и отвода блуждающего тока. Ток утечки возникает вследствие взаимодействия заземляющего элемента и фазного кабеля. Одновременно обеспечивается бесперебойное и эффективное функционирование электротехники.

Особенности установки

Для того чтобы искусственная заземлительная конструкция эффективно выполняла защитную функцию, она должна быть правильно установлена с применением техники и специального оборудования. При укладке двух горизонтальных электродов от заземляемой части установки их необходимо располагать в противоположном направлении. Если количество заземлителей больше двух, их монтаж требуется проводить под наклоном в 90−120 градусов. Таким образом удастся достичь улучшенного показателя сопротивляемости деталей.

В процессе установки происходит распределение электрических потенциалов. Наличие существенной разницы показателей на поверхности земли и внутри неё повлечёт за собой возникновение опасных напряжений. С целью предотвращения такой ситуации и выравнивания параметров применяется искусственный заземлительный элемент в виде сетки, когда горизонтальные электроды располагаются вдоль и поперёк, а места их пересечений фиксируются сваркой.

При таком способе укладки необходимо избегать слишком близкого расположения электродов друг к другу. Иначе возникнет экранирование, которое существенно уменьшит эффективность заземлителей.

Заземлители искусственного типа должны иметь естественный цвет, их нельзя окрашивать, поскольку это приведёт к образованию изоляционного слоя. Он ограничит протекание электричества в грунт. Покрывать битумной краской разрешается только места соединения проводников, обработанные сваркой. Такое покрытие защитит элементы от раннего разрушения.

Самой простой и эффективной (с точки зрения монтажа и эксплуатации) считается установка круглой заземлительной конструкции. Она имеет низкую себестоимость, поскольку для её изготовления требуется минимальное количество материалов. Коррозийная устойчивость круглого контура значительно выше, чем контуров другой формы.

Измерение сопротивления

Завершающим этапом монтажа конструкции является измерение сопротивления, которым обладают электроды. Этот параметр является главной качественной характеристикой работы заземлительного контура искусственного типа. Он зависит от таких факторов, как площадь электродов и удельное электрическое сопротивление грунта.

Удельное сопротивление показывает уровень электропроводности грунта, выступающего в роли проводника. В разных почвах оно разное, на его величину оказывает влияние влажность, температура, состав и плотность грунта, а также наличие в нём солей, кислотных и щелочных остатков.

Проверка сопротивления установленного контура происходит с применением специальной техники. Если система содержит разветвления, то сначала делают замеры на отдельных участках магистрали и сравнивают их с показателями на участке, связанном с заземлителем. После этого снимают показания между заземляемыми электроустановками и соотносят их с показателями на ранее проверенных участках.

Заземление силового оборудования и цеховых сетей / Справка / Energoboard

Электрические сети выполняют проводниками, изолированными друг от друга и от земли. Однако в сетях имеют место утечки тока через изоляцию. Электросети представляют собой протяженный конденсатор, обкладками которого являются токоведущие проводники и земля. Между проводниками и землей проходит емкостный ток. Таким образом, между изолированными проводниками и землей всегда существует электрическая цепь, замкнутая через сопротивление изоляции и емкость сети (рис. 1). Прикосновение не только к голым, но и к изолированным частям, находящимся под напряжением, включает человека в электрическую цепь. Ток, проходящий через тело человека, будет тем больше, чем выше напряжение сети, чем больше ее емкость и меньше сопротивление изоляции.

 

Наибольшую опасность представляют случаи повреждения изоляции токоведущих частей, при которых доступные для прикосновения металлические корпуса электрооборудования и конструкции  оказываются под полным напряжением. На эти случаи для обеспечения безопасности людей предусматривают преднамеренное соединение с землей металлических корпусов электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при нарушении изоляции токоведущих частей, с помощью заземляющих проводников и заземлителей.

Ниже приведены определения терминов, относящиеся к элементам заземляющих устройств в электрических установках.

Заземлитель — проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей или ее эквивалентом. Заземлители делят на искусственные и естественные.

Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземляемые части с заземлителем (рис. 2).

Заземляющее устройство — совокупность конструктивно объединенных заземляющих проводников и заземлителя.

Замыкание на землю — случайное электрическое соединение токоведущей части непосредственно с нетоковедущими электропроводящими конструкциями и предметами, не изолированными от земли.

Замыкание на корпус — случайное электрическое соединение токоведущей части с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.

Магистраль заземления или зануления — заземляющий (нулевой защитный) проводник с двумя или более ответвлениями.

Защитное заземление — преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

3ануление — преднамеренное электрическое соединение с нулевым защитным проводником металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением.

Зона растекания тока — зона земли, за пределами которой электрический потенциал, обусловленный токами замыкания на землю, может быть условно принят равным нулю.

3она нулевого потенциала — зона земли за пределами зоны растекания.

Напряжение на заземлителе — напряжение между заземлителем и какой-либо точкой зоны нулевого потенциала при стекании тока с заземлителя в землю.

Напряжение относительно земли — напряжение относительно точки земли, находящейся вне зоны растекания тока замыкания на землю.

Сопротивление растекания заземлителя — отношение напряжения на заземлителе к току, стекающему с него в землю.

Сопротивление заземляющего устройства — сопротивление, состоящее из сопротивления растеканию заземлителя и сопротивления заземляющих проводников.

Ток замыкания на землю — ток, проходящий в электрической цепи через место замыкания на землю.

Напряжение прикосновения — напряжение между двумя точками цепи тока, которых одновременно касается человек.

Шаговое напряжение — напряжение между двумя точками цепи тока, находящимися одна от другой на расстоянии шага (0,8 м), на которых одновременно стоит человек.

Заземленная нейтраль — нейтраль генератора (трансформатора), присоединенная к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление.

Изолированная нейтраль — нейтраль генератора (трансформатора), не присоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление.

В электроустановках до 1 кВ с заземленной нейтралью или глухозаземленным выводом источника однофазного тока, а также с глухозаземленной средней точкой постоянного тока выполняется зануление с целью обеспечения надежного автоматического отключения от электросети оборудования, имеющего поврежденную изоляцию, в минимально короткий срок.

 

Для этого зануляемые части электрооборудования присоединяют к заземленному нулевому проводу сети (рис. 3, а). Как видно из рисунка, замыкание на корпус светильника является замыканием в первой фазе сети (цепь замыкания показана стрелками), что вызовет перегорание предохранителей в этой фазе, отключение светильника и снятие напряжения его корпуса. В соответствии с ПУЭ наиболее распространенные электроустановки напряжением 380/220 В выполняются с глухозаземленной нейтралью.

В электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью, а также во всех установках выше 1 кВ выполняется заземление, предназначенное для снижения тока, протекающего через тело человека, до безопасного значения. Для этого заземляющие части электрооборудования присоединяют к заземляющему устройству, сопротивление которого Rз должно быть мало по сравнению с сопротивлением тела человека (рис. 3, б).
Электрическое сопротивление тела человека изменяется от 800 до 100 000 Ом. Оно зависит от многих факторов: состояния здоровья, нервной системы, психического состояния, влажности кожи, состояния одежды, обуви и других причин.

Сопротивление заземляющих устройств в электроустановках до 1 кВ с изолированной нейтралью согласно ПУЭ должно быть не более 4 Ом, а в электроустановках 220, 380 и 660 В с заземленной нейтралью соответственно не более 8, 4 и 2 Ом.

В электроустановках 3—35 кВ сопротивление заземляющих устройств должно быть 125//р, но не более 10 Ом (/р — расчетный ток замыкания на землю). Если заземляющее устройство одновременно используется для установок до 1 кВ, то сопротивление его не должно превышать этих значений.

Заземление или зануление выполняют во всех случаях в электроустановках переменного тока при напряжении 380 В и выше и постоянного при напряжении 440 В и выше; при напряжении 42 В и выше переменного и 110 В постоянного тока в помещениях с повышенной опасностью, особо опасных и в наружных установках.

Во взрывоопасных установках заземление или зануление выполняют при любых напряжениях.

Заземлению или занулению подлежат корпуса электрических машин, трансформаторов, аппаратов, светильников и т. п.; приводы электрических аппаратов; вторичные обмотки измерительных трансформаторов; каркасы распределительных щитов и щитов управления, а также съемные или открывающиеся части конструкций, если на них установлено электрооборудование; металлические конструкции РУ, металлические кабельные конструкции и кабельные соединительные муфты, металлические оболочки и броня контрольных и силовых кабеле!} металлические оболочки проводов, стальные трубы электропроводки, корпуса шинопроводов, лотки, короба, тросы и стальные полосы, на которых укреплены кабели и провода (кроме тросов и полос, по которым проложены кабели с заземленной или зануленной металлической оболочкой или броней).

Указанные выше металлические части заземляют или зануляют как на стационарных, так и переносных электроприемниках.

Заземлению или занулению не подлежат корпуса электроприемников с двойной изоляцией, а также корпуса электроприемников, подключаемых к сети через разделительный трансформатор.

 

Разрешается не выполнять преднамеренного заземления или за нулей и я корпусов электрооборудования, аппаратов и электромонтажных конструкций, установленных на заземленных (зануленных) металлических конструкциях, щитах, шкафах, щитках, станинах станков, машин и механизмов, при условии обеспечения надежного электрического контакта с заземленными или запуленным и основаниями металлических конструкций.

Каждая заземляемая или зануляемая часть электроустановки присоединяется к сети заземления (зануления) при помощи отдельного ответвления (рис. 4). Последовательное включение в заземляющий или нулевой защитный проводник заземляемых (зануляемых) частей электроустановки запрещается. При этом разрешается последовательное включение нескольких стационарных металлических конструкций (рельсовых путей, обрамлений каналов, строительных ферм и колонн и т. п.), используемых в качестве заземляющих (нулевых защитных) проводников или магистралей заземления (зануления). Под один заземляющий болт на магистрали заземления (зануления) разрешается присоединять только один проводник.

Защитное отключение. Во время работы с электрифицированным инструментом рабочий неизбежно прикасается к его металлическому корпусу и переносно проводу и при неисправности их изоляция может оказаться под напряжением. В условиях монтажа электроинструмент часто подключают к шинам и щиткам с плавкими вставками, рассчитанными на большой ток. Время отключения инструмента в этих случаях из-за большого сопротивления петли фаза — нуль кабеля, питающего инструмент, может достигнуть нескольких секунд и оказаться опасным.

Во избежание этого при работе с электроинструмент той, как правило, применяют специальные защитные отключающие, устройства, обеспечивающие автоматические отключение аварийного участка электросети и инструмента при возникновении замыкания на корпус или непосредственно на землю за время не более 0,2 с.

Защитные отключающие устройства изготовляют нескольких видов и в зависимости от схемы обеспечивают: контроль изоляции фаз относительно земли, контроль непрерывности цепи заземления, защиту от перехода тока фаз на нетоковедущие части, от одно- и двухфазных замыканий на землю, а также от прикосновения к незащищенным токоведущим частям.

Наиболее широко применяют защитные отключающие устройства с трансформаторами тока нулевой последовательности (ТНП) типов С-901, ИЭ-9801, ИЭ-9807 и ЗОУП-25. Эти устройства обслуживают один или несколько инструментов 380/220 В и 50 Гц.

Чувствительность защиты при замыкании фазы на землю составляет 0,01 А при времени срабатывания 0,01—0,05 с.

Заземлители.

Для заземления электроустановок в первую очередь используют естественные заземлители. Если эти заземлители имеют сопротивление растеканию, удовлетворяющие требованиям ПУЭ, то устройство искусственных заземлителей не выполняют.

В качестве естественных заземлителей используют железобетонный фундамент зданий и сооружений, проложенные под землей водопроводные и другие металлические трубопроводы, обсадные трубы, металлические шпунты и другие металлические конструкции, имеющие соединение с землей. Исключение составляют трубопроводы для горючих жидкостей и горючих взрывчатых газов, чугунные трубопроводы и временные трубопроводы строительных площадок.

В качестве, естественных заземлителей используют также свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле алюминиевые оболочки кабелей и голые алюминиевые провода использовать в качестве заземлителей запрещается.

Искусственные заземлители по их расположению в грунте и форме делят на:

• заглубленные — из круглой или полосовой стали, укладываемые горизонтально на дно котлованов по периметру фундаментов (зданий, колонн, опор). При монтаже таких заземлителей отпадает необходимость выполнения трудоемких земляных работ и возможна предварительная заготовка элементов заземлителей. При укладке таких заземлителей на большой глубине используют грунты с большей электрической проводимостью и менее подверженные сезонным изменениям;
• вертикальные — из стальных вертикально ввинчиваемых или вдавливаемых в грунт стержней из круглой стали, а также из забиваемых отрезков угловой стали;
• горизонтальные — из круглой или полосовой стали, уложенные в траншею. Эти заземлители используют и по прямому назначению, и для связи между стержнями вертикальных заземлителей.

