Измерение удельного электрического сопротивления грунта

Приложение А. Определение удельного электрического сопротивления грунта

А.1 Определение удельного электрического (кажущегося) сопротивления грунта в полевых условиях

А.1.1 Средства контроля и вспомогательные устройства

Полевые электроразведочные приборы, например типа АС-72; электроды в виде стальных стержней длиной от 250 до 350мм и диаметром от 15 до 20мм.

Допускается применять другие приборы, в том числе установки с измерением электрического поля незаземленными линиями, при соблюдении условия эквивалентности установкам с заземленными электродами.

А.1.2 Проведение измерений

Удельное электрическое сопротивление фунта измеряют непосредственно на трассе подземного трубопровода без отбора проб фунта по четырехэлектродной схеме (см. рисунок А.1).

Рисунок А.1. Схема определения удельного электрического (кажущегося) сопротивления грунта в полевых условиях

1 — электрод, 2 — прибор с клеммами: I — токовыми; Е — измерительными; а — расстояния между электродами (см. формулу (А.1))

Электроды размещают на поверхности земли на одной прямой линии, совпадающей с осью трассы для проектируемого сооружения, а для сооружения, уложенного в землю, на линии, проходящей перпендикулярно или параллельно, на расстоянии в пределах от 2 до 4м от оси сооружения. Измерения выполняют с интервалом от 100 до 200м в период, когда на глубине заложения сооружения отсутствует промерзание грунта.

Глубина забивания электродов в грунт должна быть не более 1/20 расстояния между электродами.

А.1.3 Обработка результатов измерения

Удельное электрическое сопротивление грунта ρ, Ом·м, вычисляют по формуле

Rt — электрическое сопротивление грунта, измеренное прибором, Ом;

а — расстояние между электродами, равное глубине прокладки подземного сооружения, м.

А.1.4 Оформление результатов измерения

Результаты измерений и расчетов заносят в протокол по форме, приведенной в А.1.5.

А.1.5 Форма протокола определения удельного электрического сопротивления грунта в трассовых условиях

Протокол определения удельного электрического сопротивления грунта в трассовых условиях

Прибор типа ______________________________________________________________

Заводской номер __________________________________________________________

Дата проверки ____________________________________________________________

Дата измерения ___________________________________________________________

Погодные условия _________________________________________________________

Измерения провел _____________________

Проверку провел _______________________

А.2 Определение удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

А.2.1 Отбор проб

Для определения удельного электрического сопротивления грунта отбирают пробы грунтов в шурфах, скважинах и траншеях из слоев, расположенных на глубине прокладки сооружения, с интервалами от 50 до 200м на расстоянии от 0,5 до 0,7м от боковой стенки трубы. Для пробы берут от 1,5 до 2кг грунта, удаляют твердые включения размером более 3мм. Отобранную пробу помещают в полиэтиленовый пакет и снабжают паспортом, в котором указывают номера объекта и пробы, место и глубину отбора пробы.

Если уровень почвенно-грунтовых вод выше глубины отбора проб, отбирают грунтовый электролит объемом от 200 до 300 см 3 и помещают в герметически закрывающуюся емкость, которую маркируют и снабжают паспортом.

А.2.2 Средства контроля и вспомогательные устройства:

— источник постоянного или низкочастотного переменного тока любого типа;

— миллиамперметр любого типа класса точности не ниже 1,5 с диапазонами 200 или 500мА;

— вольтметр любого типа с входным сопротивлением не менее 1 Мом;

Примечание. Специальные приборы использовать допускается.

— ячейка прямоугольной формы внутренними размерами: а=100мм; b=45мм, h=45мм (см. рисунок А.2) из диэлектрического материала (стекло, фарфор, пластмасса) или стали с внутренней футеровкой изоляционным материалом;

Рисунок А.2. Схема установки для определения удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

1 — миллиамперметр; 2 — источник тока; 3 — вольтметр; 4 — измерительная ячейка размерами a, b; h (см. А.2.2); А и В — внешние электроды;м и №- внутренние электроды

— электроды внешние (А, В) размером 44×40мм (40мм — высота электрода) в виде прямоугольных пластин (из углеродистой или нержавеющей стали) с ножкой, к которой крепят или припаивают проводник-токоподвод, при этом одну сторону каждой пластины, которая примыкает к торцовой поверхности ячейки, изолируют;

— электроды внутренние (М, N) из медной проволоки или стержня диаметром от 1 до 3мм и длиной на 10мм больше высоты ячейки;

— шкурка шлифовальная зернистостью 40 (или менее) — по ГОСТ 6456;

— вода дистиллированная — по ГОСТ 6709;

— ацетон — по ГОСТ 2768.

