ryabkova_e_ya_zazemleniya_v_ustanovkakh_vysokogo_napryazheni

При некотором значении напряженности поля в грун¬
те начинают происходить сложные физико-химические
процессы, в результате которых удельное сопротивление
грунта уменьшается. При дальнейшем возрастании то¬
ка напряженности поля				вблизи заземлителя достигают
критического			значения	£np, при котором возникает
электрический			пробой грунта, развивающийся в виде
разветвленных			проводящих каналов. Эти каналы шунти¬
руют участки земли, прилегающие								к электроду, разме¬
ры которого как бы увеличиваются.								В результате этого
сопротивление заземлителя уменьшается и тем сильнее,
чем больше размер искровой зоны, т. е. чем больше ток,
стекающий		с	заземлителя			и	удельное		сопротивление
грунта.		различать		с т а ц и о н а р н о е					с о п р о т и в¬
Принято
л е н и е	R,	характерное			для		рабочих и		защитных за¬
землений,	отводящих ток				50		Гц, когда индуктивность,

емкость, а также искровые процессы в земле не имеют
существенного		значения,	и	и м п у л ь с н о е		с о п р о¬
т и в л е н и е заземлителя			zH, характерное		для	заземли
телей	грозозащиты, которое определяется				как	-
						импульс¬
ным	характером тока, так и физико-химическими про¬
цессами и искрообразованием в грунте.					заземлителя
Отношение		импульсного		сопротивления
к стационарному
		a=z„/ R				( 1-7)
называется и м п у л ь с н ы м				к о э ф ф и ц и е н т о м. У со¬

средоточенных заземлителей, для которых основное зна¬

чение имеют пробои грунта вследствие большого тока молнии, а<1. У протяженных заземлителей а может

быть как меньше, так и больше единицы в зависимости

от преобладающего влияния искровых процессов и

емкости или индуктивности.

1-2. Грунт, его структура и электропроводность

Земля, в которой происходит растекание тока с за¬

землителя, является средой весьма сложной и неодно¬

родной как по составу, структуре, так и по глубине.

Основными составными частями земли являются твер¬ дые частицы неорганического и органического происхож¬

дения и вода. Электропроводность твердой основы грун¬

та минерального происхождения (кварц, известняк, слю¬

да и полевой шпат) в сухом состоянии ничтожна. Хими-

10

чески

чистая вода

также

обладает весьма

высоким

©uC-

удельным

ем.

ся

ли

влаги,

являющейся

чии

г

хорошим

растворителем,

mm Wm

5

создают

электролиты, ко-

торые и

определяют элек-

Шт

*

тропроводность

земли.

^

Таким

образом,

удельное

tQ-gC sл

сопротивление

грунта

фЦ' ;

сильно

зависит от его хи-

мического

состава

и

- jj;

Мвлажность грунта

за-

ЫШШШ

-

висит

не только

от коли-

чества

осадков

и

близо-

,.3

г

сти

грунтовых вод,

но

и

от структуры грунта.

На

/ _

Рис

Структура грунта.

рис.

1-3 приводится раз-

электрод;

2

просачивающаяся

во

резг

Грунтаr J

,

из

которогог

)

3 —

гигроскопической

ца

осадков;

частицы грунта

( пе--

ВИДНЫ

его

структура

И

- сок

,

; окруженные—

и

водяной

пар;

5

-

водой

4

-

воздух

размещение

В нем

ВОДЫ.

ПЛе

0

Ч,,аЯ В

$тотаяПвадаРНаЯ

вода:

Отдельные частицы грун¬

“

7

^.ДГру

та окружены

гигроскопической

водой, адсорбированной

частицами

грунта из водяных

паров

воздуха. Эта

вода

обволакивает

частицы слоем различной толщины,

в за¬

висимости от

их размеров, находится под молекулярным

притяжением и может перемещаться только при перехо¬

де в парообразное состояние.

воды

образуется

относи¬

Поверх

гигроскопической

тельно

тонкий

слой

пленочной

воды,

удерживаемой

в грунте также силами молекулярного притяжения.

Эти

силы меньше, чем

для гигроскопической воды,

но зна¬

чительно больше силы тяжести частиц

пленочной

воды.

Эта

вода

может

передвигаться очень медленно

только

под

влиянием молекулярных

сил,

переходя от

частиц

с более толстой водяной пленкой к частицам с более

тонкой.