Для заземлителей обычно применяют круглую сталь диаметром 10—16 мм, полосовую сталь сечением 40×4 мм и угловую сталь сечением 50x50x5 мм. Трубы для этих целей применять не рекомендуется из-за их дефицита.

Длина вертикальных заземлителей принимается равной: ввинчиваемых и вдавливаемых 4,5—5 м, забиваемых 2,5 3 M.

На территориях электроустановок с большим удельным сопротивлением земли (более 200 Ом-м в наиболее неблагоприятное время года) применяют углубленные заземлители или производят искусственную обработку земли с целью снижения ее удельного сопротивления. Например, для вертикальных электродов выполняют укладку слоев соли (нитрат натрия, гидрат окиси кальция) и земли при диаметре обработки примерно 0,5 м на 7а длины электрода; после укладки каждого слоя его поливают водой; устраивают выносные заземлители, если вблизи электроустановок есть участки с меньшим удельным сопротивлением к земле. Устройство выносных заземлителей выполняют проводами или кабелями.

На территориях вечномерзлых грунтов заземлители помещают в непромерзающие водоемы или талые зоны, в том числе, искусственные, используют артезианские скважины.

В качестве заземляющих и нулевых защитных проводников используют в первую очередь нулевые рабочие проводники; специально предусмотренные для этой цели проводники; металлические конструкции зданий; металлические конструкции производственного назначения (подкрановые пути, каркасы РУ и площади галерей; шахты лифтов, подъемников, элеваторов, обрамление каналов) ; металлические стационарно проложенные трубопроводы различного назначения, кроме трубопроводов горючих и взрывоопасных веществ, канализации и центрального отопления; стальные трубы электропроводок, алюминиевые оболочки кабелей, металлические кожухи шинопроводов, короба и лотки электропроводок. Не допускается использовать для этих целей металлические оболочки трубчатых рукавов, изоляционных трубок, металлорукавов, несущие тросы (при тросовой электропроводке), а также броню и свинцовые оболочки кабелей и проводов.

В помещениях и установках с целью выравнивания потенциала строительные металлические конструкции, стационарные металлические трубопроводы всех назначений, металлические корпуса оборудования и т. п. присоединяют к сети заземления или зануления. При этом естественные металлические контакты в сочленениях являются достаточными.

Для стационарно проложенных заземляющих проводников, как правило, применяют сталь, если для этих целей не используется нулевой провод четырехпроводной системы трехфазного тока. Наименьшие допустимые размеры заземляющих и нулевых защитных проводников, а также стальных заземлителей приведены в табл. 1 и 2.
В электроустановках напряжением до 1 кВ и выше с изолированной нейтралью проводимость заземляющих проводников должна составлять не менее 1/3 проводимости фазных проводников, а сечение — не менее указанных в табл. 1 и 2.
В производственных помещениях с электроустановками напряжением до 1. кВ магистрали заземления из стальной полосы применяют сечением не менее 100 мм2, а напряжением выше 1 кВ — не менее 120 мм2 (допускается применение круглой стали той же проводимости).

Таблица 1. Наименьшие допустимые размеры стальных заземлителей, заземляющих и нулевых защитных проводников

Заземлители, заземляющие и нулевые защитные проводники	в зданиях	Прокладка в наружных уста- в земле новках
Круглые проводники диаметром,	5	6	10
мм
Прямоугольные проводники:
сечение, мм2	24	48	48
толщина, мм	3	4	4
Угловая сталь (толщина полок),	2	2,5	4
мм
Стальные трубы (толщина стенок), мм: водогазопроводные	2,5	2,5	3,5
тонкостенные	1,5	2,5	Не допуска
			ются

Использование металлических конструкций зданий и сооружений, трубопроводов и оборудования в качестве нулевого рабочего проводника запрещается.

Для передвижных и переносных электроприемников в качестве заземляющего или зануляющего защитного проводника применяют отдельную жилу в общей оболочке с фазными жилами одинакового с ними сечения.

Таблица 2. Наименьшие допустимые сечения медных, алюминиевых заземляющих и нулевых защитных проводников в электроустановках до 1 к В

Заземляющие и нулевые защитные проводники	Медь, мм2	Алюминий, мм2
Неизолированные проводники при открытой прокладке	4	6
Изолированные провода	1,5*	2,5
Заземляющие жилы кабелей или многожильных проводов в общей защитной оболочке с фазными жилами	1	2,5

* При прокладке проводов в трубах допускается сечение нулевых защитных проводников (медных) принимать равным. 1 мм2, если фазные проводники имеют то же сечение.

Во взрывоопасных установках в качестве заземляющих и нулевых защитных проводников используют проводники, специально предназначенные для этой цели. Использование для этих проводников металлических конструкций строительного и производственного назначения, стальных труб электропроводок, металлических оболочек кабелей и т. п. рассматривается лишь как дополнительная мера безопасности.

Во взрывоопасных установках в сетях напряжением до 1 кВ с глухозаземлеиной нейтралью зануление в силовых сетях выполняют с помощью специально проложенного пулевого защитного проводника: третьего — в двухпроводных (одно- и двухфазных) сетях и четвертого — в трехпроводных (трехфазных) сетях. В осветительных двухпроводных (однофазных) сетях специальный третий проводник для зануления прокладывают только во взрывоопасных зонах В1.

Монтаж заземлителей. Искусственные заземлители сооружают только в случае, если естественные заземлители (железобетонные фундаменты зданий и сооружений) не обеспечивают сопротивление растеканию, требуемое ПУЭ.

Углубленные заземлители, заранее заготовленные, укладывают на дно котлованов под фундаменты зданий й сооружений при производстве строительных работ. Вертикальные заземлители из угловой стали и труб погружают в грунт путем забивки или вдавливания. Для этой цели используют копры, автоямобуры, вибраторы, гидропрессы, бурильно-крановые машины, ручные приспособления.

Глубина заложения верха вертикальных заземлителей должна быть 0,6—0,7 м от урозня планировочной отметки земли и выступать от дна траншеи на 0,1—0,2 м (рис. 5) для удобства приварки к ним соединительных полос или круглых стержней.

Все соединения в цепях заземлителей выполняют сваркой внахлестку. Расположенные в земле заземлители и заземляющие проводники не окрашивают. Если в грунте содержатся примеси, вызывающие повышенную коррозию, применяют заземлители увеличенного сечения, оцинкованные или омедненные заземлители или делают электрическую защиту от коррозии.

Горизонтальные заземлители в местах пересечения с подземными сооружениями (кабелями, трубопроводами) с железнодорожными путями и дорогами, а также, в местах возможных механических повреждений защищают асбестовыми трубами.

По окончании монтажа заземлителей перед засыпкой траншеи составляют акт освидетельствования скрытых работ.

 

ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

ОБЗОР РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

Безопасная эксплуатация электроустановок различного назначения, выполненных в соответствии с требованиями ПУЭ и других нормативных документов, обеспечивается рядом технических и организационных мер электробезопасности, одной из которых является обустройство заземления, то есть преднамеренного соединения металлических частей электроустановки, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции, с заземляющим устройством.

Под заземляющим устройством понимается совокупность заземлителя и заземляющих проводников. Основным элементом этой системы является заземлитель, электрод которого или совокупность соединенных между собой электродов, находятся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Кроме мер электробезопасности, заземление электроустановки также обеспечивает её функционирование в расчетных режимах. Такое заземление называется рабочим или функциональным (например, заземление нейтрали трансформаторов и генераторов).

Молниеприемники внешних молниезащитных систем зданий, сооружений или промышленных коммуникаций соединяются с заземлителем для отвода тока молнии в землю.

Таким образом, заземляющее устройство является многофункциональным, выполняющим, в общем случае, все вышеуказанные функции одновременно.

Заземляющее устройство, используемое для заземления электроустановок одного или разных назначений и напряжений, должно удовлетворять всем требованиям, предъявляемым к заземлению этих электроустановок:

· защиты людей от поражения электрическим током при повреждении изоляции, условиям режимов работы сетей;

· защиты электрооборудования от перенапряжения и т. д. в течение всего периода эксплуатации. И в первую очередь должны быть соблюдены требования, предъявляемые к защитному заземлению.

В нормативной документации требованию к значению сопротивления заземлителя определяются относительно номинального напряжения электроустановки и величины токов короткого замыкания. Требуемые значения электрических характеристик заземляющих устройств должны быть обеспечены при наиболее неблагоприятных условиях, связанных с сезонными изменениями параметров электрической структуры грунта. Под грунтом понимаются любые горные породы, почвы, осадки и техногенные образования, рассматриваемые как многокомпонентные системы и часть геологической среды.

Характер поверхности и растительности может дать некоторую начальную информацию относительно более или менее благоприятной характеристики грунта для установки заземлителя. Более точная информация о структуре грунта обеспечивается применением геофизических методов, в частности электроразведкой — методом вертикального электрического зондирования. Отмечается, что геологическая структура грунта в пределах глубин порядка сотен метров в достаточной степени разнообразна и в общем случае имеет горизонтально-слоистый вид с небольшими углами наклона границ и различным удельным электрическим сопротивлением слоев (рис. 1).

Рис. 1. Условный вид геологического строения грунта

Параметры верхнего или активного слоя (грунт глубиной до 3 м) подвержены сезонным изменениям, вызываемым динамикой температуры и влажности. В северных и центральных районах страны наибольшее значение удельного электрического сопротивления слоя сезонных изменений соответствует концу зимнего периода, а для южных – расчетным сезоном являются летние месяцы (рис. 2). Глубинные слои обладают более стабильным удельным электрическим сопротивлением.

Рис. 2. Изменение глубины промерзания грунта по территории РФ

В инженерных методиках расчета сопротивлений заземлителей вся совокупность значений проводимостей слоев грунта приводиться к эквивалентному значению с учетом геометрических размеров заземлителей и циклических сезонных изменений электрических параметров верхних слоев грунта.

Для заземления применяются искусственные и естественные заземлители. Естественными заземлителями являются металлические элементы, проложенные в земле для других целей, но используемые при этом для целей заземления.

В качестве естественных заземлителей могут быть использованы:

1) металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, в том числе железобетонные фундаменты зданий и сооружений, имеющие защитные гидроизоляционные покрытия;

2) металлические трубы водопровода, проложенные в земле;

3) металлические оболочки бронированных кабелей, проложенных в земле;

4) другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения.

Использование естественных заземлителей в качестве элементов заземляющих устройств не должно приводить к их повреждению при протекании по ним токов короткого замыкания или к нарушению работы устройств, с которыми они связаны.

При использовании железобетонных фундаментов в качестве естественных заземлителей и обеспечении допустимых напряжений прикосновения не требуется сооружение искусственных заземлителей, прокладка выравнивающих полос снаружи зданий и выполнение магистральных проводников заземления внутри здания. Металлические и железобетонные конструкции при использовании их в качестве заземляющих устройств должны образовывать непрерывную электрическую цепь по металлу, а в железобетонных конструкциях должны предусматриваться закладные детали для присоединения электрического и технологического оборудования.

Однако, при использовании железобетонных фундаментов необходимо учитывать следующее. Если фундамент полностью защищен с помощью специальной теплоизоляции из непроводящих материалов, или если фундамент имеет гидроизоляцию, например, пластмассовые листы толщиной больше 1 мм, использование бетонного фундамента в качестве заземлителя малоэффективно. В этих случаях, металлическую арматуру фундамента можно применять для защитного уравнивания потенциалов, а в целях заземления следует применять искусственный заземлитель. Наличием битумного покрытия на железобетонной конструкции при расчете сопротивления естественного заземлителя можно пренебречь.

Конструкцию искусственных заземлителей можно подразделить на два вида. Заземлители, выполненные из элементарных проводников различного профиля сечения (круглый, прямоугольный, угловой и трубный) и формы (кольцевая, лучевая) и сложные заземлители, которые представляют комбинацию горизонтальных и вертикальных электродов, в том числе и в виде замкнутого контура с внутренними горизонтальными перемычками (сетки).

Рис. 3. Стержневой заземлитель

Рис. 4. Комбинированный заземлитель

Эффективность вертикальными стержневых заземлителей зависит от степени однородности грунта. Увеличение длины электродов в разумных пределах обосновано, если имеется возможность достичь слоев с большей проводимостью. Если структура грунта более или менее однородная, то увеличение длины вертикальных электродов малоэффективно, так как изменяет сопротивление заземлителя незначительно.

Заземлитель укладывается в грунте на определённой глубине, называемой глубиной заложения или обслуживания. Её среднее значение составляет 0,5-0,7 м. Такое заглубление необходимо для уменьшения влияния сезонного изменения проводимости верхних слоев грунта. Если в месте установки заземлителя наблюдается однородная электрическая структура грунта, то величина глубины заложения в пределах от 0,5 до 1 м слабо влияет на снижение сопротивления заземлителя.

Увеличение глубины заложения связано с дополнительными затратами и не позволяет оперативно производить обслуживание заземлителей. В тоже время, сложные заземлители (например, мощных электрических подстанций) могут закладываться на различной глубине от поверхности земли, тем самым уменьшая «шаговое» напряжение и обеспечивая более равномерное распределение напряжения.

