Как точно измерить удельное сопротивление грунта?
Вопросам обеспечения электробезопасности в настоящее время придают исключительно большое значение. Данная статья посвящена измерению удельного электрического сопротивления грунта методом так называемого вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) земли.
Метод ВЭЗ был предложен и быстро получил широкое распространение в начале 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.
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.
Она состоит (рис.1) из генератора стабилизированного электрического тока, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, микровольтметра с делителем напряжения и схемой замещения измеряемого сигнала собственным сигналом, например, из комплекта ИКС-1 или ИКС-50, двух потенциальных электродов М 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 М и N, с тем чтобы наводимая им разность потенциалов на потенциальных электродах М 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.
Автор 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 М 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.
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 выражению:
К <= (10000 – RB)/2,
где RB – сопротивление токового электрода В, Ом.
Удельное электрическое сопротивление с грунта определяют по известной формуле:
где AU – разность потенциалов между электродами М и N; MN – расстояние между электродами Ми N; NB – расстояние между электродами N и В.
Коструба С. Измерение удельного сопротивления грунта, предпроектные изыскания для сооружения заземляющих устройств // Новости электротехники. – 2003. – №1.
Конструктор № 7-8/2003
Измерение удельного сопротивления грунта
Показания удельного сопротивления грунта представляют особый интерес при проведении измерений и расчетов сопротивления заземляющих устройств и заземлителей, предназначенных для защиты от грозовых и внутренних перенапряжений.
Проводимость земли значительно ниже проводимости металлов и жидкостей.
Величина удельного сопротивления грунта описывает сопротивление грунта прохождению электрического тока при прохождении сквозь него, описывает свойства грунта как проводника.
Количество заземлителей и сопротивление заземления находятся в прямой зависимости: чем больше сопротивление, тем больше заземлителей нужно чтобы добиться приемлемых значений сопротивления заземления. При проектировании заземления также необходимо знать точное значение удельного сопротивления грунта в месте монтажа заземляющего устройства.
Электрофизические измерения, такие как удельное сопротивление грунта может проводить только аккредитованная лаборатория, имеющая квалифицированных специалистов.
Сопротивление грунта и сопротивление заземления
Если значение удельного сопротивления грунта находится на низком уровне то электрический ток, возникающий при грозовом разряде или ток утечки (повреждения) легче растекается в среде.
Это снижает сопротивление заземляющего устройства, что обеспечивает поглощение грунтом токов, что в свою очередь предотвращает их протекание по проводящим частям электроустановок.
Таким образом достигается защита людей от поражения электрическим током. Оборудование же избегает помех и нарушений работы. Заземляющее устройство следует дополнять системой уравнивания потенциалов.
Жилые дома и линии электропередач вполне могут иметь заземляющее устройство с более высоким уровнем заземления по сравнению с подстанциями, центрами обработки данных, медицинскими центрами и объектами связи. Обеспечит низкое сопротивление заземляющего устройства можно увеличив число электродов.
Норма сопротивления заземляющего устройства определяется специалистами в соответствии с информацией, представленной в ПУЭ а также в других отраслевых стандартах и документации.
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).
Примерные значения удельного сопротивления различных грунтов
Часто при проектировании заземляющего устройства необходимо иметь достоверные данные об удельном сопротивлении грунта на месте строительства. Достоверные сведения можно получить только при помощи и измерений на местности, но по разным причинам бывает, что возможности их провести нет. Использование справочных таблиц в таком случае представляется как выход, но стоит принять во внимание, что расчет будет неточен и носит ориентировочный характер.
| Тип грунта | Удельное сопротивление грунта rE (Ом·м) |
| Болотистый грунт | 5-40 |
| Мокрая почва, глина, перегной | 20-200 |
| Песок | 200-2500 |
| Гравий | 2000-3000 |
| Камень, рассыпанный под действием погодных условий, как правило | |
| Песчаник | 2000-3000 |
| Гранит | >50000 |
| Морена | >30000 |
| 1 часть цемента + 3 части песка | 50-300 |
| Цемент (чистый) | 50 |
Совокупное значение различных уровней удельного сопротивления слоев грунта на разных глубинах влияют на общее сопротивление грунта.
Удельное сопротивление грунта также находится в зависимости от температуры, влажности и времени года.
Исходные данные для расчета заземления
1. Основные условия, которых необходимо придерживаться при сооружении заземляющих устройств это размеры заземлителей.
1.1. В зависимости от используемого материала (уголок, полоса, круглая сталь) минимальные размеры заземлителей должны быть не меньше:
- а) полоса 12х4 – 48 мм2;
- б) уголок 4х4;
- в) круглая сталь – 10 мм2;
- г) стальная труба (толщина стенки) – 3.5 мм.
Минимальные размеры арматуры применяемые для монтажа заземляющих устройств
1.2. Длина заземляющего стержня должна быть не меньше 1.5 – 2 м.
1.3. Расстояния между заземляющими стержнями берется из соотношения их длины, то есть: a = 1хL; a = 2хL; a = 3хL.
В зависимости от позволяющей площади и удобства монтажа заземляющие стрежни можно размещать в ряд, либо в виде какой ни будь фигуры (треугольник, квадрат и т.п.).
