Full Text

Введение. Как показывает практика, зачастую при выполнении работ по проектированию заземляющих устройств учитывают сопротивление только верхнего слоя грунта, поскольку оно оказывает основное влияние на величину сопротивления заземлителей. Для создания точной карты грунта необходимо провести большой объем геологических работ (буровые работы), что вызывает значительное увеличение стоимости проекта и чаще всего это невозможно. Зачастую при определении структуры грунта не выполняют буровые работы и считают, что земля во всем объеме однородна и в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением, в результате чего расчеты значительно упрощаются, что приводит к неоправданному завышению числа проектируемых заземлителей на объекте. Только при проектировании глубинных заземлителей применяется метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ), позволяющий определить удельное сопротивление глубинных слоев земли. При большой площади электроустановки выполнение ВЭЗ является очень дорогим мероприятием. Гораздо проще и дешевле определить структуру грунта по карте геологических разрезов [1, 2, 6]. В действительности земля имеет слоистое строение, и на объекте может оказаться несколько различных слоев грунта, имеющих не только разные уровни плотности, но и разные удельные электрические сопротивления, что, конечно, нельзя не учитывать при подборе и проектировании заземляющих устройств. Поэтому перед тем как проектировать заземляющее устройство, важно изучить карту геологического разреза грунтов данной местности. Исследования влияния слоистости грунтов на точность расчетов параметров заземляющих устройств представлены в работах [3, 4, 5, 6]. Слои земли чаще всего расположены горизонтально и представляют собой грунты различного рода с разным минеральным составом, пористостью, плотностью, влажностью и температурой, концентрацией растворимых химических веществ (солей, кислотных и щелочных остатков) и т.д. Поэтому удельные электрические сопротивления различных слоев земли могут существенно отличаться. Обычно верхние слои земли имеют большее удельное сопротивление, чем нижележащие. В редких случаях бывает наоборот, когда под поверхностью земли находятся горные породы, обладающие большим удельным сопротивлением: кварц, базальт, известняки и т.д. На практике более чем в 70 % случаев грунт на глубине более 5 м имеет в разы меньшее удельное электрическое сопротивление, чем у поверхности, за счет большей влажности и плотности. Часто встречаются грунтовые воды, которые обеспечивают грунту низкое сопротивление, в результате чего заземление получается очень надежным [4, 6]. Учет неоднородности земли значительно повышает точность расчета заземлителей и удешевляет их проектирование. В последнее время применяется метод расчета заземлителей, при котором условно земля имеет два слоя - верхний и нижний, обладающих каждый своим удельным сопротивлением и и толщиной и [4, 14]. В данной работе при расчете сопротивления заземлителя было принято допущение: земля, в которой расположен заземлитель, является бесконечным полупространством, состоящим из произвольного числа n слоев. Толщина каждого слоя конечна. В пределах каждого i-го слоя удельное сопротивление земли постоянно и равно ri. Поверхность земли и границы раздела между слоями горизонтальны [5]. Конфигурация заземлителя выбирается инженером на основании его опыта и возможности ее применения на конкретном объекте. Особенно при строительстве чаще всего применяются вертикальные заземляющие электроды. Это связано с тем, что горизонтальные электроды трудно заглубить на большую глубину, а при малой глубине таких электродов значительно увеличивается сопротивление заземления в зимний период из-за замерзания верхнего слоя грунта, приводящее к большому увеличению его удельного электрического сопротивления. Гораздо эффективнее в качестве заземлителя применять глубокий электрод (чаще всего одиночный) в виде стальной трубы, размещенный в