Заземляющие устройства должны быть механически прочными, термически и динамически стойкими к токам замыкания на землю. Наименьшие поперечные размеры электродов определяются с учетом коррозии материала, из которого они изготовлены. Для повышения эксплуатационных характеристик заземлителей в этом случае увеличивают сечение электродов или применяют медные проводники или проводники с гальваническим покрытием.

Применение омедненных или оцинкованных стальных электродов широко используется в модульных конструкциях заземлителей, позволяющих выполнять вертикальные электроды произвольной длины из сборного комплекта стержней длиной 1,2-15 м. Эффективность таких систем очевидна (получение стабильного сопротивления в течение всего срока службы системы заземления благодаря отсутствию коррозии), в том числе и с точки зрения производства монтажных работ.

Однако эксплуатационных характеристики таких заземлителей зависят от толщины медного или цинкового покрытия, его пластичности, технологии нанесения на стальной сердечник, а также от способа соединения стрежней между собой.

На российском рынке основным производителем омедненных стержней заземления является компания EZETEK, которая специализируется на разработке, производстве и поставке систем модульно-стержневого, электролитического заземления, а также молниезащиты для объектов любой сложности.

Рис.5. Элементы модульно-стрежневой системы EZETEK

Необходимо отметить и еще один вид заземлителей – электролитический. Конструктивно заземлитель выполнен в виде полого перфорированного электрода, устанавливаемого вертикально, или электрода «г»-образной формы, укладываемого горизонтально на малой глубине (порядка 1 метра).

Рис. 6. Комплект электролитического заземления EZЕТЕК

Полость внутри электрода заполняется специальной солевой смесью. За счет взаимодействия с влагой образуется электролит, который повышает электропроводность грунта. Применение таких заземлителей наиболее эффективно в высокоомных грунтах или в случаях, когда накладываются ограничения на монтаж электродов на большую глубину или ограничена площадь, отводимая для контура заземления.

Достижение приемлемого уровня почвы на бедных почвах

Чтобы ваша электрическая система функционировала должным образом, важно, чтобы ваша подземная система заземления имела низкий импеданс. Так как же достичь этой цели, помня о безопасности?

При проектировании и установке систем электроснабжения правильное заземление — это не просто роскошь, а необходимость. Все хорошие системы заземления должны обеспечивать путь с низким сопротивлением для проникновения в землю токов короткого замыкания и грозовых разрядов, обеспечивая максимальную безопасность от сбоев электрической системы и молний.В частности, правильно установленная система заземления не только помогает защитить здания и оборудование от повреждений, вызванных непреднамеренными токами короткого замыкания или разрядами молнии, но также защищает гораздо более важные инвестиции: людей.

Достичь приемлемой позиции — непростая задача. Правильная установка систем заземления требует знания национальных стандартов, материалов проводов, а также соединений и выводов (рис. 1 в оригинальной статье). Но это не все. Не забывайте учитывать почвенные условия, в которых вы устанавливаете заземляющие стержни (или заземляющую сетку).

Влияние почвенных условий на заземление. Хотя общая эффективность подземной системы заземления зависит от многих факторов, сопротивление земли (или удельное сопротивление земли) существенно влияет на полное сопротивление подземного проводника. Характеристики почвы, такие как влажность, температура и тип почвы, определяют общее удельное сопротивление земли. При заземлении системы всегда помните следующее:

• Содержание влаги.

  Содержание влаги в почве важно, потому что она помогает химическим веществам в почве, окружающим заземляющие проводники, проводить электрический ток. Как правило, чем выше содержание влаги, тем ниже удельное сопротивление почвы. Когда влажность опускается ниже 10%, удельное сопротивление значительно увеличивается.

• Температура почвы.

  Температура ниже точки замерзания также увеличивает удельное сопротивление почвы. Как только влага превращается в лед, сопротивление резко возрастает. В зонах, подверженных замерзанию, необходимо установить заземляющий стержень ниже линии замерзания, чтобы поддерживать заземление с низким сопротивлением.

• Тип почвы.

  Черная грязь или почвы с высоким содержанием органических веществ обычно являются хорошими проводниками, поскольку они сохраняют более высокий уровень влаги и имеют более высокий уровень электролита, что приводит к низкому удельному сопротивлению почвы. Песчаные почвы, которые быстрее дренируют, имеют гораздо более низкое содержание влаги и уровень электролитов. Следовательно, они имеют более высокий импеданс. Твердая порода и вулканический пепел, например, найденный на Гавайях, практически не содержат влаги и электролитов. Эти почвы имеют высокий уровень удельного сопротивления, и трудно обеспечить эффективное заземление.См. Таблицу 1 (в оригинальной статье) для определения удельного сопротивления различных почв.

Измерение удельного сопротивления земли. Эффективность заземляющих стержней во многом зависит от того, может ли почва, окружающая стержни, проводить большие электрические токи. Чтобы правильно спроектировать подземную систему заземления, необходимо измерить удельное сопротивление земли с помощью прибора для измерения сопротивления заземления. Этот прибор также должен иметь переключатели для изменения диапазона сопротивления. Для измерения удельного сопротивления земли можно использовать различные методы испытаний, но наиболее распространенными являются три:

• Четырехточечный метод, наиболее точный.

• Глубинный вариационный метод (метод трех точек).

• Двухточечный метод.

После определения удельного сопротивления почвы вы сможете лучше определить, какая схема подземного заземления будет наиболее эффективной. В зависимости от удельного сопротивления почвы и требований схемы заземления конкретная система может варьироваться от простого подземного заземляющего проводника до обширного заземляющего стержня. Последний мог включать сеточную систему или заземляющее кольцо (рис.2, в оригинальной статье). Для уменьшения импеданса системы заземления можно использовать материал для улучшения заземления или электроды химического типа.

Как добиться приемлемого заземления. Существуют различные варианты снижения удельного сопротивления почвы. Один из способов — увеличить влажность почвы. Удельное сопротивление верхнего слоя почвы может быть уменьшено на 800 Ом · м за счет увеличения влажности с 5% до 10%. Дополнительное снижение удельного сопротивления, хотя и намного меньшее, может быть получено путем увеличения влажности с 10% до 20%. Проблема с добавлением влаги в почву заключается в том, что в большинстве случаев это не практичный вариант.

Еще один способ снизить удельное сопротивление земли — обработать почву солью, например сульфатом меди, сульфатом магния или хлоридом натрия. Вместе с влагой соли выщелачиваются в почву, снижая удельное сопротивление почвы. Однако этот недорогой процесс также может вызвать проблемы. Во-первых, когда соли смываются, почва возвращается в необработанное состояние. В результате вам необходимо периодически заряжать систему.Во-вторых, некоторые соли могут вызвать коррозию заземляющих проводов. Наконец, соль может загрязнять грунтовые воды. Местные экологические нормы и Агентство по охране окружающей среды (EPA) могут возражать против добавления солей в почву.

Во многих местах обеспечить систему заземления с низким сопротивлением так же просто, как вставить стержень заземления в подповерхностный слой почвы, который имеет относительно постоянное и проводящее содержание влаги. Помните, что заземляющий стержень должен выступать ниже минимальной глубины промерзания. Вы также можете использовать материал для улучшения заземления для достижения приемлемого сопротивления системы (рис.3, в оригинальной статье).

Что следует знать при использовании материала для улучшения грунта. Практически во всех почвенных условиях использование материала для улучшения грунта повысит эффективность заземления. Некоторые из них являются постоянными и не требуют обслуживания. Вы можете использовать их в областях с плохой проводимостью, таких как каменистая почва, горные вершины и песчаная почва, где нельзя использовать заземляющие стержни или где ограниченное пространство затрудняет адекватное заземление с помощью обычных методов.

Доступно несколько видов материалов для улучшения земли.Но будьте осторожны при выборе материала. Он должен быть совместим с заземляющим стержнем, проводником и соединительным материалом. Некоторые варианты включают бентонитовую глину, коксовый порошок и специально разработанные вещества.

Бентонит — это глинистое вещество, используемое в областях с высоким удельным сопротивлением почвы. Однако проводимость в бентонитовой глине происходит только за счет движения ионов. Ионная проводимость может происходить только в растворе, а это означает, что бентонитовая глина должна быть влажной для обеспечения требуемых уровней сопротивления.Когда бентонитовая глина теряет влагу, ее удельное сопротивление увеличивается, а объем уменьшается. Эта усадка приводит к нарушению непрерывности контакта между бентонитовой глиной и окружающей почвой, что дополнительно увеличивает сопротивление системы.

Порошок кокса — другой выбор. Коксовый порошок, состоящий преимущественно из углерода, обладает высокой проводимостью. Однако грунтовые воды могут его смыть.

Некоррозионное вещество с низким сопротивлением, повышающее сопротивление, представляет собой проводящий цемент, который можно укладывать мокрым или сухим.В зависимости от вещества, он не выщелачивается в почву и соответствует требованиям EPA для захоронения отходов. Этот материал успешно применяется в железнодорожной и коммунальной промышленности. При сухой установке он впитывает влагу из окружающей почвы и затвердевает, удерживая влагу в своей структуре. При использовании в сухом виде перемешивание не требуется, а максимальная эффективность достигается за считанные дни. Это потому, что он поглощает достаточно воды из окружающей почвы. Вы также можете предварительно смешать его с водой до получения густого раствора.Вы можете добавить его в траншею, в которой находится заземляющий провод, или использовать его вокруг заземляющего стержня в усиленном отверстии. Материал связывает воду в цемент, образуя прочную массу с высокой проводимостью.

Некоторые продукты предлагают подтвержденное испытанием удельное сопротивление 0,12 Ом-м или ниже по сравнению с 2,5 Ом-м для бентонитовой глины. В отличие от бентонитовой глины, цементоподобный материал не зависит от постоянного присутствия воды; он также не требует периодической зарядки / замены.

Идеальный материал для улучшения грунта не требует обслуживания.При проектировании или установке подземной системы заземления ищите материалы, которые не растворяются и не разлагаются с течением времени, требуют периодической зарядки или замены или зависят от постоянного присутствия воды для поддержания проводимости.

Установка материалов для улучшения грунта. После выбора материала продумайте способ монтажа. Установка материала для улучшения грунта выполняется быстро и легко. Для установки вокруг стержня заземления (рис. 4 в оригинальной статье) используйте шнек диаметром 3 дюйма.до отверстия диаметром 6 дюймов до глубины на 6 дюймов меньше длины стержня. Опустите стержень в отверстие так, чтобы нижний конец был отцентрирован и вбивался в землю минимум на 12 дюймов. Подключите заземляющий провод к заземляющему стержню. Затем заполните большую часть отверстия материалом для улучшения грунта. Наконец, заполните оставшуюся часть ямы почвой, удаленной во время бурения.

Установка проводника в траншею включает шесть этапов, перечисленных ниже. См. Рис. 5 для получения дополнительной информации.Если вы используете цемент проводящего типа для улучшения заземления, см. Расчетное количество погонных футов, которое можно получить из мешка с материалом для использования в качестве покрытия заземляющего проводника, в Таблице 2 (на странице 64P в исходной статье).

1. Выкопайте траншею шириной не менее 4 дюймов и глубиной 30 дюймов или ниже линии замерзания, в зависимости от того, что глубже.

2. Разложите достаточно материала для улучшения грунта (сухого или в виде суспензии), чтобы покрыть дно траншеи примерно на 1 дюйм глубиной.

3. Поместите проводник поверх материала для улучшения заземления.

4. Нанесите больше материала для улучшения заземления поверх проводника, чтобы полностью закрыть провод, примерно на 1 дюйм глубиной.

5. Осторожно покройте грунтом материал для улучшения грунта на глубину около 4 дюймов, стараясь не обнажить провод.

6. Утрамбовать почву и засыпать траншею.

Электроды химического типа — еще один вариант для сложных ситуаций с заземлением.Они состоят из медной трубки, заполненной солями, установленной в бурном отверстии или траншее. Электрод засыпан материалом для улучшения заземления. Медная трубка имеет отверстия в верхней и нижней части, а верхняя часть электрода остается открытой для атмосферы. Вода медленно растворяет соли, которые попадают в трубку через верхние отверстия, открытые для атмосферы. Солевой раствор с высокой проводимостью просачивается в почву из отверстий около дна трубы.

Засыпочный материал обычно представляет собой бентонитовую глину или комбинацию бентонитовой глины внизу и описанного выше цементного раствора вверху.Электроды химического типа требуют периодической подзарядки солей. Хотя он и дороже заземляющего стержня, заключенного в цементный раствор, несколько длительных испытаний показывают, что электрод химического типа обеспечивает примерно такую ​​же эффективность.

Измерительные установленные системы заземления. После установки вам может потребоваться измерить сопротивление заземления установленной системы. Имейте в виду, что NEC 1996 г., гл. 250-84, требуется один электрод, состоящий из стержня, трубы или пластины, который не имеет сопротивления заземления 25 Ом или меньше, должен быть усилен одним дополнительным электродом типа, указанного в разделах 250-81 или 250-83.Всегда устанавливайте несколько электродов на расстоянии более 6 футов друг от друга.

