Оглавление
- Особенности скальных и каменистых грунтов
- Удельное электрическое сопротивление сложных грунтов
- Нормативные требования к сопротивлению заземляющих устройств
- Конструктивные особенности заземления в скальных структурах
- Методы измерения сопротивления заземления
- Трудности измерений в каменистых и скальных грунтах
- Практические рекомендации по проведению измерений
- Возможности современных измерителей сопротивления заземления
1. Особенности скальных и каменистых грунтов
Скальные и каменистые грунты относятся к категории сложных с точки зрения устройства и эксплуатации заземляющих устройств. Их главная особенность — крайне высокое удельное электрическое сопротивление, обусловленное плотной структурой породы, низким содержанием влаги и малым количеством растворимых солей. К таким грунтам относят гранит, базальт, известняк плотный, кварцит, дресву, щебень, валунные отложения и разрушенные скальные массивы.
В скальных породах электрический ток растекается преимущественно по трещинам и зонам выветривания, где присутствует влага. Основной массив породы работает практически как диэлектрик. Это приводит к тому, что сопротивление растеканию тока заземлителя определяется не столько геометрическими размерами электрода, сколько наличием и свойствами тонкого приконтактного слоя грунта вокруг него.
Каменистые грунты (щебень, гравий с включениями камней, дресва) занимают промежуточное положение. Их удельное сопротивление сильно зависит от степени увлажнения и наличия глинистых частиц. В сухом состоянии такие грунты могут иметь сопротивление, сравнимое со скалой, а при насыщении влагой — значительно снижаться. Однако даже во влажном состоянии они остаются неблагоприятными для классических вертикальных заземлителей из-за сложности заглубления стержней.
Важным фактором является неоднородность. Скальный массив часто перекрыт слоем разрушенной породы или наносов небольшой мощности. Электрические свойства верхнего и нижнего слоёв могут отличаться на порядки. Это создаёт условия, при которых ток растекается преимущественно в верхнем слое, а глубокие горизонты практически не участвуют в процессе. В результате сопротивление заземляющего устройства оказывается выше расчётных значений, полученных по средним табличным данным.
Сезонные изменения в скальных грунтах выражены слабее, чем в обычных почвах, но всё же присутствуют. В периоды длительной засухи трещины высыхают, и сопротивление резко возрастает. При выпадении осадков влага заполняет трещины, и проводимость улучшается. Однако этот эффект локален и нестабилен. В зимний период в северных районах возможно промерзание трещин, что дополнительно ухудшает условия растекания тока.
Для практики устройства заземления это означает необходимость применения специальных конструктивных решений: горизонтальных лучевых или сетчатых заземлителей, замены грунта в траншеях, использования электролитических или химических заземлителей, а также выноса контура в зоны с более благоприятным грунтом, если такие имеются в пределах допустимого расстояния.
Приобретите профессиональный измеритель сопротивления заземления ИС-10 и обеспечьте точный контроль систем заземления.
2. Удельное электрическое сопротивление сложных грунтов
Удельное электрическое сопротивление грунта ρ — основной параметр, определяющий сопротивление растеканию тока заземлителя. Оно измеряется в Ом·м и представляет собой сопротивление куба грунта с ребром 1 м при протекании тока между противоположными гранями.
Для скальных и каменистых грунтов характерны следующие ориентировочные значения:
| Тип грунта | Удельное сопротивление, Ом·м |
|---|---|
| Гранит | 1100–22000 |
| Базальт | 2000 |
| Известняк плотный | 1000–5000 |
| Кварц, кварцит | до 15000 |
| Дресва (мелкий щебень) | 3000–5500 |
| Щебень сухой | 3000–5000 |
| Щебень влажный | 1000–3000 |
| Каменистая почва | 500–30000 |
| Скала (монолит) | 10000 и выше |
Для сравнения: удельное сопротивление влажной глины составляет 20–60 Ом·м, суглинка — 40–150 Ом·м, чернозёма — 10–50 Ом·м. Разница достигает сотен и тысяч раз.
На величину ρ влияют несколько факторов. Влажность — главный из них. При увеличении содержания воды от 5–10 % до 20–25 % сопротивление может снизиться в 5–10 раз и более. Однако в скальных породах вода сосредоточена в трещинах, объём которых невелик, поэтому даже при хорошем увлажнении эффективное сопротивление остаётся высоким.
Температура также играет роль. При переходе через 0 °C и промерзании трещин сопротивление резко возрастает. В многолетнемёрзлых скальных грунтах значения ρ могут превышать 10000–20000 Ом·м.