А.2.3 Подготовка к измерению

Отобранную пробу песчаных грунтов смачивают до полного влагонасыщения, а глинистых — до достижения мягкопластичного состояния. Если уровень почвенно-грунтовых вод ниже уровня отбора проб, смачивание проводят дистиллированной водой, а если выше — грунтовой водой.

Электроды зачищают шлифовальной шкуркой, обезжиривают ацетоном и промывают дистиллированной водой. Внешние электроды устанавливают вплотную к внутренним торцовым поверхностям ячейки. При сборе ячейки пластины размещают друг к другу неизолированными сторонами. Затем в ячейку помещают грунт, послойно утрамбовывая его. Высота грунта должна быть на 4мм менее высоты ячейки. Устанавливают внутренние электроды вертикально, опуская их до дна по центральной линии ячейки на расстоянии 50мм друг от друга и 25мм — от торцовых стенок ячейки.

А.2.4 Проведение измерений

Удельное электрическое сопротивление грунта определяют по четырехэлектродной схеме на постоянном или низкочастотном (от 100 до 1000Гц) переменном токе (см. рисунок А.2). Внешние электроды с одинаковой площадью рабочей поверхности Sρ поляризуют током определенной силы I1 и измеряют падение напряжения V1 между двумя внутренними электродами при расстоянии lMN между ними.

А.2.5 Обработка результатов измерения

А.2.5.1 Электрическое сопротивление грунта Rг.п, Ом, вычисляют по формуле

Rг.п = V1 / I1 , (А.2)

V1 — падение напряжения между двумя внутренними электродами, В;

I1 — сила тока в ячейке, А.

Примечание. При отсутствии тока разность потенциалов между двумя внутренними электродами V01 может отличаться от нуля в пределах от 10 до 30мВ, тогда для расчета электрического сопротивления грунта используют формулу

Rг.п =( V1 — V01) / I1 . (А.3)

А.2.5.2 Удельное электрическое сопротивление грунта ρ, Ом·м, вычисляют по формуле

ρ = (Rг.п Sρ ) / RMN , (А.4)

Rг.п — электрическое сопротивление грунта, рассчитанное по формуле (А.2) или (А.3), Ом;

Sρ — площадь поверхности рабочего электрода, м2;

RMN- расстояние между внутренними электродами, м.

При использовании специальных приборов измерения при определении электрического сопротивления грунта проводят в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора.

А.2.6 Оформление результатов измерений

Результаты измерений и расчетов заносят в протокол по форме, приведенной в А.2.7

А.2.7 Форма протокола определения удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

Протокол определения удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

Как измерить и рассчитать удельное сопротивление грунта

Удельное сопротивление грунта – это величина, которая количественно характеризует свойство земли, почвы как электропроводника. Единица измерения данного параметра – Ом*метр, то есть математически величина представляет собой произведение сопротивления и длины проводы. Этот параметр – частный случай удельного электрического сопротивления материалов.

Практический смысл данной величины в том, чтобы определить, насколько эффективно в данном конкретном грунте будет происходить заземление ближайшего электрооборудования. Различаются расчетное (теоретическое) и измеренное (практическое) значения этого параметра. Первое вычисляется по специальным формулам, второе устанавливается опытным путем.

Существуют справочные данные, в которых содержатся средние теоретические (расчетные) значения удельного сопротивления грунта разных видов. Так, для влажной глины эта величина составляет 20 Ом*м, для сухого песка от 1 500 до 4 200 Ом*м, для садовой земли – 40 Ом*м, для черноземных почв – 60 Ом*м, для каменного угля – 150 Ом*м.

