Сопротивление многослойной земли

При расчете заземлителей обычно принимают допущения, что земля во всем своем объеме однородна, то есть в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ,

В действительности земля имеет слоистое строение, хотя в большинстве случаев явно выраженных границ между слоями нет. Слои земли расположены практически горизонтально и представляют собой грунты различного рода, с разным минеральным составом, разной структурой, пористостью, плотностью и температурой, а также с различным содержанием влаги, солей и пр. Поэтому удельные сопротивления различных слоев земли неодинаковы и мо­гут значительно отличаться друг от друга. Обычно верхние слои имеют большее удельное сопротивление, по сравнению с нижележа­щими. В отдельных случаях бывает наоборот, например, когда под поверхностью земли находятся горные породы, обладающие, как правило, весьма малой проводимостью.

Кроме того, значение верхних слоев земли колеблется в течение года, причем в значительных пределах в связи с измене­нием погодных условий, влекущих за собой изменение температуры грунта, содержания в нем влаги, солей и т.п. Эти изменения принято называть сезонными, а толщину слоя земли, подверженного сезонным изменениям, принято называть слоем сезонных измене­ний и обозначать буквой .

Глубоко лежащие слои земли, как менее подверженные воздей­ствию погодных условий, имеют обычно незначительные сезонные колебания удельного сопротивления.

В последние годы все шире начинает внедряться в практику метод расчета заземлителей, при котором условно принимается, что земля имеет два слоя, обладающих каждый своим удельным соп­ротивлением и (рис.1).

При этом верхний слой подвержен непосредственному воздействию погодных условий и его удельное сопротивление имеет значительные сезонные колебания, ко­торые подлежат учету при расчетах заземлителей.

 

Рис.1.Двухслойная модель земли.

и - удельные сопротивления соответственно верхнего и нижнего слоев земли;

- мощность (толщина) верхнего слоя;

 

Учет неоднородности земли, то есть наличия в ней горизонтальных слоев с разными сопротивлениями значительно усложняет расчет заземлителей. С другой стороны, учет слоистости зем­ли значительно повышает точность расчета заземлителей и, следо­вательно, удешевляет их сооружение.

Удельное сопротивление земли определяется ме­тодом зондирования с помощью контрольного зонда (электрода) - сплошного стержня или трубы диаметром 4-5 см с острым наконечником. При глубоком зондировании (4 - 5 м и более) целесообразно в качестве контрольного электрода использовать прутковую сталь диаметром не менее 10 мм. Контрольный зонд погружается в землю вертикально. После погружения зонда измеряется его сопротивление растеканию тока , Ом при данной глубине его погружения, то есть длине пог­руженной в землю части зонда ,м. Затем для зна­чения вычисляется измеренное удельное сопротивление зем­ли, соответствующее данной глубине погружения зонда, ;

 

(1)

где d – диаметр зонда, м.

Формула (1) получена из формулы для вычисления сопротивления стержневого заземлителя круглого сечения;

 

(2)

Сезонные изменения удельного сопротивления учитываются с помощью так называемого коэффициента сезонных изменений, зна­чение которого зависит от климатической зоны данной местности и состояния (увлажненности) земли во время измерений. Климатическая зона определяется по таблице 1, после чего по таблице 2 определяется толщина слоя сезонных изменений и коэффициент сезонности .

Расчетные значения удельного сопротивления верхнего слоя грунта, то есть лежащего в пределах , определяются путем умножения вычисленных по (3) на коэффициент :

= (3)

Все остальные слои (лежащие ниже Нс) считаются не подверженными сезонным изменениям, поэтому их расчетные значе­ния оказываются равными измеренным, то есть

= (4)

Таблица 1

Признаки климатических зон для определения коэффициента сезонности

Характеристика климатической зоны Климатические зоны
  I II III IV
Средняя многолетняя низшая температура (январь), °С от -20 до -15 от -14 до -10 от -10 до 0 от 0 до +5
Средняя многолетняя высшая температура (июль), °С от +16 до +18 от +18 до +22 от +22 до +24 от +24 до +26
Среднегодовое количество осадков см. ~ 40 ~ 50 ~ 50 30-50
Продолжительность замерзания воды. дни 190-170
           

Таблица 2

Коэффициенты сезонности для слоя сезонных изменений в многослойной земле

Климатическая зона Условная толщина слоя сезонных изменений , м Влажность земли во время измерений ее сопротивления
    повышенная нормальная малая
I 2.2 7.0 4.0 2.7
II 2.0 5.0 2.7 1.9
III 1.8 4.0 2.0 1.5
IV 1.6 2.5 1.4 1.1

 

ПРИМЕЧАНИЕ: Земля считается повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение большого количества (свыше нормы) осадков (дождей); нормальной (средней) влажности - если измерению предшествовало выпадение близкое к норме осадков; малой влажности - если земля сухая, количество осадков в предшествующий измерению период было ниже нормы.