Пористость и степень выветривания определяют, насколько грунт способен удерживать влагу. Разрушенные и трещиноватые скалы имеют меньшее сопротивление, чем монолитные массивы. Наличие глинистых заполнителей в трещинах существенно улучшает проводимость.
Для расчётов заземляющих устройств в сложных грунтах обычно принимают расчётное значение ρ, соответствующее наиболее неблагоприятным условиям (сухой период или период максимального промерзания). Измерение удельного сопротивления на месте работ выполняется методом Веннера с помощью четырёхэлектродной установки. Прибор автоматически вычисляет значение по формуле:
\[ \rho = 2 \pi a R \]где \( a \) — расстояние между соседними электродами, м; \( R \) — измеренное сопротивление, Ом.
В приборах, поддерживающих режим измерения удельного сопротивления грунта (например, ИС-20 и ИС-10), эта операция выполняется автоматически после ввода расстояния между электродами.
3. Нормативные требования к сопротивлению заземляющих устройств
Основные требования к заземляющим устройствам установлены в главе 1.7 Правил устройства электроустановок (ПУЭ). Нормируемые значения сопротивления зависят от напряжения сети, режима нейтрали и назначения заземления.
Для электроустановок напряжением до 1 кВ в сетях с глухозаземлённой нейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов или трансформаторов, должно быть не более 4 Ом при линейном напряжении 380 В источника трёхфазного тока или 220 В источника однофазного тока. При суммарной мощности генераторов и трансформаторов 100 кВ·А и менее допускается сопротивление не более 10 Ом.
Сопротивление заземляющего устройства повторных заземлений PEN-проводника воздушной линии должно быть не более 10 Ом, а на вводе в здание — не более 30 Ом.
В грунтах с удельным сопротивлением более 100 Ом·м допускается увеличение указанных значений пропорционально отношению ρ/100, но не более чем в 10 раз. Таким образом, в скальных грунтах с ρ = 1000 Ом·м допустимое сопротивление может достигать 40 Ом для основного заземления и 300 Ом для повторного (в пределах десятикратного увеличения).
Для электроустановок выше 1 кВ с эффективно заземлённой нейтралью сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 0,5 Ом. В районах с большим удельным сопротивлением земли, в том числе в скальных структурах, рекомендуется выполнять заземляющие устройства с соблюдением требований к напряжению прикосновения.
ПУЭ прямо указывает на особенности устройства заземления в скальных грунтах (п. 1.7.66 и связанные пункты):
- горизонтальные заземлители допускается прокладывать на меньшей глубине, но не менее 0,15 м;
- допускается не выполнять вертикальные заземлители у входов и въездов;
- рекомендуется устройство выносных заземлителей, если в радиусе до 2 км имеются участки с меньшим удельным сопротивлением;
- допускается укладка в траншеи вокруг горизонтальных заземлителей влажного глинистого грунта с последующей трамбовкой и засыпкой щебнем;
- при необходимости применяется искусственная обработка грунта для снижения его удельного сопротивления.
Требования электробезопасности к измерительным приборам, применяемым при контроле заземляющих устройств, установлены ГОСТ IEC 61010-1. Приборы должны соответствовать категории измерения CAT IV 300 В при работе вблизи распределительных устройств и воздушных линий. Корпус должен иметь степень защиты не ниже IP54 по ГОСТ 14254 для работы в полевых условиях. Метрологические характеристики приборов нормируются по ГОСТ 22261.
ГОСТ Р 50571.16 регламентирует методы измерения сопротивления заземляющих устройств, в том числе с применением клещей без отсоединения заземлителя от системы. Это особенно актуально для многоэлементных контуров, часто применяемых в скальных грунтах.
4. Конструктивные особенности заземления в скальных структурах
Классический вертикальный стержневой заземлитель в скальном грунте practically не применим без бурения. Даже при наличии разрушенного верхнего слоя заглубление стержня на 2,5–5 м требует значительных усилий или специальной техники. Поэтому основными решениями являются горизонтальные заземлители.
Горизонтальные лучи или сетка из полосовой стали или круглого прутка укладываются в траншеи глубиной 0,15–0,5 м. В скальных структурах траншеи часто приходится разрабатывать с применением отбойных молотков или взрывных работ. Для снижения сопротивления в траншею укладывают слой влажного глинистого грунта или специального заземляющего состава, после чего укладывают электрод и засыпают щебнем с трамбовкой.