пробуриваемом в грунте отверстии. При увеличении длины электрода достигается большая площадь контакта заземлителя с грунтом (создаются благоприятные условия для перехода тока в грунт), а также при значительном заглублении заземлителя достигаются глубинные слои, насыщенные водой, с более низким удельным электрическим сопротивлением [6]. Изначально было рассчитано сопротивление заземлителя по упрощенной системе (однородный грунт, по верхнему слою) по формуле для вертикального заземлителя: (1) где - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом×м; l - длина заземлителя, м; d - диаметр вертикального заземлителя (в соответствии с табл. 1.7.4 ПУЭ «Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле», d > 12 мм), d = 0,02 м; t - расстояние от поверхности земли до середины стержня, ; t0 - заглубление заземлителя [4]. Приведение многослойной земли к двухслойной производится путем отнесения к верхнему слою тех слоев, у которых имеет большие значения, а к нижнему слою - тех, у которых имеет малые значения. При этом расчетные удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев двухслойной земли и , Ом м, определяются по уравнению: (2) (3) Здесь индексы от 1 до k обозначают номера слоев, вошедших в верхний слой двухслойной земли, от (k + 1) до n - слоев, вошедших в нижний слой; , , …, , , - расчетные значения удельных сопротивлений соответствующих слоев земли [4]. При приведении двухслойной земли к однослойной земле используется формула , (4) где - длины частей электрода в верхнем и нижнем слое соответственно, - эквивалентные удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев [4, 13, 15]. 1. Характеристика грунтов севера и юга Пермского края. Основная особенность географического положения Пермского края заключается в том, что он находится на стыке Русской равнины с Уральскими горами. Западная и центральная части региона представляют собой холмистую равнину, которая плавно повышается в восточном и южном направлениях [7, 9]. В геоструктурном отношении край делится на две неравные по площади части: большую западную - Предуралье, характеризующуюся платформенным залеганием палеозойских и мезозойских отложений различного генезиса и мощности, и меньшую - Урал, представленную интенсивно дислоцированными породами палеозоя и протерозоя. Кайнозойские образования представлены преимущественно рыхлыми породами четвертичной системы континентального происхождения и очень небольшими по площади «островками» отложений неогенового возраста [7, 10]. В северной части Пермского края распространены ледниковые отложения среднеплейстоценового возраста фрагментарно (бассейны рек Косы, Уролки, Кондаса). Представлены они суглинками, глинами, супесями, слагавшими в свое время днепровскую морену. В составе валунно-галечникового материала встречаются песчаники, кварциты, кремни, сланцы, известняки, доломиты, иногда даже метаморфические и изверженные породы уральского и кольского происхождения. Характерными признаками ледниковых отложений являются их высокая плотность и неоднородность состава. Мощность пород составляет 3-5 м. В центральной и южной части равнинного Прикамья распространены делювиальные и делювиально-солифлюкционные отложения, представляющие шлейфы рыхлых пород. Обязанные своим происхождением подстилающим их коренным породам, делювиальные отложения по составу варьируют от песков и галечников - продуктов разрушения соответственно песчаников и конгломератов до глин и суглинков - продуктов разрушения аргиллитов, алевролитов, доломитов и др. В средней и верхней частях разреза в суглинках довольно часто наблюдаются прослои погребенных древних почв и (или) щебня. Мощность отложений - до 15 м. [7, 8, 9]. Для расчета сопротивления одиночного заземлителя сделан выбор структуры грунта для северной и южной части Пермского края, который представлен в табл. 1, 2. Таблица 1 Структура грунта северной части Пермского края Наименование Состав слоя Верхний слой Песок 1 600 Супесь 2 300 Нижний слой