Защитные устройства - Определение параметров электрической структуры грунта

Электрические характеристики грунта оказывают решающее влияние на электробезопасность. Прежде всего, удельным электрическим сопротивлением грунта определяется в значительной мере сопротивление заземлителя по формуле (3-6). Проводимость поверхностного слоя существенно влияет на величину напряжений прикосновения и шага.
Удельное электрическое сопротивление грунта изменяется в очень широком диапазоне в зависимости от геологической структуры земли. Однако даже на площадке, выбранной для сооружения заземляющего устройства, грунты отличаются чаще всего значительной неоднородностью в вертикальном и горизонтальных разрезах, поэтому удельное сопротивление, удовлетворяющее принятой точности расчета, можно получить только путем непосредственных измерений.
Для измерения параметров электрической структуры земли — толщины слоев и удельного электрического сопротивления каждого слоя — в настоящее время рекомендуется два способа: пробного вертикального электрода и вертикального электрического зондирования. Выбор способа измерения зависит от характеристики грунтов и необходимой точности измерения.
Метод пробного вертикального электрода может применяться в электроустановках до 20 кВ [Л. 18], если грунт в районе электроустановки отличается относительно невысоким удельным сопротивлением. Как правило, в таких электроустановках заземляющее устройство рассчитывается по допустимому сопротивлению, причем значительные по величине нормированные допустимые сопротивления можно получить при сравнительно невысокой точности определения удельного сопротивления грунта. Метод основан на измерении сопротивления пробного электрода, геометрические размеры которого соответствуют принятым для проектирования заземляющего устройства, погружаемого на расчетную глубину в различных точках выбранной площадки. Для измерения может применяться любой из методов, используемых для контроля за сопротивлением заземляющих устройств с соблюдением соответствующих условий размещения электродов. Удельное электрическое сопротивление определяется на основании формул, характеризующих сопротивление заземлителя соответствующей формы. Например, для стержневого пробного заземлителя удельное сопротивление рассчитывается из формулы (3-7)

где R — сопротивление заземлителя в виде пробного электрода, полученное измерением, Ом; l — глубина заложения пробного электрода, м; d — диаметр пробного электрода, м.
Полученное в результате измерения удельное сопротивление представляет некоторую усредненную величину, учитывающую неоднородность грунта по вертикали. Чтобы учесть неоднородность грунта по горизонтали рекомендуется проводить несколько измерений в различных точках выбранной площадки и для расчетов использовать среднее арифметическое результатов измерений:
(3-17)
где ρ1, ρ2, ρn — удельное сопротивление, полученное в результате измерения в различных точках площадки, Ом-м; п — количество измерений.
При небольших размерах площадок изменение удельного сопротивления по горизонтали незначительно и можно ограничиваться проведением одного замера.
Климатические условия в районе сооружения заземляющего устройства вызывают, как правило, существенные колебания удельного сопротивления грунта в течение года в результате промерзания, увлажнения и высыхания почвы, поэтому измеренное удельное сопротивление (Ом-м) необходимо приводить к расчетным условиям посредством сезонного коэффициента:
(3-18)
где рэ — расчетное эквивалентное удельное сопротивление (соответствует наиболее неблагоприятному климатическому состоянию грунта); k — сезонный коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления грунта под влиянием климатических условий.
Сезонные изменения удельного сопротивления грунта зависят от климатических условий в районе электроустановки и глубины залегания слоев грунта. Для учета сезонных изменений вся территория СССР разделена на четыре климатические зоны (табл. 3-2).

Климатические зоны СССР

Таблица 3-3
Сезонные коэффициенты для приведения к расчетным условиям удельного сопротивлении, измеренного вертикальным пробным электродом

Сезонные коэффициенты выбираются в зависимости от климатических условий в период, непосредственно предшествующий измерениям. При этом принимаются различные коэффициенты для вертикальных (табл. 3-3) и горизонтальных (табл. 3-4) заземлителей. Тем самым учитывается различное влияние климатических условий на поверхностный и углубленные слои грунта.