Обслуживание системы заземления. Вам необходима эффективная программа проверок и периодического обслуживания, чтобы обеспечить непрерывность всей системы заземления. Обязательно регулярно проверяйте его, используя одобренный инструмент для проверки заземления, чтобы проверить электрическое сопротивление и целостность.

Влияние материала электрода на напряжение древовидного генератора энергии

Abstract

Напряжение между стоящим деревом и окружающей его почвой рассматривается как инновационный возобновляемый источник энергии.Ожидается, что этот источник обеспечит новую систему выработки электроэнергии для маломощного электрического оборудования, используемого в лесном хозяйстве. Однако напряжение слабое, что вызвало большие трудности в применении. Следовательно, разработка метода повышения напряжения — ключевой вопрос, который необходимо решать в этой области прикладных исследований. В качестве входного компонента для сбора энергии металлический электрод оказывает существенное влияние на уровень и стабильность получаемого напряжения. Это исследование было направлено на предварительное выяснение закономерностей и механизмов, лежащих в основе влияния материала электродов на напряжение.Электроды из разных материалов были использованы для измерения напряжения трех источников, и данные были использованы для сравнительного анализа. Результаты показывают, что проводимость металлического электрода значительно влияет на контактное сопротивление контактных поверхностей электрод-грунт и электрод-ствол, тем самым влияя на уровень напряжения. Реактивность металла электрода не оказывает существенного влияния на напряжение. Однако пассивация электродных материалов заметно снижает напряжение.Демонстрируются и рекомендуются подходящие электродные материалы.

Образец цитирования: Hao Z, Wang G, Li W, Zhang J, Kan J (2015) Влияние материала электрода на напряжение древовидного генератора энергии. PLoS ONE 10 (8): e0136639. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639

Редактор: Бин-Ян Цао, Университет Цинхуа, КИТАЙ

Поступила: 15 июня 2015 г .; Одобрена: 5 августа 2015 г .; Опубликовано: 24 августа 2015 г.

Авторские права: © 2015 Hao et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в пределах бумага.

Финансирование: Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (http://www.nsfc.gov.cn/), грант №: 31170669 WL и Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов. № проекта: BLYJ201421 — ZH. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили, что конкурирующих интересов не существует.

Введение

Когда два металлических электрода устанавливаются на дереве и прилегающей почве, между электродами возникает напряжение [1]. Это напряжение считается инновационным генератором возобновляемой энергии. По сравнению с другими природными источниками энергии, такими как солнечная энергия и энергия ветра, этот вид энергии имеет определенные преимущества, включая экологичность, долгий срок службы и отсутствие ограничений в отношении герметичной среды в лесу.Следовательно, ученые спрогнозировали практическое применение древовидного напряжения, которое включает в себя широкий спектр зарядных устройств для нишевых датчиков окружающей среды и устройств, объединенных в сетку, что резко снижает потребность в замене батарей в полевых условиях [2]. Датчики и сети, используемые в лесном хозяйстве, имеют чрезвычайно низкое потребление энергии в результате их маломощной конструкции и функции сна. Древовидное напряжение имеет способность обеспечивать бесперебойную энергию при зарядке низковольтной батареи для удовлетворения требований прерывистого энергопотребления.Поэтому древовидное напряжение является перспективным источником энергии. Ожидается, что этот источник обеспечит совершенно новую систему выработки электроэнергии для маломощного электрического оборудования, используемого в лесном хозяйстве. Однако исследования показали, что этот тип энергии является слабым, то есть получаемые напряжения обычно находятся в диапазоне от десятков до сотен милливольт, а токи короткого замыкания находятся в диапазоне микроампер [2]. Низкая электрическая мощность в диапазоне микроватт (приблизительно 20 мкВт) была измерена в предыдущем исследовании.Этих характеристик недостаточно для непосредственного управления маломощным электронным оборудованием, используемым в настоящее время в лесах.

Технология сбора и использования микроэнергии, которая включает пьезоэлектрическую энергию, фотоэлектрическую энергию и термоэлектрическую энергию, относительно хорошо развита [3–8]. Для получения подходящего уровня напряжения, необходимого для зарядки схемы накопителя и последующего питания электронных устройств, обычно требуется операция повышения с преобразователем постоянного тока в постоянный (DC-DC) [9, 10].Однако напряжение между стоящим деревом и окружающей его почвой довольно низкое и не может надежно управлять существующими модулями цепи постоянного и постоянного тока. То есть существующая проблема в связи с этим заключается в повышении напряжения. Чтобы решить эту проблему, соответствующие исследования были сосредоточены на двух основных темах: 1) выяснение механизма, лежащего в основе этого напряжения [2], тем самым определяя возможность искусственного увеличения напряжения, и 2) поиск новых методов повышения при разработке инновационной низковольтной электроники. [11, 12].

Исследование механизма древесной энергии — важная задача. Хорошо известно, что в телах растений существуют разности электрических потенциалов. Однако этот тип напряжения обычно вызывается физиологической активностью растений [13–16]. Это явление можно объяснить на микроскопическом уровне, в частности на клеточном уровне. Разница электрических потенциалов, вызванная физиологической деятельностью, чрезвычайно мала (не более десятков милливольт), а иногда и кратковременна (возникает в ответ на внешние раздражители) [17].Этим можно пренебречь при исследованиях напряжения между деревьями и почвой, которое обычно находится в диапазоне от десятков до сотен милливольт. Изучение напряжения, возникающего между стоящим деревом и окружающей его почвой, относится к новой области исследований. Ранние наблюдения за электрической активностью ствола дерева были подтверждены экспериментом на еле [18], который далее сообщил о нелинейной зависимости между изменением электрического потенциала и интенсивностью солнечного излучения. Некоторые ученые утверждают, что сокодействие является доминирующим механизмом генерации напряжения [19].Более того, другие ученые предложили механизм, основанный на диффузии заряда из токопроводящих каналов сока в резистивные стенки ксилемы [18]. Однако электрические сигналы с более неустойчивыми временными вариациями все еще наблюдались в экспериментах, что указывает на то, что другие механизмы, возможно, не связанные с сокодвижением, также могут вносить свой вклад. Утверждалось, что атмосферное электричество вносит вклад во временные колебания напряжения. Однако в этих исследованиях также наблюдались собственные напряжения [20–22]. Кроме того, было обнаружено, что разница pH между внутренней частью дерева и окружающей его почвой существенно влияет на напряжение [2].Следовательно, механизм, лежащий в основе генератора энергии на основе дерева, остается спорным, что приводит к значительным неизвестным факторам, которые продолжают влиять на его применение.

Изобретение инновационной электроники — еще одна цель, которую необходимо решить, чтобы использовать древесную энергию. Преобразователь постоянного тока в постоянный может повышать входное напряжение и генерировать постоянный выходной сигнал, но такая схема требует минимального порогового напряжения на входе, которое не может надежно генерировать стоящее дерево. В ответ на эту проблему некоторые исследователи разработали схему повышения мощности с низким энергопотреблением и низким входным напряжением, а также схему тактового генератора с низким энергопотреблением.Обе схемы управляются стоящим деревом с относительно хорошей производительностью [11].

Однако для более надежного использования этого типа электроэнергии необходимо учитывать различные факторы, такие как сбор, преобразование и хранение электроэнергии. В процессе использования электричества на стоячем дереве электроды должны быть размещены на стоячем дереве и в окружающей почве в качестве начального оборудования для сбора энергии. Однако материал электрода может повлиять на величину и стабильность получаемого электричества.Поскольку механизм, лежащий в основе древовидного напряжения, остается неясным, не было установлено универсального стандарта для выбора электродов в процессе измерения и использования древовидной электроэнергии [2, 11, 12, 18–22]. Однако, судя по соответствующей литературе, металлические электроды остаются предпочтительным материалом для ученых. В большинстве предыдущих исследований использовались стальные электроды [11, 12, 18–22]. Более того, в некоторых исследованиях использовались платиновые (Pt) электроды [2]. В любом случае, чтобы использовать преимущества такого слабого источника энергии с высокой эффективностью, выбор подходящего электрода является центральным вопросом.

Стабильность (химическая активность металла) материала электрода является важным фактором, который следует учитывать, поскольку ствол и почва могут вызвать коррозию электрода. Стальные и платиновые электроды обладают хорошей коррозионной стойкостью, что дает стабильный электрический сигнал при измерении во времени. Однако еще не было показано, существенно ли влияет стабильность материалов на напряжение во время сбора и утилизации. Более того, для этого процесса требуется максимально возможное напряжение во время сбора и использования энергии.Следовательно, проводимость также является важным фактором. В предыдущем исследовании более высокое напряжение было измерено с использованием электродов с более низким удельным сопротивлением, то есть с лучшей проводимостью [23]. Однако источник энергии, образованный стоящим деревом и окружающей его почвой, имеет высокое внутреннее сопротивление. Согласно соответствующей литературе [11, 12, 24], наблюдались внутренние сопротивления в десятки тысяч Ом. Металлические электроды действуют как последовательный резистор с низким сопротивлением между анодом и катодом древовидного источника.В этом случае проводимость материала электрода мало влияет на выходное напряжение, что не согласуется с предыдущим исследованием. Поэтому механизм влияния материала электродов на напряжение требует дальнейшего изучения. Эта работа была направлена ​​на предварительное установление правил и механизмов, лежащих в основе влияния материала электродов на напряжение между стоящим деревом и окружающей его почвой, а также на предоставление рекомендаций по выбору подходящих материалов электродов в соответствующих исследованиях, тем самым способствуя использованию этот инновационный генератор энергии.Учитывались как проводимость, так и стабильность металлических электродов, исследованных здесь.

Материалы и методы

Электроды экспериментальные

Исходя из цели данного исследования, были выбраны три различных материала с разной проводимостью и стабильностью, включая медь (Cu), алюминий (Al) и железо (Fe). Электропроводности Cu, Al и Fe различаются в порядке от Cu до Al и Fe для сильной и слабой проводимости. Удельное сопротивление трех материалов составляет примерно 1.-8 Ом · м (Fe). Реакционная способность также различна, варьируется в порядке от Cu к Fe и Al, от низкой до высокой. Значительно разные значения удельного сопротивления и реакционной способности металлов существуют для трех металлов. Все электроды были одинакового размера, диаметром 0,6 см и длиной 8 см. Для удобства сравнения были выбраны два дополнительных электрода (Al и Fe) того же размера. Однако эти два электрода были обработаны медным покрытием толщиной 10 мкм, что оказало незначительное влияние на размер электрода.Более того, искусственное повреждение (небольшая царапина) было нанесено на медное покрытие алюминиевого электрода с медным покрытием, которое использовалось в качестве контроля в эксперименте. Целью в этом случае было выяснить эффект медного покрытия.

Расположение электродов

Был выбран естественно выращенный, здоровый тополь ( Populus X canadensis Moench ) диаметром 46 см (на высоте 0,5 м, где располагались электроды), и пять электродов (стволовые электроды) были вставлены в его ствол на равномерное расстояние в порядке Al, Al, Cu, Fe и Fe с покрытием Cu (положение электрода не влияет на напряжение [2]), как показано на рис.Внутренний конец электрода имплантировался в ствол на глубину до 5 см, а внешний конец прикреплялся к проволоке. Еще пять электродов (заземляющие) были равномерно расположены в почве вокруг стоящего дерева в том же порядке. Заземляющие электроды вводились на глубину 80 см [18]. Линии, соединяющие любые два соседних электрода с центром ствола, имели угол 72 °. Земля вокруг дерева была плоской, а состав почвы поблизости был однородным.

Рис. 1. Расположение электродов.

(a) В туловище было вставлено пять разных электродов. Еще пять электродов были размещены в почве вокруг стоящего дерева. (b) В обоих наборах электроды были в порядке Al, Al, Cu, Fe с покрытием Cu и Fe с покрытием Cu. Линии, соединяющие любые два соседних электрода с центром ствола, имели угол 72 °.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g001

Измерения

Провод вводился от каждого основного электрода и соответствующего ему заземляющего электрода.Нагрузочный резистор был подключен к проводам между магистральным электродом и заземляющим электродом последовательно, так что через нагрузочный резистор образовалась цепь тока [11]. Напряжение на резисторе измерялось с помощью вольтметра с высоким входным сопротивлением (Keithley 2000).

Ранее было замечено, что электрическая активность деревьев сильно зависит от сезона, при этом более стабильные и когерентные колебания напряжения измеряются весной и летом [18]. Таким образом, ожидается, что генератор энергии на дереве будет работать весной и летом.Настоящее исследование проводилось летом (июнь-август 2014 г.). Каждое измерение проводилось в полдень.

Экспериментальный участок, расположенный в экспериментальном лесу Пекинского университета лесного хозяйства, для которого не требовалось специального разрешения. Полевые исследования не включали исчезающие или охраняемые виды.

