Исследование одиночных заземлителей

Лабораторная работа №8

Исследование одиночных заземлителей

 

 

Цель работы: Определить влияние геометрических размеров одиночных заземлителей на их сопротивление растеканию тока и ознакомиться с методом определения удельного объема сопротивления грунта.

 

1 Краткие сведения  

Заземлитель – это проводник или совокупность металлически соединенных проводников, находящихся в соприкосновении с землей. Заземлители бывают искусственные, предназначенные исключительно для целей загземления, и естественные – находящиеся в земле металлические предметы иного назначения.

Для заземления оборудования используются естественные заземлители: железобетонные фундаменты, а также расположенные в земле металлические конструкции зданий и сооружений.

С помощью защитного заземления уменьшается напряжение на корпусе относительно земли до безопасного значения, следовательно, уменьшается и сила тока, протекающего через тело человека.

Каждый отдельный проводник, находящийся в контакте с землей, называется одиночным заземлителем или электродом. Если заземлитель состоит из нескольких электродов соединенных между собой параллельно, то он называется групповым заземлителем.

Ток, проходящий через заземлитель в землю, преодолевает сопротивление, называемое сопротивлением заземлителя растеканию тока или просто сопротивлением растеканию. Это сопротивление состоит из трех частей: сопротивление самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом, сопротивления грунта. Две первые части по сравнению с третьей весьма малы, поэтому под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока.

 

Рисунок 1 - Типы одиночных заземлителей (электродов): а – стержневой вертикальный у поверхности земли;

б – стержневой вертикальный заглубленный;

в – полосовой горизонтальный.

 

Поскольку плотность тока в земле на расстоянии больше 20 м от заземлителя весьма мала, можно считать, что сопротивление растеканию оказывает лишь соответствующий объем земли: например, при одиночном полушаровом заземлителе эта полусфера радиусом 20 м. Однако при разных формах и размерах заземлителя сопротивление этого объема грунта различно.

Так, для стержневого электрода (труба), забитого в землю вертикально (в соответствии с рисунком 1 а) сопротивление растеканию может быть определено по следующей формуле:

 

, (1)

 

где l и d – длина и диаметр стержня, м

ρ – удельное объемное сопротивление грунта, Ом

Для наиболее часто применяемых электродов – вертикального стержневого, верхний конец которого заглублен в землю (в соответствии с рисунком 1 6), и горизонтального полосового, уложенного на некоторой глубине параллельно поверхности земли (в соответствии с рисунком 1 в) – сопротивление растеканию определяются по следующим формулам (Ом):

 

для вертикального   , (2)

 

где t – заглубление электрода, т.е. расстояние от поверхности земли до середины электрода, м

 

для горизонтального , (3)

 

где l и b – длина и ширина полосы, м

t – заглубление полосы, м

Из уравнений (1), (2), и (3) видно, что сопротивление заземлителя растекания тока прямопропорционально удельному объемному сопротивлению грунта ρ, т.е. сопротивлению куба грунта с ребром 1 м. Удельное объемное сопротивление имеет размерность Ом*м.

Значение плотности земли колеблется в широких пределах – от десятков Ом*м до десятков тысяч Ом*м, так как оно зависит от многих факторов: влажности грунта, температуры, рода грунта, степени его уплотненности, а так же времени года. Абсолютно сухой грунт является плохим проводником тока. Малейшее увлажнение резко снижает его сопротивление. При низкой температуре – ниже нуля градусов – земля обладает очень большим сопротивлением. Грунты разного рода при одних и тех же условиях имеют разные объемные удельные сопротивления. Хорошо проводит ток глина, поэтому в глинистой почве качественное заземление выполнить легче, чем в других грунтах и заземление работает надежнее. Песок плохо проводит ток, так как удерживает влагу плохо и поэтому в песчаном грунте заземление работает плохо, т.е. сопротивление его может резко возрасти при незначительных изменениях погодных условий.

Уплотненность, т.е. утрамбованность грунта также влияет на его удельное объемное сопротивление: чем плотнее грунт, тем меньше сопротивление.

Времена года так же влияют на сопротивление грунта, поскольку атмосферные условия, изменяющиеся в течение года, изменяют содержание влаги в грунте, его температуру и т.д. Уменьшение удельного объемного сопротивления происходит в весенние и осенние месяцы года, когда дожди и тающий снег резко увеличивают содержание влаги в почве. Увеличение удельного сопротивления происходит зимой и летом: зимой – вследствие замерзания, а летом – вследствие испарения влаги.

Наибольшему влиянию атмосферных условий подвержены верхние слои земли, которые зимой промерзают, весной и осенью раньше других слоев насыщаются влагой, а летом раньше прогреваются и высыхают. Поэтому заземлители, глубоко погруженные в землю, например вертикальные стержневые, выполняют свою задачу лучше, чем горизонтальные полосовые, прокладываемые обычно вблизи поверхности земли.

При проектировании заземляющих устройств необходимо в качестве расчетного брать наибольшее возможное в течение года значение удельного объемного сопротивления грунта ρ_расч, т.е. ориентироваться на худший случай. Однако в самое неблагоприятное время года производить измерения сопротивления земли на всегда возможно, ρ_расч принимают равным произведению измеренного удельного объемного сопротивления ρ_изм на коэффициент сезонности φ, учитывающий возможное повышение ρ_изм за счет изменения погодных условий, т.е.

 

 

При этом ρ_изм получают при средней влажности грунта, когда ему предшествовало выпадение небольшого дождя, а коэффициент φ берется из таблицы (Б 1, приложения).

При проектировании заземляющего устройства необходимо знать удельное объемное сопротивление грунта в том месте, где будет сооружаться заземление. Пользоваться для этой цели данными справочника нельзя, так как в них приводятся ориентировочные значения ρ, которые могут отличаться от истинных в сотни раз.

Удельное объемное сопротивление грунта определяется в два этапа: вначале измеряется сопротивление растеканию R_расч одиночного заземлителя, погруженного в землю на участке, где будет сооружаться заземление, и называемого в этом случае контрольным электродом, а потом, подставив R_изм в формулу для определения сопротивления растеканию данного электрода, вычисляется ρ_изм.

В качестве контрольных следует применять также электроды, которые будут использоваться при устройстве заземления. Обычно это стержневой электрод, забиваемый в землю вертикально, полосовой, прокладываемый параллельно поверхности земли и служащий для соединения между собой стержневых электродов.

Определять ρ грунта путем измерения сопротивления образца не разрешается, поскольку этот способ дает большую ошибку из-за неучета разнородности слоев почвы на разных глубинах и в разных местах и потому, что у извлеченного образца плотность грунта и структура обычно иные, чем в реальном грунте.