Суглинок 1 100 Глина 3 40 Песчаники 10 1000 Значения удельных электрических сопротивлений выбраны согласно рекомендуемым значениям удельных электрических сопротивлений верхнего слоя земли (глубиной до 50 м) [5, табл. 3.7] Результаты расчета сопротивления одиночного вертикального заземлителя по упрощенной методике и с учетом эквивалентного сопротивления слоев грунта (сложной методике) приведены в табл. 3. Таблица 2 Структура грунта южной части Пермского края Наименование Состав слоя Верхний слой Суглинок 2 100 Песок 1 300 Глина 1 40 Песок 1 200 Глина 1 40 Нижний слой Известняк рыхлый 10 300 Таблица 3 Результаты расчета сопротивления одиночного вертикального заземлителя по упрощенной и сложной методике l, м Север края Юг края Rупр, Ом rэкв (сложн), Ом·м Rсложн, Ом Отклонение R, % Rупр, Ом rэкв (сложн), Ом·м Rсложн, Ом Отклонение R, % 3 192,4 360,0 115,5 40,0 32,1 128,6 41,2 -28,6 3,5 169,7 262,5 74,2 56,3 28,3 97,7 27,6 2,3 4 152,0 218,2 55,3 63,6 25,3 82,8 21,0 17,2 4,5 137,9 145,9 33,5 75,7 23,0 88,5 20,3 11,5 5 126,4 115,4 24,3 80,8 21,1 93,8 19,7 6,3 5,5 116,7 98,5 19,2 83,6 19,5 83,5 16,3 16,5 6 108,5 87,8 15,9 85,4 18,1 76,6 13,9 23,4 6,5 101,5 80,4 13,6 86,6 16,9 81,3 13,7 18,8 7 95,3 75,0 11,9 87,5 15,9 85,7 13,6 14,3 10 70,4 103,8 12,2 82,7 11,7 109,1 12,8 -9,1 В упрощенной методике сопротивление заземлителя рассчитывается по верхнему слою: для севера Ом м, для юга - 100 Ом м. Отклонение сопротивления одиночного вертикального заземлителя вычисляется по формуле (5) где Rслож - сопротивление заземлителя, рассчитанное по удельным сопротивлениям верхнего и нижнего слоев, Ом; Rупр - сопротивление заземлителя, рассчитанное по верхнему слою грунта, Ом. На рис. 1 представлен график зависимости сопротивления вертикального заземлителя от его длины, рассчитанный для северной части Пермского края по упрощенной (по верхнему слою) и сложной методике (по верхнему и нижнему слою грунтов). Рис. 1. График зависимости сопротивления заземлителя от его длины, рассчитанный для северной части Пермского края На рис. 2 представлен график зависимости сопротивления вертикального заземлителя от его длины, рассчитанный для южной части Пермского края по упрощенной (по верхнему слою) и сложной методике (по верхнему и нижнему слою грунтов). Рис. 2. График зависимости сопротивления заземлителя от его длины, рассчитанный для южной части Пермского края Как видно из представленных графиков, пренебрежение учетом слоистости и характеристик грунтов при расчете сопротивлений заземляющих устройств и использование упрощенных методик для расчета ведут к существенным отклонениям (40-87 %) этих сопротивлений от фактических значений для северной части Пермского края и значительно меньшим отклонениям (6-20 %) для южной части края. Поэтому для южной части региона могут использоваться с достаточной степенью достоверности упрощенные методики расчета сопротивления заземлителя по верхнему слою грунта. В восточной части региона находится горный массив - Уральские горы, к нему с запада прилегает Русская платформа. Погружение кристаллического фундамента происходит на глубину до 6-8 км (в центре и на западной периферии региона - 2-3 км). Урал отличается от Предуралья выходом дислоцированных - смятых в складки горных пород, возрастом - начиная от верхнего протерозоя до нижнепермских отложений включительно. Нижний протерозой представлен кварцитами, сланцами, кварцевыми порфирами, глинистыми сланцами, песчаниками, известняками, доломитами, гематитовыми сланцами. Мощность отложений - свыше 6000 м. Вторым, не менее важным моментом участия Урала в формировании восточной окраины Русской платформы является «уральское» происхождение рыхлого материала, слагающего толщи осадочного чехла [7]. Таким образом, в восточной части региона в земле находятся горные породы, обладающие высоким удельным сопротивлением. Нижние слои грунта (каменистые грунты) имеют более высокое удельное сопротивление, которое необходимо учитывать. Западная часть Пермского края (80 % территории) расположена на окраине Восточно-Европейской равнины, где преобладает низменный и равнинный рельеф. Как таковой слоистости нет, поэтому пригодны упрощенные методики расчета сопротивления заземлителя по верхнему слою грунта [7]. 