Контактное сопротивление электрод-грунт

Чтобы установить влияние сопротивления электрод-грунт на внутреннее сопротивление источника питания, образованного стоящим деревом и окружающей его почвой, был проведен дополнительный эксперимент (первый дополнительный эксперимент).Этот эксперимент был предпринят, чтобы помочь объяснить влияние проводимости электрода на напряжение. Как показано на рис. 2, два дополнительных медных электрода были размещены в стволе на расстоянии 30 см, а два дополнительных медных электрода были размещены в почве на расстоянии 30 см.

Рис 2. Первый дополнительный эксперимент.

T1 и G1 обозначают исходный медный электрод в стволе и исходный медный электрод в почве соответственно. T2 и T3 — дополнительные медные электроды в стволе.G2 и G3 — дополнительные медные электроды в почве.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g002

T1 и G1 обозначают, соответственно, исходный медный электрод в стоящем дереве и исходный медный электрод в почве. T2 и T3 — дополнительные медные электроды в стволе. G2 и G3 — дополнительные медные электроды в почве. Каждое измерение напряжения между магистральными электродами и заземляющими электродами, зафиксированное с помощью нагрузочного резистора, регистрировалось как V _T1-G1 , V _T1-G2 , V _T1-G3 , V _T2-G1. , V _T2-G2 , V _T2-G3 , V _T3-G1 , V _T3-G2 и V _T3-G3 .После утрамбовки поверхности почвы в точках G1, G2 и G3 напряжения снова регистрировали.

Сопротивление контакта электрод-ствол

Для выяснения влияния контактного сопротивления между электродом и стволом на внутреннее сопротивление древовидного источника был проведен второй дополнительный эксперимент. Как показано на рис. 3, в ствол дерева были вставлены пять цилиндрических медных электродов (электродов для ствола) разного диаметра (0,5 см, 1,0 см, 1,5 см, 2,0 см и 2,5 см).Все электроды были имплантированы в туловище на одинаковую глубину (5 см). В результате электроды имели разные площади контакта со стволом. Другой медный электрод (заземляющий) располагался в почве. Измерялись напряжения между каждым основным электродом и заземляющим электродом.

Электроды с неметаллическими включениями

Был проведен дополнительный эксперимент по проверке характеристик электродов с неметаллическими включениями. Этот дополнительный эксперимент был похож на основной эксперимент.Однако четыре неметаллических материала были использованы в качестве включений в дополнительном эксперименте (рис. 4). Причем толщина покрытия составляла 25 мкм, что было больше, чем в первичном эксперименте.

Рис. 4. Дополнительный эксперимент.

(a) В туловище было вставлено пять разных электродов. Еще пять различных электродов были размещены в почве вокруг стоящего дерева. (b) Электроды были из пластика с медным покрытием, стекла с медным покрытием, дерева с медным покрытием и керамики с медным покрытием.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g004

Результаты

Первичный опыт

В ходе первичного эксперимента было получено тридцать три набора эффективных данных. Вариации напряжения показаны на рис. 5. Ось Y отображает измеренные напряжения, а ось X показывает серийный номер каждого набора данных, который меняется со временем. Напряжение, измеренное тремя металлическими электродами (Cu, Al и Fe), не показало какой-либо специфичности, за исключением различий в величине и амплитуде изменения.Электрод из алюминия продемонстрировал несколько иную тенденцию напряжения по сравнению с двумя другими металлами. Среди трех металлов (Cu, Al и Fe) медный электрод показал самое высокое измеренное напряжение, за ним следуют Al и Fe. Кривые для трех металлических электродов, то есть Cu, Al и Fe, все колебались, но показали общую тенденцию к снижению, и окончательная зарегистрированная точка в каждом случае была самой низкой. Для медного электрода последняя точка данных составила 848 мВ, что на 39 мВ меньше первой зарегистрированной точки (887 мВ).Для Al-электрода напряжение уменьшилось на 132 мВ. Для Fe-электрода напряжение уменьшилось на 43 мВ. Напряжение, измеренное на медном электроде, уменьшилось меньше всего, затем на Fe-электроде, тогда как на алюминиевом электроде зарегистрировано наибольшее снижение напряжения. Кривая напряжения, полученная для Fe-электрода с медным покрытием, была наиболее близка к кривой для Cu-электрода. Эти две кривые были почти идентичны, особенно в наборах данных до группы 22. Аналогичным образом, алюминиевый электрод с медным покрытием также продемонстрировал свойства, аналогичные свойствам медного электрода в первой точке данных.Однако его кривая напряжения затем приблизилась к кривой алюминиевого электрода.

Рис. 5. Вариации напряжения в основном эксперименте.

Пять кривых отображают изменения напряжения, измеренные с помощью пяти разных электродов. Все кривые показывают общую тенденцию к снижению. Наибольшее измеренное напряжение дает медный электрод, за ним следуют Al и Fe. Кривая, полученная для Fe-электрода с медным покрытием, наиболее близка к кривой для Cu-электрода. Кривая алюминиевого электрода с медным покрытием резко падает.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g005

Контактное сопротивление электрод-грунт

Результаты первого дополнительного эксперимента представлены на рис. 6. На рис. 6А показаны напряжения до утрамбовки почвы. Напряжения после утрамбовки представлены на рис. 6В. Между напряжениями на рис. 6А нет общих различий. Изменение напряжения не коррелировало со сдвигом положения электродов. На фиг. 6B каждое напряжение больше, чем напряжения, показанные на фиг. 6A.

Рис. 6. Напряжения, зарегистрированные в первом дополнительном эксперименте.

Каждое измерение напряжения между электродами в стволе дерева и окружающей почвой с использованием нагрузочного резистора регистрировалось как V _T1-G1 , V _T1-G2 , V _T1-G3 , V _{T2- G1} , V _T2-G2 , V _T2-G3 , V _T3-G1 , V _T3-G2 и V _T3-G3 . (а) Напряжение не коррелировало со сдвигом положения электродов.(б) Все напряжения увеличились после утрамбовки почвы.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g006

Сопротивление контакта электрод-ствол

Результат второго дополнительного эксперимента представлен на рис. 7. На этом рисунке показаны напряжения, измеренные магистральными электродами разного диаметра, которые менялись от 0,5 см до 2,5 см с шагом 0,5 см. Напряжение заметно возрастало с увеличением диаметра электрода. То есть измеренное напряжение увеличивалось с увеличением диаметра электрода (увеличивая площадь контакта со стволом дерева).

Электроды с неметаллическими включениями

Результат дополнительного эксперимента показан на рис. 8. Ось y отображает напряжения, а ось x показывает порядковый номер каждого набора данных, который меняется со временем. Все кривые на рис. 8 следуют одной и той же тенденции. Падение напряжения на электродах с медным покрытием было меньше, чем зарегистрированное в первичном эксперименте (рис. 5). Нет очевидной разницы в амплитуде между медным электродом и электродами с медным покрытием.Однако напряжения, измеренные на электродах с медным покрытием, были немного выше, чем на медном электроде.

Рис. 8. Вариации напряжения в дополнительном эксперименте.

Пять кривых отображают изменения напряжения, измеренные с помощью пяти разных электродов. Все кривые следуют одной и той же тенденции. Очевидной разницы в амплитуде кривых нет.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0136639.g008

Обсуждение

Электропроводность

Величины напряжений, измеренные с помощью трех разных электродов (Cu, Al и Fe) в первичном эксперименте, от большого к малому, были порядка от Cu к Al и Fe, что согласуется с проводимостью трех электродов. металлы (рис 5).Однако внутреннее сопротивление источника питания, образованного стоящим деревом и почвой, велико (не менее 17,9 кОм в настоящем исследовании). Электроды действуют как часть источника. Однако, поскольку каждый электрод имеет небольшое сопротивление, это не должно влиять на величину внутреннего сопротивления и измеряемое напряжение. Следовательно, разница в сопротивлении трех электродов не была непосредственной причиной разных напряжений. Чтобы раскрыть реальное явление, были проведены два дополнительных эксперимента (рис. 2 и 3).

В первом дополнительном эксперименте (рис. 2) расстояние между электродами было увеличено от положения T1 до положения T3 на стоящем дереве и от G1 до G3 в почве (рис. 2). Соответствующие данные (рис. 6А) показали, что изменение напряжения не коррелировало со сдвигом положения, указывая на то, что положение электрода не сильно влияет на внутреннее сопротивление древовидного источника. Следовательно, влияние стоящего дерева и почвы на внутреннее сопротивление незначительно.Однако, когда поверхность почвы в точках G1, G2 и G3 была утрамбована, все соответствующие напряжения увеличились как минимум на 50 мВ (рис. 6B). Аналогичным образом утрамбовывание поверхности почвы электродов из алюминия, железа, алюминия с медным покрытием и железа с медным покрытием также оказало аналогичное влияние на напряжение. Это открытие предполагает, что контактное сопротивление между электродом и почвой является основным компонентом внутреннего сопротивления источника питания на дереве. Во втором дополнительном эксперименте (рис. 3) более высокие напряжения были получены от электродов большего диаметра (рис. 7).То есть увеличение площади контакта между электродом и корпусом также увеличивало измеряемое напряжение. Это открытие предполагает, что контактное сопротивление между электродом и стволом дерева также является важной частью внутреннего сопротивления источника дерева. Величина этого контактного сопротивления может составлять тысячи Ом, учитывая высокий уровень внутреннего сопротивления, присутствующего в древовидном источнике (в диапазоне от 15,9 кОм до 21,1 кОм во втором дополнительном эксперименте). Таким образом, причиной разных напряжений между тремя электродами (Cu, Al и Fe, рис. 5) является разница в контактном сопротивлении контактных поверхностей электрод-грунт и электрод-корпус, а не разница только в сопротивлении электродов.То есть меньшее контактное сопротивление между электродом и почвой (или стволом) вызывало более высокие напряжения. Более того, при тех же условиях почвы и ствола металл с более высокой проводимостью также достиг меньшего контактного сопротивления с почвой и стволом. Таким образом, медный электрод (который имеет самую высокую проводимость) обеспечивает меньшее контактное сопротивление с почвой и стволом, чем алюминиевый электрод и железо-электрод, что приводит к наивысшему напряжению, полученному в первичном эксперименте (рис. 5).Внутреннее сопротивление дерева-источника также измерялось всеми тремя металлическими электродами (Cu, Al и Fe). Измеренные сопротивления составили 17,9 кОм (Cu), 105,7 кОм (Al) и 188,9 кОм (Fe). Величины сопротивлений, измеренные с помощью трех разных электродов (Cu, Al и Fe), от малого до большого, были Cu, Al и Fe, что соответствовало удельным сопротивлениям трех металлов. Более того, металл с самой высокой проводимостью (Cu) уменьшил внутреннее сопротивление (и сопротивление контакта) на десятки тысяч Ом.Этот результат показал, что металл с более высокой проводимостью достиг меньшего контактного сопротивления и меньшего внутреннего сопротивления древовидного источника. В этом случае влияние проводимости металла на напряжение в первую очередь определяется поверхностными металлическими материалами, находящимися в непосредственном контакте с почвой и стволом. Первичный эксперимент также продемонстрировал, что дешевые металлы, такие как Fe и Al, могут быть выбраны для включения путем покрытия более проводящего металла, такого как Cu. В качестве расширения этой концепции был проведен дополнительный эксперимент по проверке характеристик электродов с неметаллическими включениями (рис. 4).

В дополнительном эксперименте (рис. 4) величины напряжений, измеренные на электродах с неметаллическими включениями (пластик, стекло, дерево и керамика), были аналогичны таковым на медном электроде (рис. 8). Эти результаты показывают, что неметаллические материалы, такие как пластик, стекло, дерево и керамика, также могут быть хорошим выбором для конструкции электродов. Кроме того, когда Cu наносят на поверхность неметаллического материала, получаемая поверхность становится немного более шероховатой, чем когда Cu наносят на металл.Эта шероховатость поверхности может увеличить площадь контакта электрода с почвой. Поэтому в дополнительном эксперименте на электродах с медным покрытием были измерены более высокие напряжения.