Сезонные коэффициенты для приведения к расчетным условиям удельного сопротивления при расчете сопротивления горизонтальных заземлителей

Рис. 3-4. Размещение электродов для измерения удельного сопротивления грунта методом вертикального электрического зондирования.
Метод пробного электрода отличается простотой измерений, а также требует использования минимального числа измерительной аппаратуры и расчетов. Основной его недостаток — сложность погружения пробных электродов на расчетную глубину, особенно в условиях твердых грунтов. Однако метод практически неприемлем для измерений на площадках с высоким удельным сопротивлением поверхностных слоев грунта (скальные, многолетнемерзлые и т.п.). В таких условиях может возникнуть необходимость погружать заземлители на значительную глубину и для определения расчетного удельного сопротивления необходимо применять метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

Для измерений используется четыре электрода (рис. 3-4), погружаемых на небольшую глубину 40—50 мм. Измеряя величину тока I, проходящего от источника через токовые электроды 1,4, и напряжение между потенциальными электродами 2, 4 определяем сопротивление
R=U/I, равное сопротивлению некоторого объема грунта, примыкающего к измерительной установке. Принимают условно этот объем равным полусфере с диаметром, определяемым расстоянием между токовыми электродами, а измеренное таким способом удельное сопротивление относят к точке грунта на вертикальной оси полусферы на глубине, равной четверти ее диаметра. Следовательно, для измерения удельного сопротивления на глубине h необходимо, чтобы расстояние между токовыми электродами составляло. Если при этом потенциальные электроды разделяют расстояние между токовыми на равные части, удельное сопротивление (Ομ·μ) можно вычислить по формуле

Для получения минимальной погрешности расстояние между потенциальными электродами нельзя принимать слишком малым. Рекомендуется принимать l2-3=(0,41-0,43) l1-4 [Л.18].
Измеренное методом вертикального электрического зондирования удельное сопротивление является условной величиной. Для приведения его к расчетному пользуются специальными графиками — теоретическими палетками для многослойных грунтов, применяемыми в геофизике. При этом необходимо стремиться результаты вертикального электрического зондирования свести к возможно меньшему числу слоев.
Вертикальное электрическое зондирование для площадок размером не более 50X50 м² рекомендуется проводить, разнося электроды во взаимноперпендикулярных направлениях из центра площадки. 

Для площадок больших размеров электрическое зондирование проводят, разнося электроды во взаимноперпендикулярных направлениях из нескольких центров, выбираемых в центре площадки и в центрах ограничивающих ее сторон. При этом результаты измерений в разных направлениях отличаются и для каждого слоя необходимо пользоваться средним значением удельного сопротивления ρcp и толщины СЛОЯ h cp
(3-21)
где — удельное сопротивление рассматриваемого слоя по результатам каждого из выполненных ВЭЗ, Ом-м;—толщина рассматриваемого слоя по результатам каждого из выполненных п ВЭЗ, м.
Влияние сезонных колебаний сопротивления грунта учитывается посредством толщины слоя сезонных изменений и сезонного коэффициента (табл. 3-5).

Таблица 3-5
Сезонные коэффициенты k и толщина слоя сезонных изменений hс для приведения к расчетным условиям параметров электрической структуры земли, измеренных методом вертикального электрического зондирования

Приведение измеренных параметров электрической структуры к расчетным осуществляется в зависимости от соотношения между толщиной верхнего слоя, полученной в результате усреднения результатов измерений методом ВЭЗ , и толщиной слоя сезонных изменений hc.
Если, параметры слоев определяются из соотношений:
для первого слоя ρ1 и h1

(3-22)

где — удельные сопротивления слоев грунта,
лежащих ниже вертикальных электродов, Ом-м.
Однако полученные эквивалентные удельные сопротивления двухслойной структуры нельзя непосредственно использовать для расчета сопротивления заземляющих устройств. В самом деле, заземляющие устройства состоят из различного рода заземлителей, занимающих разное положение относительно эквивалентных слоев грунта расчетной двухслойной структуры земли, определяющее их сопротивление. Поэтому для основных видов заземлителей и заземляющих устройств разработаны таблицы и графики, позволяющие определять расчетное эквивалентное удельное сопротивление в зависимости от отношений удельных сопротивлений двухслойной структурыи относительного положения в ней заземлителей [Л.13].
Для вертикального и горизонтального одиночного заземлителя расчетные эквивалентные удельные сопротивления приведены в приложении 1, для основных видов заземляющих устройств — в приложении 3.