Цель расчета защитного заземления.
Основной целью расчета заземления является определить число заземляющих стержней и длину полосы, которая их соединяет.
Типы грунтов республики Казахстан и их удельные электрические сопротивления (карта)
| Удельное сопротивление, среднее значение (Ом* м ) | Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-015, Ом | Сопротивление заземления для комплекта ZZ-000-030, Ом | Сопротивление заземления для комплекта ZZ-100-102, Ом | |
| Асфальт | 200 — 3 200 | 17 — 277 | 9,4 — 151 | 8,3 — 132 |
| Базальт | 2 000 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Бентонит (сорт глины) | 2 — 10 | 0,17 — 0,87 | 0,09 — 0,47 | 0,08 — 0,41 |
| Бетон | 40 — 1 000 | 3,5 — 87 | 2 — 47 | 1,5 — 41 |
| Вода | ||||
| Вода морская | 0,2 | |||
| Вода прудовая | 40 | 3,5 | 2 | 1,7 |
| Вода равнинной реки | 50 | 4 | 2,5 | 2 |
| Вода грунтовая | 20 — 60 | 1,7 — 5 | 1 — 3 | 1 — 2,5 |
| Вечномёрзлый грунт (многолетнемёрзлый грунт) | ||||
| Вечномёрзлый грунт — талый слой (у поверхности летом) | 500 — 1000 | — | — | 20 — 41 |
| Вечномёрзлый грунт (суглинок) | 20 000 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Вечномёрзлый грунт (песок) | 50 000 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Глина | ||||
| Глина влажная | 20 | 1,7 | 1 | 0,8 |
| Глина полутвёрдая | 60 | 5 | 3 | 2,5 |
| Гнейс разложившийся | 275 | 24 | 12 | 11,5 |
| Гравий | ||||
| Гравий глинистый, неоднородный | 300 | 26 | 14 | 12,5 |
| Гравий однородный | 800 | 69 | 38 | 33 |
| Гранит | 1 100 — 22 000 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Гранитный гравий | 14 500 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Графитовая крошка | 0,1 — 2 | |||
| Дресва (мелкий щебень/крупный песок) | 5 500 | 477 | 260 | 228 |
| Зола, пепел | 40 | 3,5 | 2 | 1,7 |
| Известняк (поверхность) | 100 — 10 000 | 8,7 — 868 | 4,7 — 472 | 4,1 — 414 |
| Известняк (внутри) | 5 — 4 000 | 0,43 — 347 | 0,24 — 189 | 0,21 — 166 |
| Ил | 30 | 2,6 | 1,5 | 1 |
| Каменный уголь | 150 | 13 | 7 | 6 |
| Кварц | 15 000 | Требуются специальные мероприятия (замена грунта) | ||
| Кокс | 2,5 | 0,2 | 0,1 | 0,1 |
| Лёсс (желтозем) | 250 | 22 | 12 | 10 |
| Мел | 60 | 5 | 3 | 2,5 |
| Мергель | ||||
| Мергель обычный | 150 | 14 | 7 | 6 |
| Мергель глинистый (50 — 75% глинистых частиц) | 50 | 4 | 2 | 2 |
| Песок | ||||
| Песок, сильно увлажненный грунтовыми водами | 10 — 60 | 0,9 — 5 | 0,5 — 3 | 0,4 — 2,5 |
| Песок, умеренно увлажненный | 60 — 130 | 5 — 11 | 3 — 6 | 2,5 — 5,5 |
| Песок влажный | 130 — 400 | 10 — 35 | 6 — 19 | 5 — 17 |
| Песок слегка влажный | 400 — 1 500 | 35 — 130 | 19 — 71 | 17 — 62 |
| Песок сухой | 1 500 — 4 200 | 130 — 364 | 71 — 198 | 62 — 174 |
| Супесь (супесок) | 150 | 13 | 7 | 6 |
| Песчаник | 1 000 | 87 | 47 | 41 |
| Садовая земля | 40 | 3,5 | 2 | 1,7 |
| Солончак | 20 | 1,7 | 1 | 0,8 |
| Суглинок | ||||
| Суглинок, сильно увлажненный грунтовыми водами | 10 — 60 | 0,9 — 5 | 0,5 — 3 | 0,4 — 2,5 |
| Суглинок полутвердый, лесовидный | 100 | 9 | 5 | 4 |
| Суглинок при температуре минус 5 С° | 150 | — | — | 6 |
| Супесь (супесок) | 150 | 13 | 7 | 6 |
| Сланец | 10 — 100 | |||
| Сланец графитовый | 55 | 5 | 2,5 | 2,3 |
| Супесь (супесок) | 150 | 13 | 7 | 6 |
| Торф | ||||
| Торф при температуре 10° | 25 | 2 | 1 | 1 |
| Торф при температуре 0 С° | 50 | 4 | 2,5 | 2 |
| Чернозём | 60 | 5 | 3 | 2,5 |
| Щебень | ||||
| Щебень мокрый | 3 000 | 260 | 142 | 124 |
| Щебень сухой | 5 000 | 434 | 236 | 207 |
| Тип грунта | Ом*м |
| Известняк поверхностный | 5 050 |
| Гранит | 2 000 |
| Базальт | 2 000 |
| Песчаник | 1 000 |
| Гравий однородный | 800 |
| Песчаник влажный | 800 |
| Гравий глинистый | 300 |
| Чернозём | 200 |
Конструкция контура
Составные части
Уже упоминавшееся ранее сопротивление заземления (Rз) контура – основной параметр, контролируемый на всех этапах его эксплуатации и определяющий эффективность его применения.
