Výpočet odporu půdy

Kvalita uzemňovacích zařízení výrazně ovlivňuje bezpečnost používání elektroinstalace, zejména účinnost ochrany před úrazem elektrickým proudem a ochrany před bleskem. Uzemňovací zařízení plní i další funkce související s bezpečností, například slouží k odvádění elektrických nábojů z předmětů vystavených nebezpečí výbuchu (například na čerpací stanici).

Pro kontrolu elektrických instalací, zda splňují požadavky na ochranu před úrazem elektrickým proudem, je nutné změřit odpor zemnícího zařízení. Tento odpor umožňuje určit hodnotu dotykového napětí, které může nastat, když se současně dotknete dvou vodivých částí s různými potenciály, nebo jedné vodivé části pod napětím a země. Potřeba měření odporu půdy a odporu uzemňovacího zařízení vyvstává již ve fázi návrhu a instalace.

Zemnící systém musí být také za provozu podroben periodickému testování, aby bylo zajištěno, že koroze nebo změny odporu půdy významně neovlivní jeho parametry. Síť uzemňovacího zařízení nemusí vykazovat svou poruchu, dokud nedojde k poruše a nenastane nebezpečná situace. Při měření odporu jednotlivých zemnících elektrod se používá třípólový způsob měření odporu, který spočívá v zaražení dvou měřicích elektrod do země (proudové elektrody H a napěťové elektrody S) v blízkosti zemnícího zařízení podle jednopaprskového obvodu. .

Vzdálenost mezi elektrodami musí být minimálně 20 m. Napěťová elektroda (S) je umístěna mezi měřicím uzemňovacím zařízením a proudovou elektrodou (H), v prostoru nulového potenciálu. Přístroje měří velikost proudu tekoucího ve vytvořeném obvodu a napětí mezi zkoumanou zemnící elektrodou a napěťovou elektrodou. Výsledkem měření je hodnota odporu uzemňovacího zařízení.

Generovaný proud má frekvenci 128 Hz (MRU-100, MRU-101), aby se zabránilo vlivu vnějších proudů průmyslové frekvence 50 Hz a jejich vyšších harmonických.

Měření odporu více (kompozitních) zemnících elektrod lze provádět pomocí výše popsané metody, přičemž se zkoumané zemnící elektrody postupně odpojují od obecného zemnicího systému po dobu měření. Vzhledem k tomu, že takový proces může být velmi složitý, jsou měřiče vybaveny svorkami a mají schopnost provádět měření bez odpojení testované zemnící elektrody. U této metody se proudová elektroda (H) a napěťová elektroda (S) instalují stejně jako u klasické třípólové metody, ale proud je měřen pomocí svorek instalovaných na zkoumané zemnící elektrodě. Měřič ukazuje hodnotu odporu zemnící elektrody, na které jsou nainstalovány proudové kleště (měřidlo vypočítává odpor tak, že zná velikost proudu, který protéká testovanou zemnící elektrodou, a ignoruje proud protékající sousedními zemnicími elektrodami).

Změřením hodnot odporu jednotlivých zemnících prvků R_E1, R_E2, R_E3. R_EN, určete celkový odpor systému pomocí vzorce:

Měření odporu půdy probíhá pomocí čtyř elektrod umístěných lineárně ve stejných vzdálenostech (Wennerova metoda). Stanovení hodnoty odporu půdy vyžaduje měření odporu a jeho výpočet s přihlédnutím ke vzdálenosti mezi elektrodami. Měřič ukáže hodnotu odporu půdy ρ [Ω∙ m]

Kromě výše uvedených typů měření mohou přístroje MRU-10X měřit nízkoodporový odpor pomocí dvoupólového (2P) a čtyřpólového (4P) měřicího obvodu (měřící proud 225 mA (128 Hz), měřicí napětí 40V , rozlišení v dolním dílčím rozsahu 0,01 Ohm), což umožňuje kontrolovat přítomnost kovových spojů různých spojů (zemní připojení a vyrovnávací vodiče potenciály).