 

Защитное заземление

Защитным заземлением называется преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние со­седних токоведущих частей, вынос потенциала и т.п.).

Замыкание на корпус - случайное электрическое соединение токоведущих частей с металлическими нетоковедущими частями электроустановки.

Назначение защитного заземления - устранение опасности пора­жения электрическим током в случае прикосновения к корпусу и дру­гим нетоковедущим металлическим частям электроустановки, оказав­шимся под напряжением.

Заземлители безопасности могут состоять из двух частей: искусственной и естественной. Естественный заземлитель – сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления. Естественными заземлителями служат трубы, опоры, фундамент и т.д. Искусственные заземлители выполняются из электродов, заглубленных в грунт.

По условиям безопасности обслуживающего персонала заземление должно обладать сравнительно малым сопротивлением, обеспечить которое можно путем увеличения геометрических размеров одиночного заземлителя (электрода) или применением нескольких параллельно соединенных горизонтальными полосами электродов, именуемых групповым заземлителем.

Используя групповой заземлитель, можно выровнять потенциал на территории, где размещаются заземляющие электроды, что в ряде случаев играет решающую роль в обеспечении безопасности обслуживающего персонала.

Распределение потенциала на поверхности земли при использовании группового заземлителя и значение потенциала самого группового заземлителя (электродов) зависит от количества используемых электродов, их формы и размеров, а также от расстояния между электродами.

При выполнении заземлителей нужно чтобы его сопротивление было не выше нормированной величины, и в тоже время его конструкция была экономически рациональной. Снижение стоимости заземлителя можно получить учитывая при расчете многослойность земли со слоями разной проводимости. Такой учет позволяет выполнить расчет заземлителя с более высокой точностью по сравнению с расчетом, выполненным при предположении однородности грунта. Повышение точности расчета приводит к снижению стоимости заземлителя.

Сопротивление растекания тока заземлителей зависит от конструктивных особенностей его выполнения: длины и диаметра электродов, их числа и расстояния между ними. При достаточно близком расположении вертикальных электродов друг от друга начинает проявляться эффект их взаимного экранирования, в результате чего результирующее сопротивление группового заземлителя повышается по сравнению с заземлителем такой же конструкции (те же длина, диаметр и количество электродов), но электроды которого расположены на большем расстоянии. Значения коэффициента использования определяются в частях 2 и 3 лабораторной работы.

 

Расчет заземлителя

Рассчитать заземление это значит определить необходимое количество вертикальных электродов, при котором сопротивление растекания тока заземлителя будет равно нормированной величине.

Исходными данными являются: нормированное значение сопротивления растекания тока, удельное сопротивление слоев грунта и глубина верхнего слоя, полученные по табличным данным, исходя из климатических характеристик местности, где будет располагаться заземлитель, а так же коэффициента взаимного экранирования.

Сопротивление заземлителя, состоящего из одного вертикального электрода определяется по формуле (5).

 

(5)

 

где L – длина электрода, м.

d – диаметр электрода, м.

- эквивалентное удельное сопротивление земли, Ом*м.

Расчет эквивалентного удельного сопротивления земли производится по формуле (6) и нужен для учета влияния двуслойности земли.

(6)

Где - удельное сопротивление верхнего слоя, Ом*м.

- удельное сопротивление нижнего слоя, Ом*м.

Н – глубина верхнего слоя, м.

t – глубина залегания электрода, м

 

Обычно заземлители устанавливают на некоторой глубине под поверхностью земли с целью снижения влияния сезонных изменений в грунте. Обычно эта глубина равна 0.5-0.8 метрам.

Если заземлитель состоит из n вертикальных электродов, то его суммарное сопротивление будет рассчитываться по формуле (7)

(7)

Где n – количество вертикальных электродов

R – сопротивление одного отдельно взятого электрода, Ом.

– коэффициент использования.

Коэффициент использования показывает как влияют друг на друга токи растекания с одиночных заземлителей при различном расположении последних. При соединении параллельно, токи растекания одиночных заземлителей оказывают взаимное влияние друг на друга, поэтому чем ближе расположены друг к другу заземляющие стержни тем общее сопротивление заземляющего контура больше.