Эта величина должна быть настолько малой, чтобы обеспечить свободный путь аварийному току, стремящемуся стечь в землю.
Обратите внимание! Важнейшим фактором, оказывающим решающее влияние на величину сопротивления заземления, является качество и состояние грунта в месте обустройства ЗУ. Исходя из этого, рассматриваемое ЗУ или заземляющий контур ЗК (что для нашего случая – одно и то же) должны иметь конструкцию, удовлетворяющую следующим требованиям:
Советуем изучить Электролитический конденсатор
Исходя из этого, рассматриваемое ЗУ или заземляющий контур ЗК (что для нашего случая – одно и то же) должны иметь конструкцию, удовлетворяющую следующим требованиям:
- В её составе необходимо предусмотреть набор металлических прутьев или штырей длиной не менее 2-х метров и диаметром от 10-ти до 25-ти миллиметров;
- Они соединяются между собой (обязательно на сварку) пластинами из того же металла в конструкцию определённой формы, образуя так называемый «заземлитель»;
- Кроме того, в комплект устройства входит подводящая медная шина (её ещё называют электротехнической) с сечением, определяемым типом защищаемого оборудования и величиной токов стекания (смотрите таблицу на рисунке ниже).
Эти составляющие устройства необходимы для соединения элементов защищаемого оборудования со спуском (медной шиной).
Различие по месту устройства
Согласно положениям ПУЭ, защитный контур может иметь как наружное, так и внутреннее исполнение, причём к каждому из них предъявляются особые требования. Последними устанавливается не только допустимое сопротивление контура заземления, но и оговариваются условия измерения этого параметра в каждом частном случае (снаружи и внутри объекта).
При разделении систем заземления по их местонахождению следует помнить о том, что лишь для наружных конструкций корректен вопрос о том, как нормируется сопротивление заземлителя, поскольку внутри помещения он обычно отсутствует. Для внутренних конструкций характерна разводка по всему периметру помещений электротехнических шин, к которым посредством гибких медных проводников подсоединяются заземляемые части оборудования и приборов.
Для элементов конструкций, заземлённых снаружи объекта, вводится понятие сопротивления повторного заземления, появившееся вследствие особенной организации защиты на подстанции.
Дело в том, что при формировании нулевого защитного или совмещённого с ним рабочего проводника на питающей станции нейтральная точка оборудования (понижающего трансформатора, в частности) уже заземляется один раз.
Поэтому когда на ответном конце того же провода (обычно это PEN или PE шина, выводимая непосредственно на щиток потребителя) делается ещё одно местное заземление, его с полным основанием можно назвать повторным. Организация этого вида защиты показана на рисунке ниже.
Важно! Наличие местного или повторного заземления позволяет подстраховаться на случай повреждения защитного нулевого провода PEN (PE – в системе электропитания TN-C-S). Такая неисправность в технической литературе обычно встречается под наименованием «отгорание нуля»
Такая неисправность в технической литературе обычно встречается под наименованием «отгорание нуля».
Измерение удельного сопротивления грунта
Измерение удельного сопротивления грунта является наиболее важным фактором при проектировании электрического заземления.
Это верно при обсуждении простых электрических схем, специальных систем заземления с низким сопротивлением или гораздо более сложных вопросов, связанных с исследованиями повышения потенциала заземления (GPR).
Измерение удельного сопротивления грунта
Измерение удельного сопротивления грунта — это процесс измерения объема грунта с целью определения проводимости грунта. Результирующее удельное сопротивление грунта выражается в ом-метрах или ом-сантиметрах. Хорошие модели грунта являются основой всех проектов заземления и разрабатываются на основе точных испытаний удельного сопротивления грунта.
Испытание удельного сопротивления грунта по методу Веннера и другие испытания удельного сопротивления грунта
4-точечный метод Веннера (иногда называемый 4-контактным) на сегодняшний день является наиболее часто используемым методом измерения удельного сопротивления грунта. Существуют и другие методы, такие как общий метод и метод Шлюмберже, однако они нечасто используются для проектирования заземления и лишь незначительно различаются по расположению датчиков по сравнению с методом Веннера.
Удельное электрическое сопротивление — это измерение удельного сопротивления данного материала. Оно выражается в ом-метрах и представляет собой сопротивление, измеренное между двумя пластинами, покрывающими противоположные стороны куба со стороной 1 м. Этот тест обычно проводится на необработанных землях во время проектирования и планирования систем заземления, специфичных для тестируемого участка. Четыре (4) испытательных щупа выходят на одинаковое расстояние, чтобы приблизиться к глубине тестируемого грунта. Типичные интервалы будут находиться в диапазоне 1 фут, 1,5 фута, 2 фута, 3 фута, 4,5 фута, 7 футов, 10 футов и т. д., при этом каждый интервал увеличивается по сравнению с предыдущим не более чем в 1,5 раза и выше. до максимального расстояния, примерно в 1-3 раза превышающего максимальный диагональный размер проектируемой системы заземления. Это приводит к максимальному расстоянию между внешними токовыми электродами от 3 до 9раз больше максимального диагонального размера будущей системы заземления.