Погрешности удельного сопротивления и их причины

Как можно видеть из приведенных справочных значений, в ряде случаев расчетные показатели могут варьироваться в весьма широком диапазоне. Это происходит потому, что теоретические методы не могут учесть всего многообразия факторов, влияющих на уровень удельного сопротивления грунта. Среди таких факторов следует отметить:

• влажность, температуру и иные общие физические параметры почвы;
• химический состав и тип фракции грунта (песок, глина, щебень, гравий, чернозем и т.п.);
• плотность прилегания друг к другу частиц, составляющих грунт;
• наличие и концентрация различных веществ, в том числе кислот, щелочей и солей;
• иные параметры, вообще не учитываемые теоретически, но при этом существующие.

Но для того, чтобы заземляющее устройство было изготовлено правильно и впоследствии успешно выполняло свою функцию, необходимы точные значения удельного сопротивления грунта, получаемые путем электроизмерения и испытания.

Приборы и порядок измерения

Для получения экспериментальных значений удельного сопротивления грунта применяются специализированные модели омметров: Ф-4103 и М-416. Чаще используется первый вариант, потому что второй во многом морально устарел. Кроме того, в последние годы разрабатываются и выпускаются более современные и удобные в работе модели и модификации.

Процесс снятия и обработки показаний прибора по измерению удельного сопротивления грунта состоит из следующих этапов.

• Электрод прибора, через который в почву поступает экспериментальное напряжение, погружается в грунт в любом месте участка. Электрод присоединен к корпусу специализированного омметра двумя клеммами.
• Штыри прибора погружаются в грунт на глубину от 30 см до полуметра, при необходимости – забиваются. Штыри располагаются на одной линии по разные стороны от измеряемого электрода, на расстоянии от 10 до 15 метров от него.
• Штыри также соединены с корпусом прибора двумя клеммами. После погружения в почву производится пробный замер, его результаты фиксируются в журнале измерений. При неудовлетворительном результате штыри и электрод меняются клеммами.
• Далее производится серия минимум из трех снятий показаний, которые также фиксируются в журнале. По принятому в данной сфере правилу, окончательным экспериментальным результатом считается среднее арифметическое трех показаний.
• Окончательное опытное значение подставляется в формулу для расчета удельного сопротивления грунта. Производятся вычисления, результатом которых является искомый параметр, выраженный в Ом*м.

Для расчета данной величины применяется следующая формула: ρ = 2·π·R·a, где ρ – удельное сопротивление грунта (Ом*м), π – математическая константа, равная 3,14 (величина не имеет единиц измерения), R – среднее арифметическое трех опытных значений (измеряется в омах), а – расстояние между штырями (измеряется в метрах).

Измерение сопротивления грунта

Каждая силовая кабельная линия и включённые в неё периферийные устройства должны быть заземлены для обеспечения безопасной эксплуатации инженерной сети. Измерение сопротивления грунта регламентируется действующими нормативами. Обследование позволяет определить глубину заложения заземлителей, расстояние между тоководами, а также выполнить обязательные требования безопасности, соблюдение которых необходимо для нормальной эксплуатации электрооборудования.

Определение удельного электрического сопротивления грунта в полевых условиях

Удельное сопротивление грунта в полевых условиях осуществляется путём сборки временной схемы и устройства лабораторных заземлителей, которые воспринимают на себя нагрузку при подаче напряжения на электрооборудование. В качестве энергопотребляющих приборов выступают метрологические установки.

Процедура регламентирована ПУЭ, выполняется силами аккредитованной электролаборатории, а по её результатам составляется технический отчёт установленной формы.

Средства контроля и вспомогательные устройства

При проведении измерения сопротивления грунта используется специализированное оборудование, а также дополнительные устройства, необходимые для сборки временной цепи:

• Метрологические приборы, предназначенные для работы в полевых условиях с высоковольтными кабельными линиями. Наибольшей популярностью среди аккредитованных электролабораторий пользуется российское оборудование марки АС-72.
• Токопроводящие электроды, изготовленные из стали или нержавейки, предназначенные для забивки в грунт при сборке временного заземлителя. Средний диаметр стального стержня составляет 20 мм, а длина колеблется в пределах от 250 до 400 мм.
• Силовые кабели, клеммные соединения и другие элементы, которые поставляются в едином комплекте и предназначены для устройства временной схемы при проведении испытаний.