Imunita proti hluku

Elektroměr může pracovat v přítomnosti rušení ve formě napětí až 24 V (AC, DC). Úroveň rušení se zobrazuje na displeji zařízení.

Při měření zemního odporu zařízení generuje proud 225 mA o frekvenci 128 Hz při měřicím napětí 40V. To umožňuje vyhnout se vlivu rušení a rušení svodovými proudy o frekvenci 50 Hz a jejich harmonickými v zemi a zemnící soustavě na výsledky měření. Při měření odporu zemnícího zařízení pomocí MRU měřidel tedy není nutné odpojovat zemnicí zařízení od hlavní zemnící sběrnice elektroinstalace.

Ve dvoupólovém režimu měření jsou svorky S a E proudové a napěťové svorky.

V třípólovém režimu zařízení měří napětí mezi sondami S a E a nastavuje proud mezi sondami H a E (svorka E je tedy společná pro proud a napětí).

Ve čtyřpólovém režimu zařízení měří napětí mezi sondami S a ES a nastavuje proud mezi sondami E a H.

Jsou-li proudové kleště, zařízení zohledňuje proud, který jimi protéká (přístroj vypočítá zemnící odpor, jehož proud prochází proudovými kleštěmi. Proud protékající sousedními zemnicími elektrodami neovlivňuje výsledek). Režim se volí pomocí přepínače na zařízení.

Odpor testovacích vodičů RH a RS by neměl překročit 50 kΩ. V opačném případě se na obrazovce zobrazí odpovídající varování (hodnoty odporu můžete snížit například zvýšením vlhkosti půdy v blízkosti sondy).

Měření odporu v režimech 2P, 4P

Při měření odporu dvoupólovou metodou je výsledkem měření celkový odpor, který se skládá z odporu rezistoru připojeného k zařízení a odporu testovacích vodičů. Vliv odporu vodičů na výsledek měření lze eliminovat použitím čtyřsvorkového obvodu nebo provedením jiného měření s přihlédnutím k odporu zkratovaných měřicích vodičů, který se odečte od hlavního měření. Je třeba mít na paměti, že pracovní frekvence zařízení je 128 Hz.

Měření v režimu 3P

Třípólový obvod je hlavní obvod pro měření odporu zemnících zařízení. Zemnící elektrodu je nutné připojit k měřicí zásuvce elektroměru „E“; zapíchněte proudovou měřicí sondu do země ve vzdálenosti větší než 40 m od testované zemnící elektrody a připojte měřicí vodič k měřicí zásuvce „H“ elektroměru; zapíchněte potenciálovou měřicí sondu do země ve vzdálenosti větší než 20 m od testované zemnící elektrody a připojte ji k měřicí zásuvce „S“. Zkoumaná zemnící elektroda, proudová sonda a potenciální sonda musí být uspořádány v jedné linii, čímž se vytvoří schéma měření s jedním paprskem:

Použití dvoupaprskového schématu nezaručuje uvedenou přesnost měření. Přístroj ukazuje odpor zemnícího zařízení RE a také odpor měřicích sond RS a RH. Měření se doporučuje opakovat po přiblížení sondy pro měření potenciálu 1 m k měřené zemnící elektrodě. Pokud se výsledky měření liší o více než 3 %, vzdálenost od proudové sondy k testované uzemňovací elektrodě by se měla výrazně zvětšit a měření by se měla opakovat. Optimální poloha potenciální sondy je 62 % vzdálenosti mezi proudovou sondou a studovanou zemnící elektrodou.

Zvláštní pozornost by měla být věnována kvalitě spojení studované zemnící elektrody s měřicími vodiči. Kontaktní plocha musí být bez barvy, rzi atd.