Это один «проход» или набор измерений, который обычно повторяется, хотя и с более короткими максимальными интервалами, несколько раз вокруг места под прямым углом и по диагонали друг к другу для обеспечения точных показаний.
Основная предпосылка теста заключается в том, что датчики, расположенные на расстоянии 5 футов по поверхности, будут измерять среднее удельное сопротивление грунта на глубине приблизительно 5 футов. То же самое верно, если вы разместите датчики на расстоянии 40 футов по земле, вы получите средневзвешенное сопротивление почвы от 0 до 40 футов в глубину и все точки между ними. Эти необработанные данные должны быть обработаны с помощью компьютерного программного обеспечения для определения фактического удельного сопротивления грунта в зависимости от глубины.
Проведение четырехточечного теста Веннера
Ниже описано, как выполнить один «ход» или набор измерений. Как указывает «4-точечный», тест состоит из 4 штырей, которые необходимо вставить в землю.
Два внешних контакта называются датчиками тока, C1 и C2. Это зонды, которые подают ток в землю. Два внутренних датчика — это потенциальные датчики, P1 и P2. Это датчики, которые измеряют фактическое сопротивление почвы.
В показанном ниже тесте зонд C1 втыкается в землю в углу измеряемой области. Зонды P1, P2 и C2 приводятся в движение на расстоянии 5 футов, 10 футов и 15 футов соответственно от стержня C1 по прямой линии для измерения удельного сопротивления грунта на глубине от 0 до 5 футов. C1 и C2 — внешние датчики, а P1 и P2 — внутренние датчики. В этот момент на щупы C1 и C2 подается известный ток, а результирующее напряжение измеряется на щупах P1 и P2. Затем можно применить закон Ома для расчета измеренного кажущегося сопротивления.
Затем датчики C2, P1 и P2 можно перемещать на расстояние 10, 20 и 30 футов для измерения сопротивления грунта на глубине от 0 до 10 футов. Продолжайте перемещать три зонда (C2, P1 и P2) от C1 через равные промежутки времени, чтобы приблизить глубину измеряемого грунта.
Обратите внимание, что на характеристики электрода может влиять удельное сопротивление грунта на глубинах, которые значительно больше, чем глубина электрода, особенно для обширных горизонтальных электродов, таких как водопроводные трубы, фундаменты зданий или заземляющие сетки.
Измерители сопротивления грунта
Существует два основных типа измерителей сопротивления грунта: модели постоянного тока (DC) и переменного тока (AC), иногда называемые высокочастотными измерителями. Оба типа измерителей могут использоваться для 4-точечного и 3-точечного тестирования и даже могут использоваться в качестве стандартного (2-точечного) вольтметра для измерения обычных сопротивлений.
При выборе измерителя всегда следует соблюдать осторожность, поскольку электроника, участвующая в фильтрации сигналов, является узкоспециализированной. Говоря электрически, земля может быть шумным местом. Воздушные линии электропередач, электрические подстанции, железнодорожные пути, различные передатчики сигналов и многие другие источники вносят свой вклад в сигнальный шум, присутствующий в любом заданном месте.
Гармоники, фоновый шум частотой 60 Гц и связь с магнитным полем могут исказить сигнал измерения, в результате чего показания кажущегося удельного сопротивления грунта будут на порядок больше, особенно при большом расстоянии друг от друга. Выбор оборудования с электронными блоками, способными различать эти сигналы, имеет решающее значение.
Измерители переменного тока или высокочастотные счетчики обычно используют импульсный сигнал, работающий со скоростью 128 импульсов в секунду или выше. Часто эти измерители переменного тока заявляют, что используют «импульсный постоянный ток», который на самом деле представляет собой просто прямоугольный сигнал переменного тока. Эти измерители переменного тока обычно страдают от неспособности генерировать достаточный ток и напряжение (обычно менее 50 мА и менее 10 вольт) для работы с длинными ходами и, как правило, не должны использоваться для датчиков с расстоянием между датчиками более 100 футов. Кроме того, высокочастотный сигнал прямоугольной формы, протекающий по токопроводу, индуцирует шумовое напряжение в потенциальных выводах, которое невозможно полностью отфильтровать: этот шум становится больше, чем измеренный сигнал, по мере уменьшения удельного сопротивления грунта и увеличения расстояния между выводами.
Высокочастотные измерители дешевле, чем их аналоги постоянного тока, и на сегодняшний день являются наиболее распространенными измерителями, используемыми для измерения удельного сопротивления грунта.