Всё оборудование, использующееся при выполнении измерений сопротивления грунта, должно пройти поверку в органах сертификации, с выдачей соответствующего сертификата, который необходимо пролонгировать, согласно требованиям ПУЭ.

Проведение измерений

Согласно современным методикам, при проведении испытаний в полевых условиях, исключается забор грунтового основания для его проверки в лаборатории. Все измерения производятся на месте, согласно следующей методике:

• В месте прокладки кабеля, монтируется временная токопроводящая цепь, состоящая из 4 электродов.
• При забивке стальных стержней в грунт, следует соблюдать идентичное расстояние между ними.
• Расстояние между электродами следует подбирать не менее глубины заложения электротехнического сооружения в земле.
• Электроды забиваются в грунтовое основание, подлежащее испытанию строго в едином створе.
• Отдельно от электродов устанавливается метрологическое оборудование.
• Прибор оснащён 4 вводами – 2 токовыми и 2 – для снятия замеров.
• К каждому из вводов последовательна подключаются кабельные выводы от электродов.
• Испытание проводятся в несколько итераций, временной промежуток между которыми составляет от 2 до 3 часов.
• Измерения следует осуществлять в тёплое время года, что исключает риск промерзания грунтов на глубине залегания кабельной трассы.

При проведении измерений сопротивления грунта, следует соблюдать линейную зависимость между глубиной погружения и расстоянием между соседними стержнями. Заземлитель должен входить в грунт на глубину не более 5%, чем длина отрезка между соседними электродами.

Обработка результатов измерения

По завершении полевых испытаний, проводится камеральная обработка полученных результатов. Для вычисления итогового показателя, используется следующая аналитическая зависимость:

R – искомая величина, показатель удельного (кажущегося) сопротивления грунтового основания в зоне прокладке кабельной трассы.

p – математическая величина, равная 3,14.

l – расстояние между соседними токопроводящими стальными стержнями, из которых собрана временная цепь.

При вычислении показателей для каждой итерации, значения заносятся в соответствующую графу протокола, после чего значения сравниваются между собой и с нормативными величинами.

Оформление результатов измерения

По результатам проведённой экспертизы, ответственное лицо оформляет протокол установленной формы, в котором указываются все расчётные параметры, позволяющие сделать вывод о пригодности электрооборудования к последующей эксплуатации.

Форма протокола определения удельного электрического сопротивления грунта в трассовых условиях

В протокол заносятся следующие рабочие и расчётные показатели сопротивления грунтового основания, а также вспомогательные сведения:

• Локация испытуемого объекта.
• Информация о метрологическом оборудовании – марка, модель, идентификационный номер, дата последних поверочных мероприятий.
• Дата проведения испытаний.
• Геологические и физико-механические характеристики грунтового основания.
• Климатические условия в день проведения экспертных мероприятий, с указанием температуры и влажности.
• Маркировка электродов во временной схеме.
• Расстояние между токопроводящими стержнями.
• Показания прибора после проведения измерений.
• Полученное по формуле удельное сопротивление грунта.
• Сведение о составе комиссии, с личной подписью каждого аттестованного участника.

Каждый протокол заверяется оригинальной печатью электролаборатории, имеющей сертификат СРО и статус юрлица.

Определение удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

Данная методика измерения сопротивления грунта проводится в условиях лаборатории, после забора образцов с объекта. Методика отличается повышенной точностью и позволяет получить более полные сведения об электротехнических характеристиках грунта.

Отбор проб

При отборе проб грунтового основания, представители электролаборатории руководствуются определёнными правилами:

• Забор частиц основания осуществляется с глубины прокладки подземного электрооборудования или кабельных линий.
• Расстояние от оси шурфа до места отбора не должно превышать 500 – 700 мм.
• Отбор производится через каждые 50 – 150 м, по длине линейного объекта.
• Каждый образец должен быть не менее 1 л в объёме, с массой не менее 1,5 кг.
• Все образцы должны быть замаркированы, согласно координатам их забора.