Максимальное количество воды (в процентах к мас¬ се), удерживаемое грунтом (максимальная влагоемкость-

грунта) в виде гигроскопической и пленочной воды, уве

К

личивается с уменьшением размера частиц и возраста¬ нием сил поверхностного притяжения. Выше уровня

грунтовых вод наблюдается зона капиллярной воды,

уровень которой тем выше, чем меньше размеры частиц грунта. Над капиллярной водой имеется зона с воздуш¬

ными включениями. Осадки, просачиваясь в грунт, ча¬ стично удерживаются как пленочная вода, а при нали¬

чии максимальной влагоемкости грунта устремляются

к грунтовым водам в виде так называемой гравитацион¬
ной воды.		-3 видно, что в зоне с воздушными включе¬
Из	рис. 1
ниями	проводящее сечение земли меньше и						зависит от
содержания влаги в виде гигроскопической и пленочной
воды.	Эта зона, находящаяся выше					уровня	грунтовых
вод, обычно		является областью заложенияч					поверхност
ных заземлйтелей.								¬
						грунты	песчаный,
Наиболее		часто встречающиеся
глинистый и		перегнойный		сильно		отличаются—		между
собой по структуре и составу—					. Песок и глина являются
продуктом разрушения и выветривания горных пород,
перегнойный		же грунт в		основном		органического про¬
исхождения.
Песок состоит из полупрозрачных зерен кварца диа¬
метром 0,2—		2	мм, имеет пористую структуру, беден
электролитами			и обладает	очень малой влагоемкостью.

Глина имеет коллоидное строение с плотным накопле¬ нием частиц размером в тысячные доли миллиметра,

образующих с водой пластическую массу. Размеры и

значительная плотность частиц обусловливают большую

молекулярную влагоемкость глины и малую вымывае-

мость растворимых веществ (солей, оснований, кислот),

которыми она богата.

Перегнойный грунт также имеет коллоидное строе¬

ние, в основном содержит гумус, очень богатый электро¬
литами. Из-за коллоидного строения твердых частиц
перегноя его молекулярная	влагоемкость велика,		но
в отличие от глины перегной	рыхл, быстрее высыхает
и медленно увлажняется.
Увлажнение песка, бедного электролитами, увеличи¬
вает его проводимость за счет воды, проводимость кото¬
рой значительно больше, чем у твердой		основы грунта.
Увлажнение глины и перегноя, богатых		электролитами,
ведет к возрастанию их проводимости не		только за	счет

проводимости воды, но и из-за увеличения диссоциации

раствора электролита.

12

При увлажнении водопроводной водой (р^ь70 Ом -м )

очень сухого чистого песка его удельное сопротивление

сначала резко уменьшается, а затем, по мере заполнения

нор грунта водой, приближается к удельному сопротив¬

лению увлажняющей его воды. В отличие от песка

удельное сопротивление глины и перегноя при увлаж¬

нении становится меньше удельного сопротивления

увлажняющей их водопроводной воды.

Благодаря тому что глинистый и перегнойный грун¬

ты богаты

электролитами и

являются более

влагоемки¬

ми,

чем песок, их удельное сопротивление при одинако¬

вых

атмосферных условиях

всегда значительно ниже и

более стабильно.

Поэтому

заземлители предпочтитель¬

нее

размещать в этих грунтах.

Значения удельных сопротивлений различных грун¬

тов могут быть названы лишь очень приближенно, так

как

сильно зависят не только от вида грунта, но и от

его

влажности

и

атмосферных условий.

Примерные

значения

удельного

сопротивления некоторых

грунтов

в естественных

условиях приведены ниже.

Удельное сопротивление

Удельное

сопротивление

Грунт

р, Ом

-м

Грунт

р.

Ом-м

Песок

400 и более

Чернозем

50

Супесок

300

Торф

20

.урлинок

100

Речная вода

10 30

( ’

—

Глина

60

Б общем случае грунт, в котором располагаются за¬ землители, является неоднородным по глубине вследст¬

вие своего геологического строения, залегания вод и пр.

Кроме того, в течение года в связи с изменением атмо¬

сферных условий меняются температура земли, содер¬

жание и физическое состояние влаги в земле, насыщен¬

ность ее различных слоев. Поэтому удельное сопро¬

тивление земли на глубине до нескольких метров от поверхности земли в так называемом слое сезонных

изменений сильно колеблется, увеличиваясь из-за высы¬ хания к концу сухого лета и из-за промерзания зимой.