Измерители постоянного тока, которые на самом деле генерируют низкочастотные импульсы (порядка 0,5–4,0 секунды на импульс), являются предпочтительным оборудованием для испытания удельного сопротивления грунта, поскольку они устраняют проблему индукции, из-за которой высокочастотный метров страдают. Однако их покупка может быть очень дорогой. В зависимости от максимального напряжения оборудования (от 500 до 2000 мА и 800 вольт от пика до пика) счетчики постоянного тока могут считывать показания с очень большим расстоянием между датчиками и часто на расстоянии многих тысяч футов. Как правило, пакеты электронных фильтров, предлагаемые в счетчиках постоянного тока, лучше, чем в счетчиках переменного тока. Следует внимательно отнестись к выбору надежного производителя.
Анализ данных
После сбора всех данных сопротивления можно применить следующую формулу для расчета кажущегося сопротивления грунта в ом-метрах:
измеряется на расстоянии 40 футов, удельное сопротивление почвы в ом-метрах будет 344,7.
На рисунке слева подробно показана вся формула удельного сопротивления грунта. Один ссылается на «кажущееся» удельное сопротивление, поскольку оно не соответствует фактическому удельному сопротивлению грунта. Эти необработанные данные должны быть интерпретированы подходящими методами, чтобы определить фактическое удельное сопротивление грунта. Также обратите внимание, что финальная версия 1.915 число рассчитывается путем преобразования метров в футы.
Часто, когда мы описываем испытание удельного сопротивления почвы, такое как 4-точечный метод Веннера, мы сопоставляем расстояния между зондами как показания глубины или зондирования. Другими словами, расстояние между штифтами теоретически равно примерной измеряемой глубине. Помните, что существует множество факторов, влияющих на фактическую глубину измерений, считываемых измерителем, поэтому эта концепция является лишь общим ориентиром.
Когда измеритель удельного сопротивления производит измерение, это отдельное число ничего не значит само по себе, если сначала не выполнить небольшие математические операции для определения удельного сопротивления.
Упрощенная формула состоит в том, чтобы взять показания счетчика, умножить на расстояние между датчиками (в футах), а затем снова умножить на 1,915. Результатом является число удельного сопротивления. Когда мы объединяем серию измерений, сделанных на разных расстояниях, мы можем начать определять, каковы характеристики (удельное сопротивление) земли на разных глубинах. Процесс сравнения множества отдельных измерений удельного сопротивления грунта (на разных расстояниях) — это то, как разрабатывается «Модель грунта».
Модель грунта покажет изменения удельного сопротивления земли на разных глубинах. Каково удельное сопротивление грунта на высоте 1 метр? Что это на 10 метрах? Хорошая модель почвы ответит на эти вопросы. Конечно, существует множество правил относительно того, сколько измерений должно быть выполнено и с какими интервалами требуется, чтобы получить точную модель, но это другая тема. В данном случае проблема заключается в том, что происходит, когда происходит резкое изменение удельного сопротивления от одного слоя к другому.
Как видно из рисунка, если у вас есть показания 50 Ом-метров на расстоянии 5 футов и 75 Ом-метров на расстоянии 10 футов, фактическое сопротивление почвы от 5 футов до 10 футов может составлять 100 Ом. -метров (дело здесь в том, чтобы проиллюстрировать концепцию: для правильной интерпретации данных необходимы предварительно вычисленные кривые или компьютерное программное обеспечение). То же самое справедливо и для больших расстояний между штифтами. Самые мелкие показания используются снова и снова для определения фактического удельного сопротивления на глубине.
Когда мы проводим тест на сопротивление почвы, мы подаем тестовый сигнал (электрическую энергию) на поверхность земли, спускаемся через почву на разные глубины и регистрируем потерю энергии как сопротивление. По мере прохождения электрического тестового сигнала от одного уровня к другому его качество ухудшается пропорционально изменениям сопротивления, с которыми он сталкивается. Это особенно верно, когда сигнал должен попытаться перейти от очень проводящего слоя почвы к очень резистивному слою почвы.
Тестовый сигнал просто предпочтет оставаться в наиболее проводящем материале.
Если вы когда-нибудь смотрели фильм о подводных войнах, командир подводной лодки переместит свою подводную лодку под более холодный слой океанской воды, чтобы его не обнаружил гидролокатор. Холодный слой воды будет отражать сигнал гидролокатора вверх и в сторону от подводной лодки, скрывая ее от противника. Это похоже на то, что происходит при проведении испытаний удельного сопротивления грунта; тестовый сигнал может на самом деле не проникать сквозь слои так, как мы могли бы надеяться.
Эти изменения удельного сопротивления слоя влияют на сигнал предсказуемым образом, поэтому их можно рассчитать и скорректировать их влияние. Вот почему хорошие инженеры предпочитают модели удельного сопротивления грунта, рассчитанные с помощью программ компьютерного моделирования, а не простые ручные расчеты (хорошие программы компьютерного моделирования выполняют тысячи, если не сотни тысяч вычислений).
Современные сложные алгоритмы учитывают большинство переменных и обеспечивают более совершенные и точные модели удельного сопротивления грунта.