Pokud je odpor měřicích sond příliš vysoký, naměřený zemní odpor bude mít další chybu. Zvláště velká chyba je pozorována při měření malých hodnot uzemňovacího zařízení při vysokých hodnotách odporu měřicích sond (tato situace je možná, když je zemnicí zařízení vyrobeno jako dobrá uzemňovací elektroda, zatímco horní úroveň půdy je suchý a má špatnou vodivost). V tomto případě je poměr odporu měřicích sond k odporu zkoumané zemnící elektrody velmi velký a na tomto poměru závisí přídavná chyba. Podle vzorce uvedeného v technických parametrech lze dodatečnou chybu vypočítat a zohlednit při měření (viz další diagramy výpočtu chyb). Vylepšit lze například kontakt měřicích sond se zemí. zvlhčením místa instalace sondy v zemi vodou nebo přemístěním sondy na jiné místo na povrchu půdy. Kromě toho je nutné zkontrolovat, zda nedošlo k poškození izolace testovacích vodičů a zkontrolovat kontakt svorky připojující testovací sondu.

Ve většině případů je přesnost měření dostatečná. Musíte si však být vědomi přítomnosti a velikosti dodatečné chyby vyplývající z měření.

Měření v režimu 4P

V případě, že je nutné provést měření bez dodatečné chyby kvůli odporu testovacích vodičů, je použit čtyřpólový obvod. Pro měření zemního odporu je nutné připojit zemnící elektrodu k měřicím zdířkám elektroměru, označených jako „E“ a „ES“; instalujte proudovou sondu do země ve vzdálenosti více než 40 m od zemnící elektrody a připojte ji do zásuvky „H“; instalujte potenciální sondu do země ve vzdálenosti 20 m od měřené zemnící elektrody připojené do zásuvky „S“. Zemnící elektroda a měřicí sondy (proudové a potenciálové) musí být umístěny v jedné linii.

Měření se doporučuje opakovat po přiblížení sondy pro měření potenciálu 1 m k měřené zemnící elektrodě. Pokud se výsledky měření liší o více než 3 %, vzdálenost od proudové sondy k testované uzemňovací elektrodě by se měla výrazně zvětšit a měření by se měla opakovat. Optimální poloha potenciální sondy je 62 % vzdálenosti mezi proudovou sondou a studovanou zemnící elektrodou.

Měření odporu vícenásobné zemnící elektrody

Při měření odporu zemnících elektrod sestávajících ze soustavy elektrod připojených ke stožáru přenosového vedení je nutné sledovat uzemnění každé zemnící elektrody, protože ekvivalentní odpor takového systému nebude odrážet možnou špatnost konkrétního uzemnění. elektroda.

Měření se provádějí v režimu 3P pomocí proudových kleští. Změřením hodnot odporu jednotlivých zemnících prvků R_E1, R_E2, R_E3, R_E4, určete celkový odpor systému pomocí vzorce:

Měření odporu půdy

K měření rezistivity půdy využívají měřiče odpor jednotlivých elektrod zemnícího systému, pro který byly v geologii vyvinuty speciální přístroje.

U těchto přístrojů se podobná funkce měření nastavuje jednoduchým výběrem polohy otočného přepínače funkcí.

Z metrologického hlediska je tato funkce shodná se čtyřpólovým obvodem měření zemního odporu, obsahuje však doplňkový postup pro zadání vzájemné vzdálenosti mezi měřicími sondami a zemnicími elektrodami do přístroje.

Výsledek měření – hodnota odporu půdy se určí automaticky podle vzorce ρ = 2πd R_E, který se používá v metodě měření Venuše.

Měřič parametrů uzemňovacího zařízení MRU-200

měření odporu vodičů připojujících se k zemi a vyrovnání potenciálu (kovové spojení) (2p);
měření odporu zemnících zařízení pomocí třípólového obvodu (3p);
měření odporu zemnících zařízení pomocí čtyřpólového obvodu (4p);
měření odporu více uzemňovacích zařízení bez přerušení zemnícího obvodu (pomocí proudových kleští);
měření odporu zemnících zařízení metodou dvou svorek;
měření odporu bleskosvodů (hromosvodů) čtyřpólovým obvodem pulzní metodou;
Měření střídavého proudu (unikající proud);
měření měrného odporu půdy pomocí Wennerovy metody s možností volby vzdálenosti mezi měřicími elektrodami; vysoká odolnost proti hluku;