Проектирование заземляющих устройств должно

вестись с учетом неоднородности грунта. На основании

результатов непосредственных измерений по методу вер¬ тикального электрического зондирования (метод ВЭЗ) [7] определяется удельное сопротивление различных

слоев грунта по глубине.

13

В случае, если результаты вертикального электриче¬
ского зондирования приводят к			наличию с учетом слоя
сезонных изменений		более двух	слоев	земли, возникает
необходимость	использования		метода	приведения	их
к двухслойной электрической модели земли [8], для					ко¬
торой ниже дается расчет заземлителей.
В качестве расчетного удельного сопротивления грун¬
та слоя сезонных		изменений следует		принимать	воз¬

можное максимальное значение удельного сопротивле¬

ния грунта. Поэтому если ВЭЗ проводится не в расчет¬

ный наиболее тяжелый период года, измеренное удель¬

ное

сопротивление грунта слоя сезонных изменений ризм

(толщиною

Нс ) следует привести

к

расчетному

значе¬

нию Ррасч-

Ррасч

Ризм

(1-8)

где k

сезонный

==

учитывающий воз¬

коэффициент земли,

можное—

^

увеличение удельного сопротивления слоя се¬

зонных

изменений. Величины k и Нс

зависят от клима¬

тической зоны, в которой расположена электроустановка.

Различают три климатические зоны,

соответствующие

северной, средней

и южной полосе

европейской

части

СССР.

Эти

зоны

характеризуются

средними

многолет¬

ними температурами января, средней многолетней Сле¬

шей

температурой воздуха в июле, средним

количест¬

вом

осадков и числом дней замерзания воды (табл. 1-Г).

Таблица 1-1

Сезонные коэффициенты k

и толщины слоя

сезонных изменений

Яс

Климатические

к при влажности земли перед измерением

яс.«

зоны

повышенной

средней

пониженной

I

7

4

2,7

2,2

II

5

2,

7

1

, 9

2

,0

III

4

'

2 , 0

1

,5

1

,8

1

Значения коэффициента k даются в

зависимости от

влажности грунта перед измерением методом ВЭЗ и

используются

для

приведения

измеренного удельного

сопротивления грунта слоя сезонных изменений к рас¬

четным условиям зимы для

расчета

защитных и

рабочих

заземлителей

электроустановок.

Для расчета заземлителей грозозащиты наиболее тя¬

желым

периодом

грозового

сезона

является

период

14

с пониженной влажностью из-за засухи. Поэтому увели¬

чение удельного сопротивления слоя сезонных измене¬

ний при расчете заземлителей грозозащиты следует учи¬

тывать только в случае, когда измерения методом ВЭЗ проводились не в период пониженной влажности.

На основании табл. 1-1 при измерениях в период по¬

вышенной и средней влажности сезонные коэффициенты

для заземлителей грозозащиты будут соответственно Л'=5/1,9^2,6 и &'=2,7/ 1,9^1,4 (по данным для II кли¬

матической зоны) .

	1	-
		3. Импульсные характеристики грунта
На	импульсное сопротивление заземлителей грозо¬
защиты,		помимо удельного сопротивления грунта, ока¬
зывают	влияние его импульсные характеристики, т. е.
зависимости удельного сопротивления грунта от напря			¬
женности		импульсногд поля, а также значения его им
			¬
пульсной		электрической прочности [4].
Хроме того, знание средней импульсной электриче¬

ский прочности грунта в неоднородном поле позволяет
рассчитать			необходимое расстояние, например,							между
за	вмлителем молниеотвода и заземлителем подстанции
и	рлучае их раздельного заземления (гл. 7). При боль¬
ше^* удельных сопротивлениях грунта								(р>2500		Ом -м)
на' величину импульсного сопротивления									заземлителя
оказывают			влияние его емкость и, следовательно, ди¬
электрическая проницаемость земли.
	Исследование импульсных характеристик грунтов и
увлажняющей их воды проводилось в однородном им¬
пульсном поле при изменении напряженности поля от
нуля до пробивного значения.
	Испытуемый грунт закладывался в модель,							в	которой обеспе¬
чивалось		однородное поле			между верхним электродом типа Рогов¬
ского и		нижним электродом				в	виде круга с	охранным		кольцом.
Испытания проводились в				основном при междуэлектродном						расстоя¬
нии d= 1		см	и площадях	нижнего рабочего электрода S=80 см2 и
S=380 см2.			сопротивление испытуемого грунта ри при напряжен¬
	Удельное
ности импульсного поля (в					момент максимума импульса тока)
					Е	и —dит				(1-9)
вычислялось из соотношения						для	импульсного сопротивления модели
						МS	_ и —Iиш			(1-10)