2. Удельное сопротивление грунта с учетом климатического коэффициента сезонности. Удельное сопротивление верхних слоев земли колеблется в течение года в связи с изменением погодных условий, влекущих за собой изменение температуры грунта, содержания влаги и солей в нем, т.д. Толщина слоя земли, подверженного сезонным изменениям, называется слоем сезонных изменений и обозначается . Как правило, мощность слоя сезонных изменений меньше или равна толщине верхнего слоя грунта . Таким образом, очевидно, что верхний слой подвержен воздействию погодных условий, и его имеет значительные сезонные колебания, которые необходимо учитывать при проектировании заземляющих устройств [4]. Обычно снижение сопротивления грунта происходит в весенние и осенние месяцы, когда увеличивается содержание влаги в почве. Увеличение сопротивления грунта происходит зимой и летом вследствие замерзания и испарения влаги. Наибольшему влиянию погодных условий подвержены верхние слои грунта, которые зимой промерзают, весной и осенью насыщаются влагой, а летом лучше всех прогреваются и высыхают. Для обеспечения условий электробезопасности при проектировании заземляющего устройства необходимо брать наибольшее возможное удельное сопротивление в течение года. Формула для расчетного значения удельного сопротивления для однородной земли имеет вид: (6) где - удельное сопротивление грунта, полученное из справочной литературы, - климатический коэффициент сезонности для данной местности, зависящий от средней многолетней низшей температуры (январь) и средней многолетней высшей температуры (июль). Для неоднородной земли влиянию погодных условий подвергаются те слои, которые лежат в пределах толщины слоя сезонных изменений (только в этой зоне меняется ) [4]. Был определен климатический коэффициент сезонности для города Соликамска на севере Пермского края. Средняя многолетняя низшая температура января равна - 19,7 °C, средняя многолетняя высшая температура июля составляет 17,8 °C. Таким образом, Соликамск можно отнести к первой климатической зоне. Для электродов длиной 3 - 4,5 м: y = 1,65; для 5 м - 1,35 толщина слоя сезонных изменений . Был определен климатический коэффициент сезонности для города Чернушка на юге Пермского края. Средняя многолетняя низшая температура января равна -19,1 °C, средняя многолетняя высшая температура июля составляет 24,4 °C. Таким образом, город Чернушка можно отнести ко второй климатической зоне. Для электродов длиной 3-4,5 м: y = 1,45; для 5 м - 1,25 толщина слоя сезонных изменений [11, 12]. При приведении двухслойной земли учитываем : (7) где влияет только на эквивалентное удельное сопротивление верхнего слоя. Таблица 4 Результаты расчета сопротивления одиночного вертикального заземлителя с учетом климатического коэффициента сезонности данного региона l, м Север края Юг края Rупр, Ом rэкв (сложн), Ом·м Rсложн, Ом Отклонение R, % Rупр, Ом rэкв (сложн), Ом·м Rсложн, Ом Отклонение R, % 3 317,5 594,0 190,5 40,0 46,5 175,2 56,2 -20,8 3,5 280,0 326,9 92,4 67,0 41,0 118,1 33,4 18,5 4 250,9 265,8 67,3 73,2 36,7 95,0 24,1 34,5 4,5 227,6 163,3 37,5 83,5 33,3 100,8 23,2 30,5 5 170,6 121,4 25,6 85,0 26,3 101,4 21,3 18,9 5,5 157,6 102,5 19,9 87,3 24,3 88,9 17,3 28,8 6 146,5 90,7 16,4 88,8 22,6 80,7 14,6 35,4 6,5 137,0 82,6 14,0 89,8 21,1 85,5 14,5 31,6 7 128,7 76,8 12,2 90,5 19,9 90,1 14,3 27,9 10 95,0 106,19 12,5 86,9 14,7 114,07 13,4 8,7 В упрощенной методике сопротивление заземлителя (табл. 4) рассчитывается по верхнему слою: для севера при длине заземлителя до 5 м Ом м, при длине заземлителя более 5 м Ом м. Для юга при длине заземлителя до 5 м Ом м, при длине заземлителя более 5 м - rэкв = 125 Ом м. Отклонение сопротивления одиночного