Pro různé půdy se r mění ve velmi širokém rozmezí – od tisícin ohmmetru pro nativní kovy až po mnoho miliard ohmmetrů pro izolanty, jako je slída, křemen a živce.
Půdy se dělí na elektronické vodiče, nebo, jak se běžně říká, vodiče prvního druhu, ve kterých jsou náboje přenášeny volnými elektrony, a iontové vodiče nebo vodiče druhého druhu, ve kterých jsou elektrické náboje přenášeny ionty umístěnými v roztocích vyplňujících póry a praskliny půdy . Do první skupiny půd patří malé množství hornin – např. původní kovy, sulfidy, grafit, antracit. Druhá zahrnuje všechny ostatní horniny, se kterými je obvykle nutné nakládat při inženýrsko-geologických průzkumech, včetně předprojektových měření rezistivity zemin v místě navrhované stavby zemnicího zařízení. Je však třeba mít na paměti, že ve skutečných horninách jsou vždy oba typy vodivosti, ale podle toho, který z nich dominuje, jsou horniny zařazeny do jedné nebo druhé skupiny.
Rezistivita zemin klesá asi o 10 % se zvýšením teploty o 2C. Tento vzorec však platí pouze v teplotním rozsahu nad bodem tuhnutí roztoku. Při teplotách pod bodem mrazu roztoku se odpor půdy mnohonásobně zvyšuje. Totéž se stane, když vrchní vrstvy půdy vyschnou.

Homogenní a heterogenní půda
Studium elektrického pole a charakteristik zemnících elektrod bylo od samého počátku rozvoje jejich teorie řazeno mezi velmi složité problémy v elektrotechnice. Takoví jsou dnes. Potíže jsou zhoršeny skutečností, že elektrická struktura horních vrstev země, ve kterých jsou umístěny zemnící elektrody, má výrazně heterogenní elektrický odpor, který se mění v čase (sezónně). Míra její heterogenity závisí na mnoha faktorech: typu půdy, matečných a geologických horninách, kolísání hladiny podzemní vody, množství srážek, teplotě a vlhkosti, charakteru vegetace, ekonomické činnosti člověka a řadě dalších.
Důležitou abstrakcí, která značně zjednodušila analytické studium elektrického pole zemních elektrod a jeho fyzikální modelování v galvanických lázních, bylo zobrazení země ve formě homogenního vodivého poloprostoru (tzv. homogenní země). Zkušenosti s konstrukcí zemnících elektrod však ukázaly, že v naprosté většině případů se jejich charakteristiky, a především odolnost proti šíření, zjištěná výpočtem za předpokladu, že je zemina homogenní, neshodují se skutečnými hodnotami. Odchylky od hodnot požadovaných normami dosahovaly velmi často stovek procent.
Analýza důvodů, které způsobily významné nesrovnalosti mezi vypočtenými a skutečnými hodnotami charakteristik uzemňovacích zařízení, ukázala, že hlavním zdrojem chyb bylo nedostatečné zohlednění skutečné heterogenity elektrického odporu půdy. Pro odstranění takových chyb je dnes u nás i v zahraničí stanoven určitý postup pro návrh, konstrukci a provozní řízení zemnících zařízení. Před zahájením projektových prací na území budoucí elektroinstalace se pomocí speciálních metod stanovuje odpor půdy, tzn. provádět tzv. předprojektové průzkumy. Teprve na jejich základě se provádí návrh a konstrukce uzemňovacích zařízení.
Na studie před návrhem a jejich výsledky jsou kladeny tři hlavní požadavky:
množství informací o parametrech elektrické struktury země by mělo být dostatečné pro návrh a následnou konstrukci racionálních uzemňovacích zařízení;
výzkumné metody by měly být co nejjednodušší;
Přesnost získaných údajů by měla být co nejvyšší.
Ze všech známých metod předprojektových průzkumů se v praxi používají pouze dvě: pomocí tzv. zkušební elektrody a v geologické praxi rozšířená metoda VES země, jejíž princip je podrobně popsán v učebnici pro studenti geofyzikálního oboru [2].