В случае, если инженерная сеть проложена в потенциально подтопляемом участке, и сезонный уровень грунтовых вод располагается выше глубины залегания кабельной линии, лаборант отбирает жидкую взвесь в объёме не менее 2 – 3 литров.

Средства контроля и вспомогательные устройства:

При проведении измерений сопротивления грунта, используется следующее метрологическое оборудование и дополнительные детали временной электрической цепи:

• Генератор напряжения с возможностью выставления минимальной частоты.
• Миллиамперметр с ценой деления от 1 до 1,5 мА и диапазонами измерений 100 – 500 мА.
• Прибор для измерения рабочего напряжения – вольтметр, показания сопротивления на вводе которого составляет от 1МОм и более.
• Лабораторные токопроводящие детали с шириной 44 мм и высотой 40 мм. Представляют собой листовые материалы из высококачественной стали с приваренным к ним кронштейном для крепления провода. Электроды крепятся с наружной стороны временной схемы.
• Электроды внутреннего контура, представляющие собой токопроводящую жилу из меди с диаметром сечения сердечника не менее 1 мм, но не более 5 мм. Рекомендуемая длина проволоки составляет 45 – 50 мм.
• Мелкий абразив для зачистки концов проводника перед проведением испытаний.
• Чистая вода без химических примесей, выполняющая роль электролита.
• Лабораторный ацетон.

Все вспомогательные материалы должны соответствовать требованиям ГОСТ, предназначаются для промышленного использования.

Подготовка к измерению

Перед началом испытаний, лаборант проводит следующие подготовительные работы по сборке временной цепи:

• Каждый их отобранных образцов увлажняется до достижения максимальной концентрации водной среды в структуре грунта.
• Если испытанию подлежат глины, суглинки или супеси, они доводятся до мягкопластичной консистенции.
• Смачивание осуществляется очищенной водой, не содержащей растворённых солей и других химических примесей, которые могут повлиять на показатель сопротивления грунта.
• Каждый электрод обрабатывается абразивом, до чистого металла с характерным блеском.
• После механической зачистки каждая контактная поверхность токопроводящей детали обезжиривается с помощью ацетона, после чего подлежит очистке и промывке дистиллированной водой.
• Внешние пластинчатые электроды собираются в лабораторную схему в форме короба.
• Увлажнённый грунт помещается между электродами и трамбуется под механическим воздействием.
• Внутренние электроды втыкаются в образец грунта до самого низа.
• Расстояние между внутренними тоководами должно составлять 45 – 55 мм, каждый из них также должен отстоять от пластин внешнего контура на 20 – 30 мм.

Когда схема собрана, лаборант проверяет корректность подключения генератора тока, а также все расстояния между электродами. По завершении подготовительных работ, ответственное лицо начинает испытания, согласно требованиям ПУЭ, с соблюдением техники безопасности.

Проведение измерений

Для проведения измерения сопротивления грунтового основания в лаборатории собирается стенд из 4 пластинчатых электродов.

Частота генератора постоянного или переменного тока не должна превышать 1000 Гц.

Все 4 внешних электрода должны иметь одинаковую толщину и площадь, выполнены из идентичного материала.

Суть испытаний сводится к определению разницы напряжений между внутренними электродами при подаче электротока от генератора. При снятии замеров, внутренние электроды устанавливаются на одинаковом расстоянии друг от друга.

Обработка результатов измерения

По аналогии с предыдущей методикой, после получения фактических показателей по результатам лабораторных измерений, начинается камеральная обработка результатов. Фактическое сопротивление грунтового основания выводится из следующей зависимости:

R_r – искомая величина – удельное сопротивление грунта.

U – разница напряжений между соседними внутренними токопроводящими деталями.

I – расчётная сила тока внутри первичного контура, образованного пластинчатыми электродами.

Из формулы видно, что сопротивление выводится из классического закона Ома для переменного тока.

В свою очередь, удельное сопротивление грунта определяется с использованием следующей формулы:

R_уд – искомая величина.

F_эл – контактная площадь боковой поверхности внутреннего электрода, погруженного в образец.