Стабильность

Удельное сопротивление Al ближе к удельному сопротивлению Cu, чем Fe, но кривая напряжения, измеренная с помощью Al-электрода, была ближе к таковой для Fe-электрода (рис. 5). Этот результат был получен потому, что Al легче окисляется, образуя оксидный слой с высоким сопротивлением [25], который увеличивает контактное сопротивление между электродом и почвой (и стволом).В результате кривая напряжения, измеренная с помощью Al-электрода, была ближе к кривой для Fe-электрода. Кроме того, алюминиевый электрод демонстрировал значительную нестабильность на протяжении всего эксперимента, что также давало наиболее быстро убывающую кривую напряжения. Помимо окисления, Al также подвергается процессу самопассивации, при котором на его поверхности образуется плотное оксидное покрытие [26]. Это явление, вероятно, произошло в эксперименте, уменьшив площадь контакта между металлическим алюминием и почвой (и стволом).Напротив, металлы Cu и Fe устойчивы к пассивации в естественной или умеренно кислой почве и в условиях ствола деревьев, поэтому эти электроды давали относительно плоские соответствующие кривые. Fe может быстро окисляться во влажной среде; однако в этом эксперименте соответствующее снижение напряжения было немного больше, чем у Cu, но не таким значительным, как у Al. Причина этого в том, что на поверхности Fe-электрода не происходило пассивации. То есть, хотя на поверхности Fe образовалась большая окисленная область, оксид не образовал когерентного оксидного слоя.Следовательно, площадь контакта Fe-электрода с почвой (и стволом) или влажность почвы (и ствола) существенно не уменьшились. Кроме того, из-за специфической природы Al-электрода, как обсуждалось, его соответствующая кривая напряжения отличалась от кривых для электродов Fe и Cu. Например, наборы данных с 17 по 19 (рис. 5) для электродов из Cu и Fe отображают медленно возрастающие напряжения, тогда как соответствующая кривая для электрода из алюминия непрерывно уменьшается. Эти результаты предполагают, что в течение такого периода факторы, связанные либо с окружающей средой, либо со стволом стоящего дерева, вызвали повышение напряжения, в то время как пассивация алюминиевого электрода сильно повлияла на полученное в конечном итоге напряжение.Таким образом, стабильность материала электрода не оказывает существенного влияния на напряжение. Однако пассивация электродного материала может значительно снизить получаемое напряжение.

Медное покрытие

Было измерено более высокое напряжение для электродов из алюминия и железа с медным покрытием по сравнению с электродами из алюминия и железа без покрытия. Когда было записано первое измерение (рис. 5), каждый электрод находился в исходном состоянии, так что разница в измеренном напряжении определялась проводимостью каждого электрода.Измеренные напряжения, зарегистрированные для Cu, алюминия с медным покрытием и Fe с медным покрытием, были почти идентичными, что указывает на то, что медное покрытие на электродах из алюминия и железа придает этим сложным электродам почти те же характеристики, что и медный электрод. Легко понять, что после покрытия медью электроды из алюминия и железа приобрели поверхностное и контактное сопротивление с почвой и стволом, аналогичное таковым у медного электрода. Однако, как показал первый набор данных, алюминиевый электрод с медным покрытием имел меньшее напряжение, потому что покрытие было искусственно повреждено перед экспериментом.Поскольку степень повреждения была ограничена, напряжение на этом электроде не сильно отличалось от напряжения медного электрода или Fe-электрода с медным покрытием. Однако по прошествии времени кривая напряжения алюминиевого электрода с медным покрытием значительно уменьшилась и в конечном итоге слилась с соответствующей кривой алюминиевого электрода. Напротив, Fe-электрод с медным покрытием показал небольшое снижение напряжения до набора данных 11. Эти результаты предполагают, что в такой влажной почве и среде ствола небольшое повреждение медного покрытия алюминиевого электрода с медным покрытием до эксперимента привело к быстрое ухудшение качества покрытия.После записи наборов данных 11 и 22 кривая напряжения на медном электроде значительно уменьшилась, что свидетельствует о окислении меди. Признаки окисления также имели место на медных покрытиях алюминиевых и Fe-электродах с медным покрытием. Кроме того, разрушение медных покрытий на электродах из алюминия с медным покрытием и Fe с медным покрытием изменило материал, открытый на поверхности электрода. Следовательно, кривые напряжения алюминиевых электродов с медным покрытием и Fe-электродов с медным покрытием показали более существенное снижение, особенно у алюминиевого электрода с медным покрытием, который был искусственно поврежден до эксперимента.Неудивительно, что напряжение увеличивалось при использовании электродов из алюминия и железа с медным покрытием. Однако слой медного покрытия толщиной 10 мкм не может поддерживать рабочие характеристики электрода в течение длительного периода. Основываясь на этих результатах, можно было бы увеличить толщину покрытия, что продемонстрировано в дополнительном эксперименте.

Выводы

Реакционная способность металла электрода не оказывает значительного влияния на напряжение между стоящим деревом и окружающей почвой.Однако пассивация электродных материалов заметно снижает напряжение. Электропроводность металлического электрода влияет на контактное сопротивление контактных поверхностей электрод-грунт и электрод-ствол, что существенно влияет на уровень напряжения. Металл с более высокой проводимостью приводит к меньшему контактному сопротивлению, а также к более высокому уровню напряжения. Следовательно, влияние проводимости металла на напряжение в первую очередь определяется поверхностными металлическими материалами, находящимися в непосредственном контакте с почвой и стволом.Предполагается, что дешевые металлы, такие как Fe и Al, могут быть выбраны для включения в металлическое покрытие (с лучшей проводимостью), что, скорее всего, обеспечит хорошую эффективность, стабильность и экономичность. Более того, показано, что дешевые неметаллические материалы, такие как пластик, стекло, дерево и керамика, также являются хорошим выбором для включения. Кроме того, необходимо увеличить толщину покрытия, чтобы получить более высокую стабильность и надежность.

Благодарности

Мы благодарим Чао Фэна и Чонгсинь Чена за их помощь в полевых исследованиях.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: ZH GW WL JZ JK. Проведены эксперименты: ZH GW WL JZ JK. Проанализированы данные: ZH GW WL JZ JK. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты для анализа: ZH GW WL JZ JK. Написал статью: ZH GW WL JZ JK.

Список литературы

1. 1. Ямагути Т., Хашимото С. Зеленая батарея от горшечной энергии. IEEJ T Electr Electr. 2012; 7: 441–442.
2. 2. Лав CJ, Чжан С.Г., Мершин А. Источник устойчивой разницы в напряжении между ксилемой комнатного фикуса Benjamina и его почвой.PLOS ONE. 2008; 3: e2963. pmid: 18698415
3. 3. Парадизо Дж. А., Старнер Т. Поглощение энергии для мобильной и беспроводной электроники. IEEE Pervas Comput. 2005; 4: 18–27.
4. 4. Саадон С., Сидек О. Обзор основанных на вибрации MEMS пьезоэлектрических сборщиков энергии. Energ Convers Manage. 2011; 52: 500–504.
5. 5. Судзуки К., Фукуда Т., Ляо Ю.Дж. Электрораспыление водного раствора триоксида молибдена и его применение в органических фотоэлектрических элементах. PLOS ONE.2014; 9: e106012. pmid: 25148047
6. 6. Родригес-Баррейро Р., Абендрот С., Виланова С., Мойя А., Поркар М. К микробной термоэлектрической ячейке. PLOS ONE. 2013; 8: e56358. pmid: 23468862
7. 7. Dincer I, Acar C. Обзор решений в области экологически чистой энергии для повышения устойчивости. Int J Energ Res. 2015; 39: 585–606.
8. 8. Ремели М.Ф., Тан Л., Дате А., Сингх Б., Акбарзаде А. Одновременное производство электроэнергии и рекуперация тепла с использованием системы термоэлектрического генератора с тепловой трубкой.Energ Convers Manage. 2015; 91: 110–119.
9. 9. Арутчелви М, Даниэль С.А. Композитный контроллер для гибридной электростанции на базе ветроиндукционного генератора с фотоэлектрической батареей и аккумулятором. Int J Energ Res. 2007. 31: 515–524.
10. 10. Гош С., Ван Х. Т., Леон-Салас В. Д.. Схема для сбора энергии с использованием солнечных элементов на кристалле. IEEE T Power Electr. 2014; 29: 4658–4671.
11. 11. Хаймс К., Карлсон Э., Риккиути Р.Дж., Отис Б.П., Парвиз Б.А. Наноэлектроника сверхнизкого напряжения питается напрямую и исключительно от дерева.IEEE T Nanotechnol. 2010; 9: 2–5.
12. 12. Хаймс К., Карлсон Э., Риччиути Р.Дж., Тейлор Д.В., Отис Б., Парвиз Б.А. Использование установок для непосредственного питания наноэлектронных схем. Восприятие нанотехнологий. 2010; 6: 29–40.
13. 13. Лабадий А., Томас Д., Швецова Т., Волков А.Г. Биоэлектрохимия растений: влияние CCCP на передачу электрических сигналов в сое. Биоэлектрохимия. 2002; 57: 47–53. pmid: 12049756
14. 14. Лотнер С., Грэмс Т.Э., Матиссек Р., Фромм Дж.Характеристики электрических сигналов тополя и реакции при фотосинтезе. Plant Physiol. 2005. 138: 2200–2209. pmid: 16040648
15. 15. Фромм Дж., Лотнер С. Электрические сигналы и их физиологическое значение для растений. Plant Cell Environ. 2006. 30: 249–257.
16. 16. Гурович Л.А., Эрмосилла П. Электрическая сигнализация фруктовых деревьев в ответ на полив и условия свет-темнота. J. Plant Physiol. 2009. 166: 290–300. pmid: 18760501
17. 17.Волков А.Г., Вильфранк К.Л., Мерфи В.А., Митчелл С.М., Волкова М.И., О’Нил Л. и др. Электротонический потенциал и потенциал действия в венерианской мухоловке. Журнал Физиология растений 2013; 170: 838–846. pmid: 23422156
18. 18. Жибер Д., Ле Муэль Дж. Л., Лэмбс Л., Николлин Ф., Перье Ф. Соковыжималка и суточные колебания электрического потенциала в стволе дерева. Plant Sci. 2006; 171: 572–584.
19. 19. Мора П., Ле Муэль Дж. Л., Гранье А. Электрический потенциал на дереве. CR Acad Sci. 1994; 317: 98–101.
20. 20. Коппан А., Сарка Л., Вестергом В. Временные изменения электрического сигнала, записанного на стоящем дереве. Acta Geod Geophy Hu. 1999; 34: 169–180.
21. 21. Коппан А., Сарка Л., Вестергом В. Годовые колебания амплитуд суточных колебаний электрических сигналов, измеренных в стволе стоящего дерева. CR Acad Sci. 2000. 323: 559–563.
22. 22. Коппан А., Фенивеси А., Шарка Л., Вестергом В. Измерение разности электрических потенциалов на деревьях.Acta Biologica Szegediensis. 2002; 46: 37–38.
23. 23. Хао З.Б., Ли В.Б., Кан Дж. М., Цзян Л. Ю., Фэн С. Биоэлектричество в стоящих деревьях — потенциальная энергия для беспроводных сенсорных сетей. Телкомник. 2013; 11: 4841–4846.
24. 24. Ли XW, Gao L, Li WB, Yu WY. Изучение транскорневого потенциала живых деревьев. Журнал информационных и вычислительных наук. 2013; 10: 6131–6138.
25. 25. Bartzsch H, Glöß D, Böcher B, Frach P, Goedicke K. Свойства пленок SiO2 и Al2O3 для электроизоляционных применений, нанесенных реактивным импульсным магнетронным распылением.Технология поверхностей и покрытий. 2003. 174: 774–778.
26. 26. Шеффер М., Гройсман А., Мандлер Д. Электроосаждение золь-гелевых пленок на Al для защиты от коррозии. Corros Sci. 2003. 45: 2893–2904.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или уточнить у системного администратора.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Заземление в сравнении с соединением — Понимание различий в электрических системах здания

Автор Том Келли

Опыт включает:

• • Отказы электрического оборудования
  • Несчастные случаи с поражением электрическим током
  • Пожары и взрывы
  • Проектирование высокоэнергетического лазера
  • Промышленные электрические аварии
  • Анализ удара молнии
  • Робототехника и автоматизация
  • Объем повреждений — оценка ремонта

Хотя подросток может быть хорошо знаком с термином «заземление», существует путаница в отношении значения этого слова в электрическом смысле.В строительных электрических системах «заземление» и «соединение» — это два термина, которые часто понимают неправильно. Неправильное применение концепций заземления и соединения может создать опасность смертельного шока и пожара. «Заземление» — термин, пришедший из Европейского международного электротехнического комитета (МЭК). Заземление является синонимом заземления, но часто считается, что оно имеет другое значение.

Национальный электротехнический кодекс (NEC) — это стандарт, регулирующий электрические установки в США.Этот стандарт пересматривается каждые три года с целью включения новых технологий и передового опыта для повышения безопасности электрических систем и установок. Статья 250 NEC, в настоящее время озаглавленная «Заземление и соединение», содержит требования для обеспечения постоянного низкоомного «эффективного пути тока замыкания на землю». Правильно установленный, этот путь заземления является одним из способов облегчения работы устройства защиты от перегрузки по току (OCPD), такого как предохранитель, автоматический выключатель или прерыватель цепи замыкания на землю (GFCI), когда происходит замыкание на землю.В 2005 году эта статья претерпела серьезное обновление. В предыдущих выпусках статья называлась просто «Заземление».

Символ заземления

Проще говоря, заземление — это соединение электрической системы с землей, чтобы обеспечить путь для рассеивания скачков напряжения от молнии и подобных событий. Крепление к земле, выполненное электродом, вбитым в землю, подключается к определенной точке в электрической системе в зависимости от источника электроэнергии. Эта единственная точка становится заземлением для остальных ответвленных цепей в установке.