15

на основании	одновременной записи осциллограммы напряжения и,
подаваемого	на модель, и напряжения на сопротивлении							безындук
тивного шунта ит=1Дт.								-
Исследования		импульсного удельного сопротивления воды,
увлажняющей грунт, проводились в					модели	однородного		поля для
жидкости, аналогичной таковой для испытания грунта.
	Еу	Put
А/смгкВ/см		Омм
4	6	- 60
	5 -50		г	ч <7			fW
3	4	- 4О			E-f W Pu1=/			t
				/ V S
г	3	ю и
		3 0					E=f (t )
1	2	- го
о	О			5	20	25 30	i
							мкс
		О		1	2	3	А/ смг

Рис. 1-4. Кривые изменения плотности тока /=/(/), напряженности

поля E=f ( t ) , удельного сопротивления грунта р«=/(/) и его вольт-

амперной характеристики £=/(/) при протекании импульса тока

(глина, р=70 Ом м).

Для увлажнения испытуемого грунта использовалась водопро¬ водная вода, которая, как известно, проходит не только механиче¬ скую, но и химическую обработку. Остающиеся в воде в незначи¬ тельном количестве растворенные- вещества- обусловливают ее удель¬

ное сопротивление около р=70 Ом м при комнатной температуре.

Снятые более чем для 60 образцов грунта осцилло¬

граммы позволяют установить, что общим для всех грун¬

тов является снижение удельного сопротивления земли

во время протекания импульсного тока.

Из кривых на рис. 1-4, типичных для всех образцов

грунта, видно, что минимум импульсного удельного со¬

противления рп наступает позднее максимума плотности

тока /, который в свою очередь несколько отстает по времени от максимума напряженности поля Е. Одной и

той же напряженности поля ‘соответствуют различные

величины импульсного удельного сопротивления грунта,

16

	большие на фронте и меньшие на спаде импульса																															тока.
	Следовательно, удельное сопротивление грунта зависит
	как от напряженности													поля, так и от времени с момента
	приложения							импульса.							Вольт-				амперная характеристика
	грунта		E=f					(/)			нелинейна,							имеет					петлевой							характер
1,0		Ри/																			1,0 PJL'P
		Р													-						0,8 ^
0,8													3	2									\										I
																										V-
0,6																					0,6	^					5				J*rI
о																					ор													I
0,8																					0,2													I
	о	г															/с				О		г			h в) в								Е
				4				6		а)		8	10		кВ			м												к			см
																																В/
1,0 РиЦ													г								1,0 РиЦ&
0,8																					0,8	\
													з									1
0,6								Чч													0,6						1
																								'
о,4													5								О,О		-3				\		ч
										6
0,2																1					о,г	V		\ ч \
																		Е							Vч									Е
	О			If
		2						6				8	10		кВ/см 0								2			О	г	>	6	кВ/см <
Рис. 1 5.			Импульсные характеристики																											и 3@C=B>2
		-	В Д,			аЯ		В	Да И			ПвСОК		"РИ				водопроводной воды
Г(р 70“ТПРОм •°м?),					'2			°				(р	450			ТФ“			2+3 мкс:				1 ~ водопроводная										вода
глина (образец I)								песок				3		Ом -		м)	,	3	—		песок		(р	-	900+ 3400 Ом • м						>	•	б0	—
								тф	-		2+		мкс- :
	—	Кривые					—.						1			2					3		4				5			6'-
в —		Р. Ом-		м									70		140				160			250				1000				2700
		перегной растительный.											тф-2-*-3 мкс:								3			4					5
			Кривые										. . .		1		2
е	—	глина	Р,		Ом-м . . .										20		90				105		550				3500
			(образец					II )		:			. . .
			Кривые . . .												/					2			3					4
2—534			Р		Ом			-м							70			70				600				600
			*ф-	,			мкс								6		10—				16		4			15—			16					17

(рис. 1-4) и качественно сходна с известными характе¬

ристиками самих заземлителей [9].