Metoda zkušební elektrody
Metoda zkušební elektrody byla navržena a rozšířena již na počátku 20. let, tzn. o 30–40 let dříve než metoda VES. Podstata metody zkušební elektrody je extrémně jednoduchá. Na území určeném pro stavbu uzemňovacího zařízení se obvykle do země pokládají jednotlivé svislé nebo vodorovné zemnící vodiče (zkouška), zpravidla stejné délky jako budoucí zemnící vodič. Poté se známými metodami změří odpor proti šíření zkušební elektrody a z naměřené hodnoty odporu proti šíření pomocí známých vzorců se určí elektrický odpor země. To je to, co se používá jako základ pro výpočet malého uzemňovacího zařízení.
Tato metoda se nyní používá pouze v extrémních případech při konstrukci zemnících zařízení pro elektrické instalace s napětím do 1 kV s různými neutrálními uzemňovacími systémy a nad 1 kV s izolovaným neutrálem, zejména když je známo, že měrný odpor povrchové vrstvy země je nízká.

metoda VES
Metoda VES byla navržena a rychle se rozšířila na počátku 20. let pro geofyzikální účely. Praktická hodnota metody VES spočívá v tom, že prováděním výzkumu na zemském povrchu je možné získat (s využitím teorie pole) hloubkové chování elektrického odporu studované zemské hmoty. V praxi výzkumu při navrhování uzemňovacích zařízení se však v té době ještě neuplatňovalo kvůli tehdy převládajícímu názoru v teorii uzemňovacích zařízení, že elektrická struktura země je homogenní. Práce autora tohoto článku byla poprvé věnována výpočtu zemnících vodičů v heterogenních půdách [3]. Byl to počátek měření měrného odporu horních vrstev zeminy ve vztahu k výpočtu a návrhu zemnících zařízení metodou vertikálního elektrického sondování země.
Fyzikální podstata vertikálního elektrického snímání sestává z následujícího. Stabilizovaný elektrický proud I je do země přiváděn pomocí dvou bodových zemnících elektrod (napájecí elektrody A a B, častěji nazývané proudové elektrody) z elektrického měřicího generátoru, jehož hodnota leží v rozsahu od 1 do 200 mA. V teorii geoelektrických výzkumných metod je dokázáno, že za bodovou elektrodu lze považovat uzemňovací elektrodu libovolné konfigurace, vycházející ze vzdáleností přibližně 5x větších, než je délka její zakopané části. Stejná situace platí pro systémy několika elektrod. Takový systém, bez ohledu na to, jak složitá je jeho konfigurace, bude ekvivalentní bodovému uzemňovacímu zařízení, pokud budou pozorování prováděna v bodech vzdálených od středu systému ve vzdálenosti přesahující 5násobek vzdálenosti mezi dvěma nejvzdálenějšími elektrodami systému. Elektrický proud, procházející půdou od jedné elektrody ke druhé, dosahuje velkých hloubek. Blíže k elektrodám a obecně k povrchu země je proudová hustota větší a s hloubkou klesá a ve velmi velkých hloubkách se prakticky rovná nule.
Protože půda má měrný odpor, dochází k poklesu napětí ve všech oblastech. Umístíte-li na zemský povrch dvě přijímací (potenciální) elektrody M a N s proudovými elektrodami, vznikne mezi nimi rozdíl elektrického potenciálu DU, který je vztažen k hodnotě napájecího proudu vzorcem známým z učebnice [2]:

kde r je měrný odpor půdy umístěné v zařízení AMNB;
K je koeficient závislý na vzájemné poloze proudových a potenciálních elektrod.
Všimněte si, že vzorec v této podobě platí pouze pro homogenní půdu. Pokud je půda heterogenní, pak lze hovořit pouze o zdánlivém a v některých případech dokonce o ekvivalentním odporu půdy. Ekvivalentní měrný odpor zeminy s heterogenní strukturou je měrný elektrický odpor zeminy s homogenní strukturou, ve které má odpor zemnícího zařízení stejnou hodnotu jako v zemině s heterogenní strukturou.