Тем не менее, компьютерные алгоритмы могут только помочь исправить математику. Хороший специалист по удельному сопротивлению грунта знает, как улучшить первоначальный сигнал. Первый шаг — всегда использовать настоящие счетчики постоянного тока (DC). Рекомендуется использовать счетчики постоянного тока на 800 вольт, которые требуют дополнительной автомобильной батареи для выработки необходимой мощности. Следующим шагом является получение множества показаний, начиная с 6-дюймового интервала, при этом интервалы увеличиваются не более чем в 1,5 раза, предпочтительно в 1,33 раза. Вам также нужно будет продолжать снимать показания и увеличивать интервалы с этими интервалами до тех пор, пока ваши интервалы не будут по крайней мере такими же большими, как глубина, которую вы пытаетесь прочитать, предпочтительно в два или три раза больше.
Это, безусловно, означало бы много десятков измерений и большую работу.
Показания малой глубины
Показания малой глубины, всего 6 дюймов, чрезвычайно важны для большинства, если не для всех, конструкций заземления. Как описано выше, более глубокие показания удельного сопротивления грунта фактически представляют собой средневзвешенные значения удельного сопротивления грунта от поверхности земли до глубины и включают все поверхностные показания сопротивления над ним. Хитрость при разработке окончательной модели грунта заключается в том, чтобы извлечь фактическое сопротивление грунта на глубине, а для этого необходимо «вычесть» верхние слои из глубинных показаний. На следующем рисунке показано, как самые мелкие показания влияют на более глубокие ниже него.
Небольшие показания глубины 6 дюймов, 1 фут, 1,5 фута, 2 фута и 2,5 фута важны для проектирования заземления, поскольку заземляющие проводники обычно прокладываются на глубине от 1,5 до 2,5 футов ниже поверхности Земля.
Чтобы точно рассчитать, как эти проводники будут работать на этих глубинах, необходимо снять показания неглубокого грунта. Эти неглубокие показания становятся еще более важными, когда инженеры рассчитывают повышение потенциала заземления, напряжения прикосновения и шаговые напряжения.
Крайне важно, чтобы измерительные зонды и токоизмерительные зонды были вставлены в землю на надлежащую глубину для считывания удельного сопротивления неглубокого грунта. Если зонды вбиты слишком глубоко, определение удельного сопротивления неглубокого грунта может оказаться затруднительным. В идеале лучше всего соотношение 20 к 1 (5%); однако при очень поверхностных показаниях это правило не всегда применимо. Хорошее эмпирическое правило при проведении измерений на коротких расстояниях заключается в том, что глубина проникновения потенциальных пробников не должна превышать 10 % расстояния между выводами, тогда как токовые пробники не должны перемещаться более чем на 30 % расстояния между выводами.
Глубокие показания
Часто тип используемого измерителя определяет максимальную глубину или расстояние, которые могут быть считаны. Общее правило заключается в том, что измерители удельного сопротивления почвы переменного тока подходят для измерений с расстоянием между штырями не более 100 футов, особенно в почвах с низким удельным сопротивлением. Для большего расстояния между штырями требуются измерители удельного сопротивления почвы постоянного тока. Хотя измерители постоянного тока всегда являются предпочтительным выбором, они являются единственным типом измерителей, которые могут генерировать требуемые напряжения, необходимые для прохождения сигнала через почву на большие расстояния без наведенных напряжений и шумовых ошибок сигнала от вводов тока.
Место испытания
Испытания на сопротивление грунта следует проводить как можно ближе к предлагаемой системе заземления, принимая во внимание физические элементы, которые могут привести к ошибочным показаниям.
Есть две (2) проблемы, которые могут привести к ухудшению качества показаний:
- Электрические помехи, приводящие к нежелательному шуму сигнала, поступающему в счетчик.
- Металлические предметы «сокращают» электрический путь от зонда к зонду. Эмпирическое правило заключается в том, что между измерительной траверсой и любыми параллельными заглубленными металлическими конструкциями должен сохраняться зазор, равный расстоянию между штифтами.
Очевидно, важно проводить испытания вблизи рассматриваемого объекта; однако это не всегда практично. У многих электроэнергетических компаний есть правила относительно того, насколько близким должно быть испытание на сопротивление почвы, чтобы оно было действительным. Геология района также играет роль в уравнении, так как совсем другие почвенные условия могут существовать только на небольшом расстоянии.
При ограниченном пространстве или плохих условиях для проведения надлежащего испытания удельного сопротивления грунта следует использовать ближайшее доступное открытое поле с как можно более схожими геологическими условиями грунта.
удельное сопротивление грунта, удельное сопротивление, тестирование, земля, Заземление и методы испытаний заземления, данные, чтения, место нахождения, Веннер, методы испытаний
Методы испытаний удельного сопротивления земли и оценки
Наземные испытания часто рассматриваются как испытания заземления электродов : измерение сопротивления, связанного с определенным стержнем или системой заземления. Полезным следствием этого является почва удельное сопротивление испытание. Удельное сопротивление — это электрическое свойство самой почвы, которое определяет, насколько хорошо она может проводить ток. Она сильно варьирует (табл. 1) в зависимости от физического и химического состава, влажности, температуры и других переменных. Его измерение имеет первостепенное значение при проектировании заземляющего электрода, который будет соответствовать всем требуемым электрическим параметрам для производительности и безопасности.
Таблица 1: Типичное удельное сопротивление значительно зависит от типа грунта.
ИСПЫТАНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗЕМЛИГрадиенты потенциала поверхности земли имеют решающее значение для определения потенциалов прикосновения и шага вокруг электрических объектов, таких как подстанции, и обеспечения их безопасности в случае экстремальных условий, таких как электрические неисправности. Сопротивление заземляющего электрода в первую очередь зависит от удельного сопротивления глубокого грунта. Здесь «глубокое удельное сопротивление почвы» относится к глубинам, примерно равным диаметру системы горизонтальных электродов или до десяти раз превышающим глубину вертикального электрода. Сопротивление заземляющего электрода гораздо важнее, чем удельное поверхностное сопротивление, имеет решающее значение для безопасности, устранения неисправностей и электрических характеристик.
Если необходимо установить систему заземления, геотехнические работы часто имеют решающее значение.
Помимо удельного сопротивления почвы, эта информация может включать слои почвы, содержание влаги, рН почвы и глубину залегания грунтовых вод. Хотя иногда используется измерение сопротивления между двумя пластинами, не рекомендуется пытаться получить удельное сопротивление почвы из сопротивления, измеренного между противоположными сторонами образца почвы, из-за неизвестных межфазных сопротивлений между образцом и включенными электродами.
Уточнением этого грубого метода является измерение образцов в специально предназначенном для этой цели ящике, но этот метод может быть ограничен сложностью получения репрезентативного образца почвы такого небольшого объема, а также дублированием уплотнения почвы и содержания влаги. . Этот метод все еще может быть полезен, если его строго контролировать и усердно применять, но были разработаны альтернативные специализированные методы для проверки удельного сопротивления грунта на месте.
МЕТОД ИЗМЕНЕНИЯ ГЛУБИНЫ Одним из этих альтернативных методов является изменение глубины или метод трех точек.
Здесь измерения сопротивления грунта повторяются в соответствии с постепенным увеличением глубины заземляющего стержня. Этот метод пропускает больший испытательный ток через глубокий грунт, и изменения удельного сопротивления могут быть отмечены на каждой глубине. Забивные стержни также обеспечивают подтверждение того, насколько глубоко они могут быть забиты во время установки. Недостатком, однако, является то, что стержень может вибрировать во время движения, тем самым уменьшая контакт с грунтом и делая преобразование в истинное кажущееся сопротивление менее точным.
Метод изменения глубины дает полезную информацию о грунте вблизи стержня, который обычно считается в пять-десять раз длиннее стержня. Для больших площадей полезно провести несколько тестов в репрезентативных местах, чтобы отобразить поперечные изменения, чтобы результирующая наземная сетка не оказалась в конечном итоге установленной в почве с более высоким удельным сопротивлением, чем предполагалось для данной области.
Сопротивление, вызывающее озабоченность, обозначено r 1 . Выполняется серия из трех двухточечных измерений сопротивления между испытуемым электродом и каждым из двух вспомогательных электродов, обозначенных цифрой 9.0149 r 2 и r 3 . Тогда три измерения будут следующими: – r 23 + r 13 ] /2.
Если вспомогательные электроды имеют существенно более высокое сопротивление, чем испытательный электрод, это значительно увеличит погрешность результата измерения. Следовательно, электроды должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы свести к минимуму взаимное сопротивление. Там, где использовались неадекватные расстояния, иногда можно вычислить такие нелепости, как нулевое и отрицательное сопротивление. Следовательно, вспомогательные стержни должны быть отделены от испытательного стержня не менее чем на трехкратную глубину испытательного стержня. Вспомогательные стержни следует вбивать на ту же глубину, что и испытательный стержень, или даже меньше.
Этот метод может стать трудным для применения в больших системах и там, где требуется высокая точность, поэтому могут быть предпочтительны другие методы.
Четырехточечные методы в свое время было несколько труднее выполнять, в основном это требовало большего пространства и более длинных отведений. В своей грубой форме метод требует источника тока и потенциометра или вольтметра с высоким импедансом. Но современные приборы стали довольно изощренными, помогая оператору сократить шаги и устранить ошибки. Некоторые приборы даже отображают настройку и выполняют сопутствующие математические операции на экране. Однако при приобретении тестового прибора следует помнить, что он должен быть четырехконтактной моделью. Существуют тестеры с тремя клеммами для выполнения заземления 9.0149 сопротивление испытаний. Для испытаний удельного сопротивления необходимо использовать четырехполюсную модель.
Метод Веннера Безусловно, наиболее широко применяемым четырехточечным методом является метод Веннера.
Это было описано в предыдущей статье и будет затронуто только здесь. Подходящий тестер имеет конфигурацию моста Кельвина (рис. 1). Две клеммы внешнего тока подают испытательный ток через почву. Две внутренние клеммы напряжения измеряют падение напряжения между ними, а параметры тока и напряжения используются для расчета сопротивления между датчиками напряжения, которое затем отображается на дисплее. Четыре датчика расположены на равном расстоянии друг от друга.
Рисунок 1: Конфигурация датчика для метода Веннера при желании можно использовать единицы длины. Это среднее удельное сопротивление грунта до глубины · Ом. Полная формула Веннера более сложна, но упрощается до вышеупомянутой, если глубина зонда 1/20 -го из используется .