L – расстояние между внутренними вертикальными токопроводящими элементами.

В зависимости от марки прибора, включенного во временную цепь, алгоритм определения сопротивления грунта может меняться, согласно инструкции по эксплуатации метрологического оборудования

Оформление результатов измерений

По результатам измерений оформляется протокол, содержание которого аналогично описанному выше варианту.

Форма протокола определения удельного электрического сопротивления грунта в лабораторных условиях

Пустые формы протоколов имеются в наличии у каждой официально зарегистрированной лаборатории. На бланке указываются сведения об объекте, метрологических приборах, а также результаты проведённых измерений.

В конце протокола ответственное лицо делает вывод о пригодности грунта основания для последующей эксплуатации токопроводящей жилы под напряжением без проведения дополнительных защитных мероприятий.

Удостоверяя документацию подписями и печатью, представители электролаборатории принимают на себя ответственность за последующую безопасную эксплуатацию инженерной сети.

Удельное сопротивление грунта

Расчётное удельное электрическое сопротивление грунта (Ом*м) — параметр, определяющий собой уровень «электропроводности» земли как проводника, то есть как хорошо будет растекаться в такой среде электрический ток от заземлителя.

Это измеряемая величина, зависящая от состава грунта, размеров и плотности прилегания друг к другу его частиц, влажности и температуры, концентрации в нём растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков).

Использование в расчётах

Электрическое удельное сопротивление грунта является основным параметром для расчёта заземления.

Чем меньший размер имеет эта величина, тем меньше будет сопротивление заземления смонтированного устройства.

Величины расчётного электрического удельного сопротивления грунта (таблица)

Сопротивление заземления для комплектов ZZ-000-015 и ZZ-000-030, указанное в таблице, может использоваться при различных конфигурациях заземлителя — и точечной, и многоэлектродной.

Вместе с таблицей ориентировочных величин расчётного удельного сопротивления грунта предлагаем Вам
воспользоваться географической картой уже смонтированных ранее заземлителей на базе готовых комплектов заземления ZANDZ с результатами замеров сопротивления заземления.

Типы грунтов республики Казахстан и их удельные электрические сопротивления (карта)

Глина, суглинок, супесь (различия)

Рыхлые осадочные грунты, состоящие из глины и песка, классифицируются по содержанию в них глинистых частиц:

• глина — более 30%. Глина очень пластичная, хорошо скатывается в шнур (между ладонями). Скатанный из глины шар сдавливается в лепешку без образования трещин по краям.
  • тяжелая — более 60%
  • обычная — от 30 до 60% с преобладанием глинистых частиц
  • пылеватая — от 30 до 60% с преобладанием песка
  • суглинок — от 10% до 30% глины. Этот грунт достаточно пластичен, при растирании его между пальцами не чувствуются отдельные песчинки. Скатанный из суглинка шар раздавливается в лепешку с образованием трещин по краям.
    • тяжелый — от 20 до 30%
    • средний — от 15 до 20%
    • легкий — от 10 до 15%
    • супесь (супесок) — менее 10% глины. Является переходной формой от глинистых к песчаным грунтам. Супесь наименее пластичная из всех глинистых грунтов; при ее растирании между пальцами чувствуются песчинки; она плохо скатывается в шнур. Скатанный из супеси шар рассыпается при сдавливании.

Зависимости от условий

Зависимость удельного сопротивления грунта (суглинок) от его влажности
(данные из IEEE Std 142-1991):

Зависимость удельного сопротивления грунта (суглинок) от его температуры
(данные из IEEE Std 142-1991):

На этом графике хорошо видно, что при температуре ниже нуля грунт резко повышает свое удельное сопротивление, что связано с переходом воды в другое агрегатное состояние (из жидкого в твердое) — почти прекращаются процессы переноса заряда ионами солей и кислотными/щелочными остатками.

Измерение удельного электрического сопротивления грунта

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 D U – 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 D U 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.

© ЗАО «Новости Электротехники»
Использование материалов сайта возможно только с письменного разрешения редакции
При цитировании материалов гиперссылка на сайт с указанием автора обязательна