Zařízení pro metodu VES

Instalace Burgsdorf
Jsou známá různá zařízení, obvody a instalace pro vertikální elektrické sondování země, určené k měření odporu půdy. Nejpoužívanější pro předprojektové průzkumy v elektroenergetice je tzv. Burgsdorfova instalace.

Skládá se (obr. 1) ze stabilizovaného generátoru elektrického proudu např. ze stavebnice IKS-1 nebo IKS-50, mikrovoltmetru s děličem napětí a obvodu pro nahrazení měřeného signálu vlastním signálem, např. ze stavebnice IKS-1 nebo IKS-50, dvě potenciální elektrody M a N a dvě proudové elektrody A a B, které musí být před sondováním ponořeny do země. Elektroda A musí být ve stejné vzdálenosti od elektrod M a N, aby potenciálový rozdíl, který indukovala na potenciálních elektrodách M a N, byl nulový. Kromě toho by mezi elektrodami A a M, stejně jako A a N v zemi, neměly být žádné místní povrchové vměstky s elektrickým odporem odlišným od elektrického odporu země, což může způsobit rozdíl potenciálu mezi potenciálními elektrodami od nula, což povede k chybě vertikálního elektrického ozvučení země. Nevýhodou uvažované instalace v Burgsdorfu je chyba, někdy značná, ke které dochází při vertikálním elektrickém sondování země v místech s lokálními povrchovými inkluzemi s elektrickými odpory výrazně odlišnými od elektrického odporu sondované země.

Instalace, která zvyšuje přesnost geodetické práce VES
Autor tohoto článku si dal za úkol zvýšit přesnost vertikálního elektrického sondování země za přítomnosti výše uvedených nehomogenních vměstků v horní vrstvě půdy. V důsledku použití navrhovaného zařízení se přesnost VES země prudce zvyšuje.
Výše uvedeného technického výsledku je dosaženo tím, že v instalaci Burgsdorf plní funkci proudové elektrody A potenciálové elektrody M a N, které současně pokračují v plnění vlastní funkce potenciálních elektrod (obr. 2). Proud do těchto potenciálních elektrod je přiváděn z generátoru přes dva odpory stejného odporu.

Jeden z těchto odporů je připojen na jednom konci k elektrodě M a na druhém konci k jednomu z pólů generátoru stabilizovaného elektrického proudu. Druhý rezistor je jedním koncem připojen k elektrodě N a druhým koncem ke stejnému pólu generátoru stabilizovaného elektrického proudu, ke kterému je připojen první rezistor.
Odpor R každého rezistoru musí splňovat nerovnost:

K DU – potenciálový rozdíl mezi elektrodami M a N;
MN – vzdálenost mezi elektrodami M a N;
NB – vzdálenost mezi elektrodami N a B.
Výše uvedený vzorec je odvozen ze závislosti c na I a DU diskutované výše a platí jak pro instalaci Burgsdorf, tak pro instalaci autora, protože vzájemná poloha elektrod v obou instalacích je nezměněna. Teoreticky jsou obě zařízení ekvivalentní, protože pro ně jsou výše uvedené koeficienty K absolutně stejné. Přesto byly ve VIESKh provedeny srovnávací testy obou instalací, které ukázaly vysokou přesnost měření odporu půdy pomocí autorské instalace. Bylo provedeno několik stovek měření a výsledky předčily všechna očekávání.

© JSC “Novinky z elektrotechniky”
Použití materiálů stránek je možné pouze s písemným souhlasem redakce
Při citování materiálů je vyžadován hypertextový odkaz na web s uvedením autora