"Новости Электротехники": "Энергетика и Электротехника

	< Предыдущая ]	Журнал №6(18) 2002 - 1(19) 2003


	Измерение удельного сопротивления грунта предпроектные изыскания для сооружения заземляющих устройств Сергей Коструба, действительный член (академик) Международной академии наук экологии и безопасности жизнедеятельности (МАНЭБ), главный научный сотрудник лаборатории электробезопасности Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), д.т.н. Вопросам обеспечения электробезопасности в настоящее время придают исключительно большое значение. В каждом номере нашего журнала рассматриваются наиболее актуальные проблемы, относящиеся к различным мерам защиты от поражения электрическим током, и даются практические рекомендации, как правильно измерить те или иные параметры, напрямую связанные с обеспечением электробезопасности. Данная статья посвящена измерению удельного электрического сопротивления грунта методом так называемого вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) земли. ПУЭ о грунте С 1 января 2003 года начали действовать существенно переработанные и дополненные Правила устройства электроустановок (ПУЭ), 7-е издание [1]. В них в главе 1.7 «Заземление и меры электробезопасности», в разработке которой автор принимал непосредственное участие, нормирование сопротивлений заземляющих устройств ставится в зависимость от удельного электрического сопротивления грунта, в котором расположен заземлитель заземляющего устройства. Таким образом, знание удельного электрического сопротивления грунта крайне необходимо не только для того, чтобы правильно рассчитать и спроектировать заземлитель заземляющего устройства, но и для того, чтобы проверить, соответствует ли его основная электрическая характеристика – сопротивление растеканию тока с заземлителя в землю – действующим нормам. Заметим, что в ПУЭ, в государственных стандартах и в ряде других нормативных документов, содержащих материал по заземляющим устройствам, сопротивление растеканию тока с заземлителя в землю принято называть для краткости сопротивлением растеканию заземлителя или просто сопротивлением заземлителя. Там же удельное сопротивление грунта обычно называют удельным сопротивлением земли, понимая под термином «земля» именно грунт. Грунт (от нем. grund — основа, почва) – это собирательное название горных пород, залегающих преимущественно в пределах зоны выветривания земли и являющихся объектом инженерно-строительной деятельности человека. В электроэнергетике под грунтом обычно понимают проводящую электрический ток часть земной коры, ее верхние слои. Грунт как проводник Основным электрическим параметром верхних слоев земли является удельное электрическое сопротивление грунта r, измеряется в омметрах (Ом•м). Иногда для удобства пользуются величиной, обратной удельному электрическому сопротивлению. Такую величину называют удельной электрической проводимостью грунта g. Удельная проводимость и удельное сопротивление связаны между собой известной зависимостью: У различных грунтов r меняется в очень широких пределах – от тысячных долей омметра у самородных металлов до многих миллиардов омметров у таких изоляторов, как слюда, кварц, полевые шпаты. Грунты разделяют на электронные проводники, или, как их принято называть, проводники первого рода, в которых заряды переносятся свободными электронами, и на ионные проводники, или проводники второго рода, в которых электрические заряды переносятся ионами, находящимися в растворах, заполняющих поры и трещины грунта. К первой группе грунтов относится небольшое количество пород – таких, как самородные металлы, сульфиды, графит, антрацит. Ко второй – все остальные породы, с которыми обычно приходится иметь дело при инженерно-геологических изысканиях, в том числе и при предпроектных измерениях удельного сопротивления грунта в месте предполагаемого сооружения заземляющего устройства. Следует, однако, иметь в виду, что в реальных породах всегда имеются оба рода проводимости, но в зависимости от того, какая из них доминирует, породы относят к той или иной группе. Удельное сопротивление грунтов с повышением температуры на 10С уменьшается примерно на 2%. Однако эта закономерность справедлива лишь в диапазоне температур выше точки замерзания раствора. При температурах ниже точки за-мерзания раствора удельное сопротивление грунта многократно возрастает. То же самое происходит и при высыхании верхних слоев грунта. Однородная и неоднородная земля Исследования электрического поля и характеристик заземлителей с самого начала развития их теории относились к категории весьма сложных задач электро-техники. Таковыми они являются и в настоящее время. Трудности усугубляются тем, что электрическая структура верхних слоев земли, в которой располагаются заземлители, имеет существенно неоднородное и изменяющееся во времени (по сезонам) удельное электрическое сопротивление. Степень его неоднородности зависит от многих факторов: вида почв, почвообразующих и геологических пород, колебаний уровней грунтовых вод, количества выпадающих осадков, температуры и влажности воздуха, характера растительности, хозяйственной деятельности человека и ряда других. Важной абстракцией, сильно упростившей аналитическое исследование электрического поля заземлителей и его физическое моделирование