По осциллограммам, снятым при разных максималь¬

ных значениях импульса тока, но с одинаковой длитель¬ ностью его фронта, определялись удельные сопротивле¬ ния грунта и напряженности импульсного. поля для мо¬ мента максимума тока, т. е. при t=Тф По результатам таких измерений для различных грунтов и увлажняю¬

щей	их	воды	построены импульсные характеристики
/	^	. .		зависимости	относительного импульс¬
			е
ри р= (£), т
ного	удельного			сопротивления	от напряженности им¬

пульсного поля в момент максимума тока с постоянной

длительностью фронта Тф (рис. 1-5).

Импульсные характеристики ри/р=f ( E ) различны не

только для песка, глины и перегноя, но также для одно¬

го и того же грунта в зависимости от его влажности

или удельного сопротивления р.

Импульсная характеристика увлажняющей грунт во¬

ды наиболее полога, с очень небольшим изменением ее

удельного сопротивления в поле при импульсном напря¬ жении (рис. 1-5,а) . Очень сходна с ней импульсная ха¬

рактеристика песка, в особенности более влажного (р=

=450 Ом -м).

Для сухих глины и перегноя, т. е. при большом удель¬

ном сопротивлении грунтов, зависимость ри/.р от напря¬

женности поля очень велика (рис. 1-5,6; рис 1-5,в), при увлажнении эта зависимость уменьшается, но при боль¬

шой влажности, например для- глины при р=70 Ом -м и для перегноя при р=20 Ом м, вновь несколько увели¬

чивается.

Измерения при разной длительности фронта показа¬

ли, что его увеличение существенно сказывается на

импульсных характеристиках влажных глины и пере¬ гноя, усиливая зависимость их сопротивления от напря¬

женности поля (рис. 1-5,г).

Снижение удельного сопротивления влажных грунтов в поле при импульсном напряжении следует искать в по¬ ведении растворов электролита, которыми по существу

они являются. Подобное увеличение проводимости элек¬

тролитов в импульсном поле наблюдалось впервые еще

в 1924 г. (эффект Вина) и позднее получило объяснение

на основе современной теории физики электролитов [10]. Эта теория объясняет также наступление эффекта-

Вина в растворе слабой концентрации при меньшей на

18

пряженности поля, что как раз и наблюдается для

наиболее влажных глины и перегноя.

Значительное снижение сопротивления у сухих грун¬ тов, в особенности у глины и перегноя, по-видимому,

является следствием нелинейности зависимости удель¬

ного сопротивления твердой основы грунта от напряжен¬ ности поля, проявляющейся при малой влажности и по

природе аналогичной нелинейности вилита.

Электрическая прочность Епр в однородном импульс¬

ном поле каждого образца грунта известного удельного сопротивления р определялась на основании ряда осцил¬

лограмм при пробое на	фронте импульса напряжения
с различным предразрядным временем т.
По результатам этих испытаний построены зависи¬
мости £пр в однородном	поле от р	(при T=const) Для
образцов песка, глины и	перегноя	-
		(рис. 1 6). Общим
для всех образцов грунта	является уменьшение электри¬

ческой прочности при увеличении предразрядного вре¬

мени

в исследуемом интервале от 3 до 5 мкс. Влияние

предразрядного времени на

величину

особенно зна¬

чительно для грунтов малого сопротивления

или боль¬

шой влажности.

значения

Ещ>

грунтов

с одинаковым

Наибольшие

удельным

сопротивлением

и

с

тем

же

предразрядным

временем наблюдаются у

песка

и

наименьшие

—

у крас¬

ной глины. Электриче¬

кВ/см

ская

прочность

крас¬

ной

глины

немного

меньше,

чем

у пере¬

2

гноя,

и в несколько раз

П

£ 4

3

меньше, чем у желтой

10

глины.

Электрическая проч¬

8

5

ность грунтов с

малым

6

6

удельным

сопротивле¬

7

«

нием резко возрастает,

Рис. 1-6.

Электрическая

г

р

о

т ооо ш 1боо

прочность

песка,

глины

и пе¬

то Ом м

регноя

в

однородном

поле.

Кривые . .

1

2

3

4

5

6

7

Тип грунта

Песок

Песок Глина!

лина

Перегной

Глина

Глина

т, 'мкс . . .

желтая

желтая

расти-

красная красная

а

5

тельный

3

3

5

3

5

2*

19