Заземляющий стержень установлен в земле с помощью зажима.

Соединение — это соединение электропроводящих материалов и другого оборудования по всей электрической системе, чтобы обеспечить ту же точку отсчета для заземления системы. Соединение должно быть выполнено таким образом, чтобы обеспечить путь для тока короткого замыкания, если проводник под напряжением касается поверхности непреднамеренным образом. Такая неисправность будет устранена OCPD из-за пути, который создает связь с землей.Соответствующие сечения заземляющих проводов определены в таблицах NEC.

Добавление других заземляющих электродов к электрической установке не обязательно делает систему более безопасной. Хотя эти электроды обеспечивают дополнительные пути для рассеивания высокой энергии, скачков высокого напряжения, таких как молния, они создают искусственные ориентиры. Без надлежащего подключения дополнительных электродов к контрольной точке заземления системы могут возникнуть потенциально опасные разности потенциалов между различными электродами в системе.При низких напряжениях, ниже 600 вольт, сопротивление земли между этими электродами может изменяться в зависимости от условий почвы от нескольких Ом до нескольких сотен Ом.

Электрическая панель, показывающая заземление и нейтраль.

NEC охватывает ряд специальных электрических установок, перечисленных в дополнительных статьях. Например, участки с домашним скотом, чувствительные к паразитным электрическим полям, дополнительно определены в статье 547 NEC. Пристани для яхт и верфи имеют требования, выходящие за рамки статьи 250, по обеспечению безопасности, учитывая близость электрических сетей к воде и плавсредству, привязанному к конструкции дока.В таблице 250.3 перечислены дополнительные требования к заземлению для различных приложений.

Каждая установка электрической системы уникальна и требует тщательной оценки соответствующих статей NEC для обеспечения соответствия действующим стандартам. Изменения и дополнения к электрической системе необходимо оценивать на соответствие. Сокращения, сделанные во время модификаций, могут поставить под угрозу производительность и безопасность исходной системы в том виде, в котором она была разработана.

Том Келли имеет степень бакалавра наук в области электротехники и степень магистра электротехники в Атлантическом университете Флориды, Бока-Ратон, Флорида, а также степень магистра делового администрирования с акцентом на стратегическое лидерство в Университете Уинтроп, Рок-Хилл, Юг. Каролина.25-летняя карьера Тома в области электротехники включает судебно-технические исследования, связанные с промышленными электрическими авариями, анализ отказов электрического оборудования, отказы систем управления, робототехнику и компоненты автоматизации, а также объем оценок ущерба. Он проводил расследования пожаров, вспышек дуги, поражения электрическим током и несчастных случаев, а также оценивал удары молнии.

Farming — Использование искусственного интеллекта способствует росту числа сельскохозяйственных роботов | Наука и технологии

S НИЗКОЕ, НО конечно, паучья машина размером с тележку для гольфа размахивает электродом над лотком с растениями.Каждые несколько секунд появляется небольшой клуб дыма, когда сорняк опрокидывается, будучи пораженным высоким напряжением. Устройство, выполняющее стрельбу, представляет собой прототип робота-прополочного робота, разработанный Small Robot Company, новой фирмой, работающей на базе старого склада боеприпасов недалеко от Солсбери на юго-западе Великобритании.

Послушайте эту историю

Ваш браузер не поддерживает элемент

Больше аудио и подкастов на iOS или Android.

Такие машины, называемые «агриботами», появляются во многих формах и размерах от множества компаний.Мутные следы от других прототипов ведут в мастерскую Small Robot Company, где ряд из 3 принтеров D изготавливает ярко-оранжевые детали из пластика. Это облегчает поиск деталей, если они упадут в поле, что является верным признаком того, что фермеры работают здесь с робототехниками и учеными.

Борьба с сорняками необходима для повышения урожайности, но становится все труднее. Некоторые сорняки становятся устойчивыми к гербицидам, которые подлежат более строгому регулированию, а в некоторых случаях запрещены.Кроме того, многие потребители хотят экологически чистые продукты. А нехватка рабочей силы означает, что многократная обработка почвы для предотвращения роста сорняков с помощью механической мотыги, буксируемой за трактором, является дорогостоящей, трудоемкой и не всегда практичной.

Прополка — это рутинная работа, которую большинство фермеров с радостью передало бы роботам. Но для того, чтобы робот правильно выполнял свою работу, он должен уметь отличать сорняк от того, что выращивают. Это становится легче с развитием компьютерного зрения. Алгоритмы искусственного интеллекта ( AI ) становятся все лучше при классификации изображений.Некоторые телефонные приложения теперь могут идентифицировать растение по фотографии. Роботы, оснащенные камерами, будут не только пропалывать, но и автоматизировать другие сельскохозяйственные работы. По данным американской исследовательской компании MarketsandMarkets, агриботы, тракторы без водителя и другие виды автоматизации ферм образуют отрасль, которая, как ожидается, будет расти примерно на 23% в год и к 2025 году будет стоить более 20 млрд долларов.

Заметив сорняк, есть несколько способов его убить. Агробот компании Small Robot Company по имени Дик убивает их электрическим током.Колеса робота работают как электрод, контактируя с землей, в то время как другой электрод перемещается, чтобы коснуться растения. Это делает контур через растение и создает тепло, эффективно кипятя клетки растения и мгновенно убивая их от стебля к корням. Может потребоваться несколько тысяч вольт, хотя это регулируется в зависимости от типа травки. Затем остатки растения можно оставить для естественного разложения в почву.

Shocking

Дик будет работать с двумя другими агриботами, Томом и Гарри, все они имеют электрический привод.Идея, — говорит Бен Скотт-Робинсон, один из соучредителей компании, — заключается в том, что Том будет регулярно сканировать поля до уровня детализации всего несколько сантиметров. Используя камеры и другие датчики, веретенообразная полноприводная машина может обрабатывать около 20 гектаров в день, отображая состояние каждого растения и состояние почвы. Когда появятся сорняки, Дика отправят их уничтожить. Гарри, третий агробот, находится в стадии разработки для таких задач, как посев и внесение точных доз удобрений на каждое растение, процесс, известный как микродозирование.

Tom поступит в промышленное производство в августе. Ранние версии уже используются на некоторых фермах в Великобритании, в том числе в Leckford Estate, которым управляет крупная сеть супермаркетов. Испытания Дика начнутся позже в этом году. Том уже научился определять широколиственные сорняки и обучается более сложному искусству распознавания злаковых сорняков, которые похожи на злаки. В отличие от многих овощей, злаки более густо выращиваются в рядах, что затрудняет механическое рыхление сорняков.Вооружившись алгоритмами Тома, Дик должен уметь точно убирать сорняки с злаков.

Компания будет предлагать своих роботов в качестве услуги. Том будет жить в питомнике на ферме, где он будет загружать данные для фермера и подзаряжаться. Дика и Гарри будут доставлять на фермы по мере необходимости, так же как фермеры уже привлекают подрядчиков. Эта бизнес-модель, как считает г-н Скотт-Робинсон, продемонстрирует фермерам, что стоимость использования агроботов будет конкурентоспособной по сравнению с другими мерами борьбы с сорняками и обеспечит дополнительные преимущества, такие как отсутствие химикатов.

Система запирания Дика поставляется RootWave, другой небольшой британской компанией, базирующейся недалеко от Лимингтон-Спа. RootWave, которая называет этот процесс «электролизом», уже производит ручную версию для точечной прополки. По словам Эндрю Дипроуза, начальника фирмы, «Электроцид не нарушает почву и не вредит микробам». Что касается безопасности, агриботы, как и вся сельскохозяйственная техника, должны обслуживаться обученными операторами. Встроенные функции безопасности, такие как датчики, которые обнаруживают приближающегося человека или животное и выключают робота, снизят риски.

RootWave работает с другими компаниями, заинтересованными в электромонтажных работах. В их числе Steketee, голландский производитель сельскохозяйственного оборудования. Его тягачи, буксируемые трактором, уже оснащены компьютерным зрением. Steketee оснащает одну машину камерами, которые обнаруживают хорошо расположенные посевы, такие как овощи, а затем перемещают лущильные ножи внутрь и наружу, чтобы пропалывать сорняки не только вдоль рядов, но и между отдельными растениями.

Агриботы также могут окучивать. Себастьян Бойер, эксперт AI , который работал в IBM и Facebook, в 2016 году стал соучредителем компании FarmWise, расположенной в Сан-Франциско, для разработки сельскохозяйственных роботов.После полевых испытаний компания собирается запустить свой первый агробот под названием Titan. Он может автономно перемещаться по полю с овощами, таким как салат, брокколи и цветная капуста, идентифицируя отдельные растения и их местоположение. По мере движения Titan развертывает серию вращающихся лопастей, которые автоматически настраиваются для врезания в почву на соответствующей глубине, чтобы уничтожить любые сорняки. В будущих версиях будут выполняться другие задачи, такие как посев и микродозирование удобрений и обработка насекомых непосредственно на отдельные растения.«Это индивидуальный уход за растениями», — говорит г-н Бойер.

Автономным агроботам придется конкурировать с системами, буксируемыми интеллектуальными тракторами. Большинство современных тракторов и зерноуборочных комбайнов могут перемещаться по полям с помощью спутникового позиционирования и других датчиков. Некоторые тракторы используют цифровые карты посевов, полученные со спутников и дронов, чтобы выделить места, требующие удобрений или пестицидов. Крупные производители тракторов, такие как John Deere и CNH Industrial, производящая машины Case и New Holland (крупнейший акционер которой владеет акциями The Economist Group), разрабатывают полностью автономные тракторы.

Когда химикаты требуются для сельскохозяйственных культур, как тракторно-буксируемые системы, так и агроботы могут применять микродозы к отдельным растениям, которым они необходимы, вместо того, чтобы обрабатывать все поле. Некоторые исследования показали, что микродозирование может снизить количество гербицида, распыляемого на урожай, на 90% или более. BASF , немецкий химический гигант, работает с Bosch, немецкой инженерной фирмой, над системой опрыскивания, которая идентифицирует растения, а затем применяет гербициды именно таким целевым образом.

Развитию уборочных агроботов также способствует A I . Эти машины, как правило, бывают разных форм и размеров и используют множество систем, специально предназначенных для сбора отдельных культур, таких как помидоры, спаржа и салат. Это говорит о том, что агриботы, которые пропалывают растения и ухаживают за ними, будут развиваться аналогичным образом, их форма будет зависеть от рассматриваемой культуры и ее местоположения, которым может быть поле, виноградник или фруктовый сад. Некоторые из них могут быть умными машинами, буксируемыми полностью автономными тракторами, в то время как в других случаях будут задействованы стаи небольших агроботов.Одно можно сказать наверняка: фермеры не потратят ни копейки ни на одну из них, если они не докажут, что они справляются со своей задачей. ■

Эта статья появилась в разделе «Наука и технологии» печатного издания под заголовком «Фермерство с Томом». , Дик и Гарри «

Провода превращают соленую воду в пресную

(а) Семь пар графитовых стержней / проволоки погружают в солоноватую воду. (б) Между анодным и катодным проводами через медные полоски прикладывается разность электрического напряжения, в результате чего электроды адсорбируют ионы соли.(c) Изображение сборки мембрана-электрод с помощью сканирующей электронной микроскопии. Изображение предоставлено: С. Порада и др. © Американское химическое общество, 2012 г.

(Phys.org) — Поскольку рост населения планеты и повышение уровня жизни стимулируют спрос на пресную воду, многие исследователи разрабатывают новые методы опреснения соленой воды. Среди них команда ученых из Нидерландов, которые показали, как преобразовать солоноватую (умеренно соленую) воду в питьевую пресную воду, используя всего пару проводов и небольшое напряжение, которое может генерировать небольшой солнечный элемент.Простой метод может быть более энергоэффективным, чем другие методы, из-за минимального смешивания обработанной и необработанной воды.

Исследователи под руководством Маартена Биешевеля из Университета Вагенингена в Вагенингене, Нидерланды, и Ветсуса из Центра передовых технологий в области устойчивых технологий водоснабжения в Леувардене, Нидерланды, опубликовали свое исследование опреснения воды с помощью проводов в недавнем выпуске The Письма в Журнал физической химии .

Как объясняют исследователи в своем исследовании, есть два основных способа опреснения соленой воды. Один из способов — удалить молекулы чистой воды из соленой воды, как это делается при дистилляции и обратном осмосе, особенно для воды с высокой концентрацией соли. Противоположный подход заключается в удалении ионов соли из соленой воды для получения пресной воды, что осуществляется методами деионизации и опреснения с использованием, среди прочего, батарей и микробных клеток.

Здесь ученые использовали второй подход, в котором они удалили положительно заряженные ионы натрия и отрицательно заряженные ионы хлора из солоноватой воды для получения пресной воды.Для этого они разработали устройство, состоящее из двух тонких графитовых стержней или проволок, которые недороги и обладают высокой проводимостью. Затем они покрыли внешнюю поверхность проводов слоем пористого углеродного электрода, так что одна проволока могла действовать как катод, а другая — как анод. Провода зажимались на небольшом расстоянии друг от друга в пластиковом держателе, причем каждый провод прижимался к медной полоске.