вертикального заземлителя вычисляется по формуле (5). На рис. 3 представлен график зависимости сопротивления вертикального заземлителя от его длины, рассчитанный для северной части Пермского края по сложной методике (по верхнему и нижнему слою грунтов) без учета и с учетом климатического коэффициента. Рис. 3. График зависимости сопротивления заземлителя от его длины, рассчитанный для северной части Пермского края с учетом климатического коэффициента На рис. 4 представлен график зависимости сопротивления вертикального заземлителя от его длины, рассчитанный для южной части Пермского края по сложной методике (по верхнему и нижнему слою грунтов) без учета и с учетом климатического коэффициента. Рис. 4. График зависимости сопротивления заземлителя от его длины, рассчитанный для южной части Пермского края с учетом климатического коэффициента Таблица 5 Отклонение сопротивления заземлителя без учета и с учетом климатического коэффициента сезонности, % l, м Север края Юг края Отклонение r, % (упр) Отклонение r, % (сложн) Отклонение r, % (упр) Отклонение r, % (сложн) 3 39,4 39,4 31,0 26,6 3,5 39,4 19,7 31,0 17,3 4 39,4 17,9 31,0 12,8 4,5 39,4 10,6 31,0 12,2 5 25,9 5,0 20,0 7,5 5,5 25,9 3,9 20,0 6,1 6 25,9 3,2 20,0 5,1 6,5 25,9 2,7 20,0 5,0 7 25,9 2,3 20,0 4,9 10 25,9 2,2 20,0 4,4 Среднее значение 31,3 10,7 24,4 10,2 Отклонение сопротивления одиночного вертикального заземлителя с учетом климатического коэффициента сезонности вычисляется по формуле (7) где - рассчитанное значение сопротивления заземлителя без учета климатического коэффициента, - рассчитанное значение сопротивления заземлителя с учетом климатического коэффициента. Таким образом, сопротивление заземлителя увеличивается при учете климатического коэффициента сезонности в среднем для севера на 21 % и для юга на 17,3 % (табл. 5). C увеличением длины вертикального заземлителя климатический коэффициент все меньше влияет на эквивалентное сопротивление заземлителя, так как подвержен сезонным изменениям только верхний слой грунта. Выводы. Известно, что зачастую при проектировании заземляющих устройств не учитывается слоистость грунтов и расчет ведется только по верхнему слою грунта. Это приводит к существенным отклонениям данных от действительных значений, особенно для северной части Пермского края, где при расчете сопротивлений заземляющих устройств по упрощенной (по верхнему слою) методике получаем завышенные их значения. При этом точность расчетов обычно невысока. На юге края при расчете сопротивлений заземляющих устройств по упрощенной методике получаем слегка завышенные их значения, что видно (см. рис. 1, 2). Установлено, что наиболее эффективным является расчет сопротивления заземлителей с учетом многослойности грунта и изменений погодных условий. Показано, что при проектировании заземляющих устройств необходимо учитывать климатический коэффициент сезонности для того, чтобы сопротивление заземляющего устройства при худших условиях не превышало допустимых значений, регламентированных нормативными документами, и обеспечивались условия электробезопасности: значения напряжения прикосновения и напряжения шага находились в пределах допустимых. На основании выполненного анализа показана лучшая эффективность вертикальных заземлителей по сравнению с горизонтальными в слоистых грунтах. Для северной и южной части края используем заземлители длиной до 5 м, так как в этой части наиболее сказывается влияние слоистости грунтов. Таким образом, обоснованное использование заземлителей длиной до 5 м обеспечивает необходимые условия электробезопасности и уменьшает стоимость монтажных работа при проектировании глубинных заземлителей.

About the authors

L. M Vedeneyeva

Perm National Research Polytechnic University

Email: bg@pstu.ru

A. V Chudinov

Perm National Research Polytechnic University

Email: aleksander.tchudinov@yandex.ru

References

Statistics

Views

Abstract - 28

PDF (Russian) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.