Это явление учитывается коэффициентом использования вертикальных заземлителей, величина которого зависит от типа и количества одиночных заземлителей, их геометрических размеров и взаимного расположения в грунте.

Значение коэффициента использования зависит от расстояния между соседними электродами и их числа. С увеличением расстояния уменьшается взаимодействия полей единичных заземлителей и возрастает; при расстоянии больше 40 м проводимость заземлителей используется полностью и =1. Как правило, при расчете заземлителей определение коэффициента использования расчетным путем оказывается сложным. Поэтом при расчете заземляющих устройств значения берутся из таблиц и кривых, составленных на основании опытов (табличные значения).

Так как все вертикальные электроды соединены горизонтальной шиной, то она также вносит свой вклад в общее сопротивление заземлителя, снижая его. Сопротивление одной горизонтальной соединительной полосы рассчитывается по формуле (8).

 

(8)

 

где l – длина соединительной полосы, м

b – ширина полосы, м

 

Суммарное сопротивление группового заземлителя рассчитывается по формуле (9)

 

(9)

 

Где – сопротивление вертикального электрода, Ом

– сопротивление горизонтальной соединительной пластины, Ом

n – количество вертикальных электродов.

Применяемое оборудование

Работа выполняется на компьютере в программе, интерфейс которой показан на рис.2.

Рис.2. Меню выбора варианта

 

Перед тем как приступить к выполнению работы студент должен выбрать номер варианта задания соответствующий номеру бригады. Для того, что бы приступить к выполнению работы нажмите кнопку «1 часть».

 

1 часть. Измерение удельного сопротивления грунта

 

Интерфейс 1 части работы показан на рис.3.

Рис.3. Интерфейс 1 части работы

 

В программе имитируется погружение в землю контрольного зон­да (электрода) заданного размера для измерения его сопротивления.

Измерение сопротивления производится методом вольтметра-амперметра. Онисхематически показаны на интерфейсе программы и включены в схему измерения, в которой контрольный зонд изображен по центру. В левой нижней части разме­щены таблицы с данными по зонду и грунту, а также измеренными напряжениями и током.

В правой части находятся сопротивление зонда и удельное сопротивление грунта, которые автоматически рассчитываются из полученных во время эксперимента средних значений тока и напряжения. Удельное сопротивление верхнего слоя грунта подверженного сезонным изменения рассчитывается после подстановки соответствующего варианту задания значения коэффициента сезонности в соответствующее окошко.

 

2 часть. Получение зависимости значения коэффициента использования от расстояния между электродами

 

Интерфейс 2 части работы показан на рис.4.

Рис.4. Интерфейс 2 части работы

 

В программе имитируется измерение сопротивления группового заземлителя, состоящего из 2 вертикальных электродов размером 5 или 10 метров при различных расстояниях между ними. Данный заземлитель схематически показан на интерфейсе программы. Переключение между электродами разной длины производится путем выбора соответствующего параметра в нижней части интерфейса. Результаты измерений выводятся в таблице в правой части интерфейса.

 

3 часть. Получение зависимости значения коэффициента использования от количества электродов

 

Интерфейс 3 части работы показан на рис.3.5.

В 3 части работы схематически представлены групповые заземлители, состоящие из 4 и 6 электродов. Переключение между заземлителями, измерение сопротивления и отображение результатов измерений производится также как и в части 2 лабораторной работы.

 

Рис. 5. Интерфейс 3 части работы

 

4 часть. Измерение сопротивления заземлителя

 

Интерфейс 4 части работы показан на рис.6.

 

В программе имитируется измерение сопротивления группового заземлителя методом вольтметра-амперметра. В таблице в левой части интерфейса приводятся конструктивные параметры заземлителя, а также параметры грунта. В правой части находится таблица, в которую заносятся результаты измерений напряжения и тока.

 

Рис. 6. Интерфейс 4 части работы

Порядок проведения работы

1 часть. Измерение удельного сопротивления грунта

1) Выбрать вариант задания, соответствующий номеру бригады. Для выполнения первой части работы нажать кнопку «1 часть».

2) Нажатием кнопки «Измерение напряжения и тока» произвести 5 измерений. Результаты занести в таблицу 3.

3) По результатам измерений программа высчитает сопротивление зонда и измеренное удельное сопротивление земли. В соответствии с заданием и таблицей 2 подобрать нужный коэффициент сезонности и занести его в соответствующее окошко. Заполнить таблицу 4 в соответствии с полученными расчетными данными.