в гальванических ваннах, явилось представление земли в виде однородного проводящего полупространства (так называемая однородная земля). Однако опыт сооружения заземлителей показал, что в подавляющем большинстве случаев их характеристики, и в первую очередь сопротивление растеканию, найденные расчетом в предположении, что земля однородная, не совпадают с действительными значениями. Отклонения от требуемых нормами значений очень часто достигали сотен процентов. Анализ причин, вызывавших значительные расхождения расчетных и действительных значений характеристик заземляющих устройств, показал, что основным источником ошибок было отсутствие должного учета реальной неоднородности удельного электрического сопротивления грунта. Для исключения подобных ошибок в настоящее время в нашей стране и за рубежом сложился определенный порядок проектирования, сооружения и эксплуатационного контроля заземляющих устройств. Перед началом проектирования на территории будущей электроустановки специальными методами определяют удельное сопротивление грунта, т.е. проводят так называемые предпроектные изыскания. Только на их основе ведут проектирование и сооружение заземляющих устройств. К предпроектным изысканиям и их результатам предъявляют три главных требования: объем информации о параметрах электрической структуры земли должен быть достаточным для проектирования и по-следующего сооружения рациональных заземляющих устройств; методы изысканий должны быть как можно проще; точность получаемых данных должна быть как можно выше. Из всех известных методов предпроектных изысканий на практике применяются только два: с помощью так называемого пробного электрода и широко распространенный в геологической практике метод ВЭЗ земли, принцип осуществления которого подробно изложен в учебном пособии для студентов геофизической специальности [2]. Метод пробного электрода Метод пробного электрода был предложен и получил большое распростране-ние еще в начале 20-х годов, т.е. на 30–40 лет раньше метода ВЭЗ. Суть метода пробного электрода чрезвычайно проста. На территории, предназначенной для сооружения заземляющего устройства, в землю закладывают одиночные вертикальный или горизонтальный заземлители (пробные) обычно такой же длины, как у будущего заземлителя. Затем известными методами измеряют сопротивление растеканию пробного электрода и по измеренному значению сопротивления растеканию с помощью известных формул определяют удельное электрическое сопротивление земли. Его-то и кладут в основу расчета небольшого по размерам заземляющего устройства. Этот метод применяют сейчас лишь в крайних случаях при сооружениях заземляющих устройств электроустановок напряжением до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали и выше 1 кВ с изолированной нейтралью, главным образом тогда, когда заведомо известно, что удельное сопротивление поверхностного слоя земли невелико. Метод ВЭЗ Метод ВЭЗ был предложен и быстро получил широкое распространение в на-чале 20-х годов для геофизических целей. Практическая ценность метода ВЭЗ заключается в том, что, осуществляя исследования на поверхности земли, можно получить (с привлечением теории поля) глубинное поведение удельного электрического сопротивления изучаемого земного массива. Однако в практике изысканий при проектировании заземляющих устройств он в то время еще не применялся в связи с господствовавшим тогда в теории заземляющих устройств взглядом на электрическую структуру земли как на однородную. Впервые расчету заземлителей в неоднородных грунтах была посвящена работа автора данной статьи [3]. Она положила начало измерениям удельного сопротивления верхних слоев грунта применительно к расчету и проектированию заземляющих устройств методом вертикального электрического зондирования земли. Физическая сущность вертикального электрического зондирования сводится к следующему. В землю при помощи двух точечных заземлителей (питающих электродов А и В, чаще называемых токовыми электродами) от электрического измерительного генератора вводится стабилизированный электрический ток I , значение которого лежит в пределах от 1 до 200 мА. В теории геоэлектрических методов исследований доказывается, что заземляющий электрод любой конфигурации можно рассматривать как точечный, начиная с расстояний, приблизительно в 5 раз превышающих протяженность его заглубленной части. То же положение относится и к системам из нескольких электродов. Такая система, какой бы сложной конфигурации она ни была, будет эквивалентна точечному заземлителю в случае, если наблюдения выполняются в точках, удаленных от центра системы на расстояние, превышающее в 5 раз расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга крайними электродами системы. Электрический ток, проходя по толще грунта от одного электрода к другому, за-хватывает большие глубины. Ближе к электродам и вообще к поверхности земли плотность тока больше, а с глубиной она уменьшается и на очень больших глубинах практически становится равной нулю. Поскольку грунт обладает удельным сопротивлением, то в нем на всех участках происходит падение напряжения. Если поместить на поверхности земли с токо-выми электродами два приемных (потенциальных) электрода M и N, то между ними возникнет разность электрических потенциалов DU, которая связана