Чтобы активировать электроды, исследователи окунули семь наборов пар проводов в контейнер с солоноватой водой и пропустили электрические провода от медных полосок к внешнему источнику питания.При приложении небольшой разности напряжений (1-2 вольта) между двумя графитовыми проволоками каждой пары проводов одна проволока стала катодом и адсорбировала положительно заряженные катионы натрия, а другая проволока стала анодом и адсорбировала отрицательно заряженные анионы хлора из соленая вода.

(а) Множественные пары пористых электродных проволок адсорбируют ионы соли под действием приложенного напряжения. (b) Пористый электрод временно накапливает ионы, когда устройство переносится к резервуару с рассолом.(c) После короткого замыкания ячеек соль выделяется в контейнере с рассолом, а провода переносятся обратно в контейнер с пресной водой. Изображение предоставлено: С. Порада и др. © Американское химическое общество, 2012 г.

Ионы временно хранятся внутри нанопор покрытия углеродного электрода до тех пор, пока пара проводов не будет вручную извлечена из однократно обработанного раствора и погружена в другой контейнер со сточной водой или рассолом. Затем исследователи сняли напряжение, из-за которого электроды выбрасывали накопленные ионы в сточную воду, увеличивая ее соленость.Повторив этот цикл восемь раз, исследователи измерили, что концентрация соли в исходной солоноватой воде, 20 мМ (миллимоляры), снижается примерно до 7 мМ. Считается, что питьевая вода имеет соленость менее 15 мМ. Как объяснил Биешевель, это улучшение может быть полезно для приложений, связанных с обработкой умеренно соленой воды.

«Новый метод не очень подходит для очень соленой воды, так как он основан на удалении соли и уменьшении солености оставшейся воды», — сказал Бишевел в интервью Phys.org , объясняя, что дистилляция и обратный осмос по-прежнему лучше подходят для опреснения морской воды (соленость 500 мМ и выше). «Новый метод больше подходит, например, для грунтовых вод или воды для бытовых нужд, которую необходимо обрабатывать, чтобы удалить так называемые« ионы жесткости »и сделать ее менее соленой. Эти водные потоки изначально менее соленые, скажем, от 100 до 30 мМ. Или этот новый подход может быть использован для обработки воды в промышленности для удаления ионов (солей), которые медленно накапливаются в процессе.Таким образом, больше нет необходимости забирать пресную воду и / или сбрасывать использованную воду (с большим финансовым штрафом) ».

Одним из самых больших преимуществ метода является то, что он позволяет избежать непреднамеренного смешивания рассола с обрабатываемой водой во время процесса, что ограничивает эффективность других методов деионизации. Используя переносное устройство с проводом и производя пресную воду непрерывным потоком, исследователи смогли разделить два типа воды в отдельные емкости, чтобы избежать смешивания.Лишь минимальное количество рассола, около 0,26 мл на электрод, переносится между контейнерами, что ограничивает степень опреснения, но в меньшей степени, чем другие методы. Еще одно преимущество нового метода состоит в том, что он может быть менее дорогостоящим, чем другие методы опреснения.

«Этот метод можно сделать очень недорогим, достаточно просто углеродных стержней или проволоки для проведения электронов, на которые вы можете просто« нарисовать »суспензию активированного угля, которая становится пористым углеродным электродом», — сказал Бишёвел.«Из-за своей простоты и низкой стоимости он может превосходить современные технологии для определенных приложений, а также может иметь преимущества по сравнению с технологией, называемой емкостной деионизацией (CDI или cap-DI), которая не подлежит разработке. стадии и коммерчески доступны. Кроме того, требуется низкое напряжение, всего 1,2 В, например, и постоянный ток, идеально совместимый с солнечными батареями. Таким образом, его можно использовать в автономных или удаленных местах ».

Кроме того, Бишёвел пояснил, что пары проводов можно использовать многократно без ухудшения характеристик, что может продлить срок службы устройства.

«В емкостных технологиях, где пористые углеродные электроды используются для захвата ионов и их повторного высвобождения (в так называемых« двойных электрических слоях »или EDL, образующихся в очень маленьких порах внутри углерода), это хорошо известно. что цикл можно использовать тысячи или десятки тысяч раз (пока экспериментатор не устанет) без какого-либо заметного спада », — сказал он. «Что касается проводов, мы повторили всего шесть раз и, как и ожидалось, не обнаружили никаких изменений. Это контрастирует с методами аккумуляторного типа, будь то накопление энергии или опреснение, где можно было бы ожидать потери производительности (например, аккумуляторные батареи, которые можно заряжать только, скажем, 100 раз).Это потому, что в этих методах происходит настоящая химия, фазовые переходы, изменение микроморфологии материалов анода / катода. Здесь, в технологии проволочного опреснения, ничего подобного, EDL — это чисто физическое явление, когда ионы накапливаются рядом с заряженным углеродом в нанопорах под действием приложенного напряжения, а затем снова высвобождаются ».

Исследователи также обнаружили, что эффективность можно повысить, добавив на электроды второе мембранное покрытие.Например, катионная мембрана на катодной проволоке имеет высокую селективность по отношению к катионам натрия, блокируя десорбцию анионов хлора изнутри области электрода. В результате катионные (а на анодной проволоке анионные) мембраны могут позволить электродам адсорбировать и удалять больше ионов, чем раньше.

В будущем исследователи планируют провести дополнительные эксперименты с использованием катионных и анионных мембран. Они предсказывают, что эти улучшения могут увеличить коэффициент опреснения с 3 до 4 после восьми циклов, при этом 80% воды будет извлечено (т.е. 20% исходной воды становится рассолом). Исследователи также хотят использовать эту технику для обработки больших объемов воды, что, по их словам, можно сделать, используя несколько пар проводов параллельно, чтобы ускорить процесс опреснения.

«Эти исследования продолжаются расширением технологии (тестирование больших массивов проводов), их более плотной упаковкой и попыткой автоматизации, чтобы стержни автоматически поднимались из одного потока воды в другой», — сказал Бишевел. «Мы также хотим протестировать« настоящие »грунтовые / поверхностные воды, а не только искусственные простые солевые смеси, как сейчас проходят испытания.”

---

От морской воды к пресной с помощью нанотехнологического фильтра

---

Доп. Информация: С. Порада и др. «Опреснение воды с помощью проводов». Журнал физической химии Письма . DOI: 10.1021 / jz3005514

Авторские права 2012 Phys.org
Все права защищены. Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать или распространять полностью или частично без письменного разрешения PhysOrg.com.

Ссылка : Провода превращают соленую воду в пресную (8 июня 2012 г.) получено 21 февраля 2021 г. с https: // физ.org / news / 2012-06-wire-salt-freshwater.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Процесс может работать с газом любой концентрации, от выбросов электростанции до открытого воздуха — ScienceDaily

Новый способ удаления углекислого газа из потока воздуха может стать важным инструментом в борьбе с изменением климата.Новая система может работать с газом практически при любом уровне концентрации, вплоть до примерно 400 частей на миллион, которые в настоящее время обнаруживаются в атмосфере.

Большинство методов удаления диоксида углерода из потока газа требуют более высоких концентраций, таких как те, которые обнаруживаются в выбросах дымовых газов электростанций, работающих на ископаемом топливе. Было разработано несколько вариантов, которые могут работать с низкими концентрациями, обнаруженными в воздухе, но новый метод значительно менее энергоемкий и дорогой, говорят исследователи.

Методика, основанная на пропускании воздуха через стопку заряженных электрохимических пластин, описана в новой статье в журнале Energy and Environmental Science постдоком Массачусетского технологического института Саагом Воскяном, который разработал эту работу во время своей докторской диссертации, и Т. Аланом. Хаттон, профессор химической инженерии Ральфа Ландау.

Устройство представляет собой большую специализированную батарею, которая поглощает углекислый газ из воздуха (или другого газового потока), проходящего через его электроды во время зарядки, а затем выделяет газ во время разряда.В процессе работы устройство будет просто чередоваться между зарядкой и разрядкой, при этом свежий воздух или подаваемый газ будет продуваться через систему во время цикла зарядки, а затем чистый концентрированный диоксид углерода выдувается во время разрядки.

По мере зарядки аккумулятора на поверхности каждого пакета электродов происходит электрохимическая реакция. Они покрыты составом под названием полиантрахинон, который состоит из углеродных нанотрубок. Электроды обладают естественным сродством к диоксиду углерода и легко реагируют с его молекулами в воздушном потоке или подаваемом газе, даже если он присутствует в очень низких концентрациях.Обратная реакция происходит, когда батарея разряжается — во время которой устройство может обеспечить часть энергии, необходимой для всей системы, — и в процессе выбрасывает поток чистого диоксида углерода. Вся система работает при комнатной температуре и нормальном давлении воздуха.

«Самым большим преимуществом этой технологии по сравнению с большинством других технологий улавливания или поглощения углерода является бинарная природа сродства адсорбента к диоксиду углерода», — поясняет Воскиан. Другими словами, электродный материал по своей природе «имеет либо высокое сродство, либо полное отсутствие сродства», в зависимости от состояния заряда или разряда батареи.Другие реакции, используемые для улавливания углерода, требуют промежуточных этапов химической обработки или ввода значительной энергии, такой как тепло или перепад давления.

«Это бинарное сродство позволяет улавливать углекислый газ любой концентрации, включая 400 частей на миллион, и позволяет его выпускать в любой поток-носитель, включая 100-процентный CO2», — говорит Воскиан. То есть, когда любой газ проходит через стопку этих плоских электрохимических ячеек, во время стадии высвобождения захваченный диоксид углерода будет уноситься вместе с ним.Например, если желаемым конечным продуктом является чистый диоксид углерода, который будет использоваться при газировании напитков, то поток чистого газа можно продуть через пластины. Уловленный газ затем выходит из пластин и присоединяется к потоку.

На некоторых заводах по розливу безалкогольных напитков ископаемое топливо сжигается для выработки углекислого газа, необходимого для того, чтобы напитки стали шипеть. Точно так же некоторые фермеры сжигают природный газ для производства углекислого газа, чтобы кормить свои растения в теплицах. Новая система могла бы устранить потребность в ископаемом топливе в этих приложениях и в процессе фактически удалить парниковый газ прямо из воздуха, говорит Воскиан.В качестве альтернативы поток чистого диоксида углерода может быть сжат и закачан под землю для долгосрочного удаления или даже превращен в топливо с помощью ряда химических и электрохимических процессов.

Процесс, который эта система использует для улавливания и выделения диоксида углерода, «революционен», — говорит он. «Все это происходит в условиях окружающей среды — нет необходимости в воздействии тепла, давления или химикатов. Это просто очень тонкие листы с активными обеими поверхностями, которые можно сложить в коробку и подключить к источнику электричества.«

«В моих лабораториях мы стремимся разрабатывать новые технологии для решения ряда экологических проблем, которые позволяют избежать необходимости в источниках тепловой энергии, изменениях давления в системе или добавлении химикатов для завершения циклов разделения и высвобождения», — говорит Хаттон. . «Эта технология улавливания углекислого газа является наглядной демонстрацией силы электрохимических подходов, которые требуют лишь небольших колебаний напряжения для разделения».

На действующей установке — например, на электростанции, где выхлопные газы производятся непрерывно — два набора таких пакетов электрохимических ячеек могут быть установлены бок о бок для параллельной работы, при этом дымовой газ направляется первым. в одном комплекте для улавливания углерода, затем направляется во второй комплект, в то время как первый комплект переходит в свой цикл выгрузки.При чередовании движения вперед и назад система всегда могла улавливать и выпускать газ. В лаборатории команда доказала, что система может выдерживать не менее 7000 циклов зарядки-разрядки с 30-процентной потерей эффективности за это время. По оценкам исследователей, они могут легко улучшить это число до 20 000–50 000 циклов.

Сами электроды могут быть изготовлены стандартными методами химической обработки. Хотя сегодня это делается в лабораторных условиях, его можно адаптировать таким образом, чтобы в конечном итоге их можно было производить в больших количествах с помощью процесса производства рулонов, аналогичных газетному печатному станку, — говорит Воскян.«Мы разработали очень рентабельные методы», — говорит он, оценивая, что их можно производить примерно по десяткам долларов за квадратный метр электрода.

По сравнению с другими существующими технологиями улавливания углерода, эта система достаточно энергоэффективна, постоянно потребляя около одного гигаджоуля энергии на тонну улавливаемого диоксида углерода. По словам Воскяна, у других существующих методов потребление энергии варьируется от 1 до 10 гигаджоулей на тонну, в зависимости от концентрации углекислого газа на входе.

Исследователи основали компанию Verdox, чтобы коммерциализировать процесс, и надеются разработать опытную установку в течение следующих нескольких лет, — говорит он. По его словам, систему очень легко масштабировать: «Если вам нужна большая емкость, вам просто нужно сделать больше электродов».