4) Для перехода к следующей части работы нажать кнопку «2 часть».

 

2 часть. Получение зависимости коэффициента использования от расстояния между электродами

1) Снять зависимость сопротивления группового заземлителя от расстояния между электродами при их количестве 2 штуки и длине 5 метров.

2) Переключить длину электродов на 10 метров.

3) Снять зависимость сопротивления группового заземлителя от расстояния между электродами при их количестве 2 штуки и длине 10 метров.

4) Результаты измерений занести в таблицу 5.

5) Для выполнения следующей части работы нажать кнопку «3 часть».

 

3 часть. Получение зависимости коэффициента использования от количества электродов

1) Снять зависимость сопротивления группового заземлителя от расстояния между электродами при их количестве 4 штуки и длине 10 метров.

2) Переключить количество электродов на 6 штук.

3) Снять зависимость сопротивления группового заземлителя от расстояния между электродами при их количестве 6 штук и длине 10 метров.

4) Результаты измерений занести в таблицу 5.

5) Для выполнения следующей части работы нажать кнопку «4 часть».

 

4 часть. Измерение сопротивления заземлителя

1) Нажатием кнопки «Измерение напряжения и тока» произвести 5 измерений. Результаты занести в таблицу 7.

2) Заполнить таблицу 8.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

По 1 части:

1) Элементарная схема измерения сопротивлений заземлителей растеканию тока методом амперметра-вольтметра.

2)Таблицу 3 с результатами измерений тока и напряжения.

Таблица 3.

Измеренные значения тока и напряжения.

  Напряжение U, B Ток I , A
   
   
   
   
   
Среднее значение    

 

 

3)Таблицу 4 с результатами расчетов.


Таблица 4.

Расчетные значения.

L , м d, см Климатическая зона   Влажность R , Ом , ,
         
               

 

По 2 и 3 части:

1)Таблицу 5 с результатами измерений сопротивления от параметров заземлителя.

2)По данным таблицы 5 по формуле (7) рассчитать коэффициенты использования электродов. Результаты занести в таблицу 6.

3) По результатам, полученным в таблице 6, построить график зависимости коэффициента использования от отношения расстояния между электродами к их длине (a/L) для всех измеренных длин и количеств электродов.

 

Таблица 5.

Результаты измерения сопротивления.

Расстояние между электродами а, м Сопротивление заземлителя R, Ом.
2 электрода, L=5 м 2 электрода, L=10 м 4 электрода, L=10 м 6 электродов, L=10 м
2,5        
       
       
       
       
       

 

Таблица 6.

Расчетные значения коэффициентов использования.

Расстояние между электродами а, м Коэффициент использования h
2 электрода, L=5 м 2 электрода, L=10 м 4 электрода, L=10 м 6 электродов, L=10 м
2,5        
       
       
       
       
       

 

По 4 части:

1) Элементарная схема измерения сопротивления заземлителей методом амперметра-вольтметра с отображенной конструкцией заданного заземлителя.

2) Таблица 7 с результатами измерения напряжения и тока.

Таблица 7.

Результаты измерения напряжения и тока.

  Напряжение U, B Ток I , A
   
   
   
   
   
Среднее значение    

 

 

3) Расчет сопротивления заземлителя по формуле .

По 5 части:

1) Таблица 8 с исходными данными для расчета заземлителя.

2) Исходя из графика, построенного в 3 части работы, определить значение коэффициента использования для данного заземлителя.

3) По данным таблицы 8 и найденному коэффициенту использования рассчитать сопротивления данного группового заземлителя по методу, описанному в теоретической части.

4) Сравнить полученный результат расчетов с результатом измерений в 4 части.

 

Таблица 8. Исходные данные.

Длина электрода L, м Диаметр электрода d, см Глубина верхнего слоя, м Расстояние между электродами а, м Количество электродов n Удельное сопротивление верхнего слоя , Удельное сопротивление нижнего слоя ,

 

Отчет должен содержать выводы о целесообразности учета неоднородности земли и взаимного расположения электродов при расчетах групповых заземлителей.

Контрольные вопросы

1. Почему разные слои земли имеют разные удельные соп­ротивления?

2. Что такое эквивалентное удельное сопротивление много­слойной земли?

3. Что может оказывать влияние на значение коэффициента использования группового заземлителя?

4. Почему не рекомендуется располагать электроды в групповом заземлителе на расстояниях меньших, чем их длина?

5. От каких факторов зависит значение сопротивления растеканию тока заземлителя в многослойной земле?