со значением питающего тока известной из учебного пособия [2] формулой: где r – удельное сопротивление грунта, находящегося в пределах установки AMNB; K – коэффициент, зависящий от взаимного расположения токовых и по- тенциальных электродов. Заметим, что формула в таком виде справедлива только для однородного грунта. Если же грунт неоднороден, то можно говорить только о кажущемся, а в некоторых случаях даже и об эквивалентном удельном сопротивлении грунта. Эквивалентное удельное сопротивление грунта с неоднородной структурой – это удельное электрическое сопротивление грунта с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в грунте с неоднородной структурой. Устройства для метода ВЭЗ Установка Бургсдорфа Известны различные устройства, схемы и установки для вертикального электрического зондирования земли, предназначенные для измерения удельного сопротивления грунта. Наибольшее распространение для предпроектных изысканий в электроэнергетике получила так называемая установка Бургсдорфа. *Рис.1* Она состоит (рис.1) из генератора стабилизированного электрического тока, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, микровольтметра с делителем напря-жения и схемой замещения измеряемого сигнала собственным сигналом, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, двух потенциальных электродов M и N и двух токовых электродов А и В, которые перед зондированием должны быть погружены в землю. Электрод А должен находиться на равном расстоянии от электродов M и N, с тем чтобы наводимая им разность потенциалов на потенциальных электродах M и N равнялась нулю. Кроме того, между электродами А и М, а также А и N в земле не должно быть местных поверхностных включений с удельным электрическим сопротивлением, отличным от удельного электрического сопротивления земли, которые могут сделать разность потенциалов между потенциальными электродами отличной от нуля, что приведет к погрешности вертикального электрического зондирования земли. Недостатком рассматриваемой установки Бургсдорфа является погрешность, иногда значительная, возникающая при вертикальном электрическом зондировании земли в местах с местными поверхностными включениями с удельными электрическими сопротивлениями, существенно отличными от удельного электрического сопротивления зондируемой земли. Установка, повышающая точность ВЭЗ земли Автор данной статьи поставил перед собой задачу повышения точности вертикального электрического зондирования земли при наличии в верхнем слое грунта указанных выше неоднородных включений. В результате использования предлагаемого устройства резко повышается точность ВЭЗ земли. Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в установке Бургсдорфа функцию токового электрода А выполняют потенциальные электроды M и N, продолжающие одновременно выполнять и свою собственную функцию потенциальных электродов (рис. 2). Ток на эти потенциальные электроды поступает от генератора через два резистора равного сопротивления. *Рис.2* Один из указанных резисторов присоединен одним своим концом к электроду М, а вторым – к одному из полюсов генератора стабилизированного электрического тока. Второй резистор присоединен одним своим концом к электроду N, а вторым – к тому же полюсу генератора стабилизированного электрического тока, к которому присоединен первый резистор. Сопротивление R каждого из резисторов должно удовлетворять неравенству: К<= (10000 – R_B)/2 где: R_B– сопротивление токового электрода В, Ом. Указанное неравенство получено экспериментальным путем, исходя из двух условий: сопротивления не должны вносить искажений в стабилизацию электрического тока от генератора, и они не должны вносить искажений в делители напряжений микровольтметра. Поскольку сопротивления резисторов имеют одинаковые значения, то напряжение между потенциальными электродами М и N будет наводиться только одним токовым электродом В, что существенно повысит точность вертикального электрического зондирования земли. Удельное электрическое сопротивление с грунта определяют по известной формуле: где DU – разность потенциалов между электродами M и N; MN – расстояние между электродами M и N; NB – расстояние между электродами N и B. Приведенная выше формула получена из рассмотренной выше зависимости с от I и DU и справедлива как для установки Бургсдорфа, так и для установки автора, поскольку взаимное расположение электродов и в той, и в другой установках неизменно. Теоретически обе установки эквивалентны, поскольку для них рассмотренные выше коэффициенты К абсолютно одинаковы. Тем не менее в ВИЭСХ были проведены сравнительные испытания обеих установок, которые показали высокую точность измерения удельного сопротивления грунта установкой автора. Было выполнено не-сколько сотен измерений и результаты превзошли все ожидания. ЛИТЕРАТУРА 1. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. М.: ЗАО «Издательство НЦ ЭНАС», 2002. 2. Краев А.П. Основы геоэлектрики: Учебное пособие для студентов геофизической специальности геологоразведочных вузов и геологических факультетов. – Изд. 2-е (исправленное и дополненное). – Л.: Изд-во «Недра», 1965. 3. Коструба С.И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

Измерение удельного сопротивления грунта предпроектные изыскания для сооружения заземляющих устройств