Путем систематического изменения и можно добиться того, что называется вертикальной разведкой. То есть можно нанести на график изменения удельного сопротивления на разных глубинах (рис. 2), что поможет распознать значительные изменения, такие как коренная порода.
Рис. 2: Слоистость почвы трудно определить.
Хотя метод Веннера широко используется, он имеет два недостатка.
1. Относительно большое расстояние между двумя внутренними (потенциальными) электродами может привести к уменьшению величины потенциала. Это может показаться нелогичным, но помните, испытательный ток, относительно которого измеряется падение напряжения, распространяется во всех направлениях, а не по прямой линии, как в проводе. Чувствительность современных тестеров повышается, что помогает смягчить этот недостаток.
2. Вторым недостатком является то, что Веннеру необходимо перемещать все четыре зонда для измерения на различной глубине. Ходьба вперед и назад может стать недопустимой при большом расстоянии между датчиками.
Метод Шлюмберже При использовании метода Шлюмберже внутренние (потенциальные) датчики располагаются ближе друг к другу (рис. 3). Затем перемещаются только внешние зонды для расчета удельного сопротивления на различных глубинах.
Рис. 3. Конфигурация зонда для метода Schlumberger
Если глубина зондов ( b ) остается небольшой по сравнению с расстоянием между ними ( c и d ) и c больше 2 d , то удельное сопротивление можно рассчитать:
πc( c + d ) R/d
Это дает кажущееся сопротивление на приблизительной глубине [2 c + d ]/2, которая представляет собой расстояние от центра испытания до внешней текущие зонды.
Уверенность в результатах обоих методов можно получить, повторив тесты с датчиками, расположенными на 90 градусов к предыдущему набору. Показания должны быть практически одинаковыми. Это поможет устранить подземные помехи от водопроводных труб, валунов, линий электропередач и т. д., которые не должным образом влияют на измерения.
СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ Метод вариации глубины можно использовать для расчета удельных сопротивлений по формуле: длина ( l ) до которой загоняется испытуемый стержень, измеренное значение сопротивления R определяет значение кажущегося удельного сопротивления ρ a .
Здесь r представляет собой просто радиус тестируемого стержня и остается малым по сравнению с l . График R против l дает наглядное пособие для определения удельного сопротивления земли в зависимости от глубины. Предположим, что этот метод был использован для построения графиков, показанных на рисунке 4. На рисунке 4a показаны два отдельных слоя: неглубокий около 300 Ом-м и более глубокий слой около 100 Ом-м. Получена информативная двухслойная модель грунта. Рисунок 4б показывает относительно проводящий неглубокий слой 100 Ом-м, но данные для более глубокого слоя не могут быть определены этим методом. Хорошая проводимость в более глубоком слое предпочтительна для эффективного и надежного устранения молнии и повреждения, поскольку поверхностная проводимость может быть непостоянной. И, как уже упоминалось, изменение глубины дает данные для относительно небольшой области вокруг испытательного стержня. Сбор данных для больших сеток может быть лучше реализован четырехточечным методом.
Рисунок 4: Изменения удельного сопротивления с глубиной могут указывать на слои грунта.
Точно так же результаты четырехточечных методов могут быть представлены как измеренное кажущееся сопротивление в зависимости от расстояния между электродами. Структуру почвы можно оценить по полученным кривым, но полевые работники установили некоторые эмпирические правила, помогающие идентифицировать слои.
• Разрыв или изменение кривизны указывает на другой слой.
• Глубина нижнего слоя принимается равной двум третям расстояния между электродами, при котором происходит перегиб.
• Можно следовать пяти аксиомам:
1. Вычисленные кажущиеся сопротивления всегда положительны.
2. Поскольку фактические сопротивления увеличиваются или уменьшаются с глубиной, кажущиеся сопротивления увеличиваются или уменьшаются с расстоянием между зондами.
3. Максимальное изменение кажущегося сопротивления происходит при расстоянии между зондами больше, чем глубина, на которой происходит соответствующее изменение фактического сопротивления.
Поэтому изменения кажущегося сопротивления всегда наносятся справа от расстояния между зондами, соответствующего изменению фактического сопротивления.
4. Амплитуда кривой всегда меньше или равна амплитуде зависимости фактического удельного сопротивления от глубины.
5. В многослойной модели изменение фактического сопротивления толстого слоя приводит к аналогичному изменению кривой кажущегося сопротивления.
ЗАКЛЮЧЕНИЕИзмерения сопротивления и удельного сопротивления, связанные с заземлением, особенно сложны и сложны, потому что земля не похожа ни на один другой объект электрических испытаний. Фундаментальные знания охватывают большинство ситуаций, но всегда есть куда расти.
СПРАВОЧНАЯ ИНФОРМАЦИЯIEEE Std 81-2012, Руководство IEEE по измерению удельного сопротивления земли, импеданса земли и потенциалов поверхности земли системы заземления.
Джеффри Р. Джоуэтт является старшим инженером-технологом компании Megger в Вэлли-Фордж, штат Пенсильвания, и обслуживает производственные линии Biddle, Megger и Multi-Amp для электрических контрольно-измерительных приборов.