Выносные заземлители применяются, когда в непосредственной близости от объекта грунт неблагоприятный, а на расстоянии до 2 км имеются участки с более низким удельным сопротивлением (например, заболоченные или глинистые зоны). Соединение выносного заземлителя с основным контуром выполняется проводником сечением, достаточным по условиям термической стойкости.
Электролитические заземлители представляют собой перфорированные трубы, заполненные смесью солей и графита. Они создают вокруг себя зону с повышенной проводимостью за счёт постоянного увлажнения и ионизации грунта. Такие заземлители эффективны именно в скальных и каменистых грунтах, где классические электроды работают плохо.
Химическая обработка грунта (засыпка смесью глины, кокса, соли) применяется локально вокруг электродов. Эффект сохраняется несколько лет, после чего требуется восстановление.
При проектировании заземляющих устройств в сложных грунтах обязательно выполняется измерение удельного сопротивления на месте. Расчётные табличные значения могут отличаться от реальных в несколько раз. После монтажа обязательно проводится измерение сопротивления готового заземляющего устройства. В сложных условиях предпочтительны приборы, поддерживающие четырёхпроводный метод измерения и имеющие широкий диапазон (до единиц килоом), такие как ИС-20 и ИС-10. Для простых контрольных измерений в условиях ограниченного пространства могут применяться более компактные приборы ИС-06 и ИС-05, работающие по двух- и трёхпроводной схеме.
Сопротивление заземляющего устройства в скальных грунтах часто оказывается близким к верхней границе допустимого диапазона даже после применения специальных мер. Поэтому контроль параметров должен выполняться регулярно, особенно после длительных засушливых периодов, когда сопротивление может существенно возрасти.
5. Методы измерения сопротивления заземления
Измерение сопротивления заземляющего устройства основано на методе падения потенциала. Через заземлитель и вспомогательный токовый электрод пропускается измерительный ток, а между заземлителем и потенциальным электродом измеряется напряжение. Сопротивление вычисляется по закону Ома:
\[ R = \frac{U}{I} \]где \( U \) — падение напряжения, В; \( I \) — измерительный ток, А.
На практике применяются три основные схемы подключения.
Двухпроводный метод используется редко и только для ориентировочных измерений. Прибор подключается двумя проводами непосредственно к заземлителю и вспомогательному электроду. Результат включает сопротивление соединительных проводов и переходных контактов, поэтому погрешность велика. Метод применим лишь при сопротивлениях заземлителя свыше нескольких десятков ом.
Трёхпроводный метод является основным для большинства полевых измерений. К заземлителю подключаются токовый и потенциальный выводы прибора (часто объединённые в одной точке), токовый вспомогательный электрод устанавливается на расстоянии не менее 5 диагоналей контура (обычно 40–50 м), потенциальный — примерно на 62 % этого расстояния (метод 62 %). Схема позволяет исключить влияние сопротивления токового электрода, но сопротивление соединительного провода к заземлителю входит в результат.
Четырёхпроводный метод обеспечивает наибольшую точность. Токовый и потенциальный выводы прибора подключаются к заземлителю отдельными проводами, которые соединяются только в точке измерения. Сопротивление соединительных проводов и переходных контактов полностью исключается из результата. Этот метод обязателен при измерении сопротивлений менее 5 Ом и рекомендуется во всех случаях, когда требуется высокая точность, особенно в сложных грунтах.
Для измерения удельного сопротивления грунта применяется четырёхэлектродная установка по методу Веннера. Четыре электрода располагаются в линию на равных расстояниях \( a \). Ток подаётся через крайние электроды, напряжение измеряется между средними. Прибор вычисляет удельное сопротивление по формуле:
\[ \rho = 2 \pi a R \]где \( R \) — измеренное сопротивление между потенциальными электродами.
В приборах ИС-20 и ИС-10 режим измерения удельного сопротивления реализован с автоматическим расчётом. Достаточно ввести расстояние между электродами, и прибор выдаёт значение ρ в Ом·м.
Для многоэлементных систем заземления, характерных для скальных участков, применяется метод с измерительными клещами. Он позволяет определить сопротивление отдельного заземлителя без его отсоединения от общей системы. Приборы ИС-20/1 и ИС-10/1 поддерживают измерения как с одними, так и с двумя клещами в соответствии с ГОСТ Р 50571.16.
6. Трудности измерений в каменистых и скальных грунтах
Главная проблема — невозможность или крайняя сложность установки вспомогательных электродов на требуемую глубину. В монолитной скале электроды приходится устанавливать в трещины, зоны выветривания или специально подготовленные лунки, заполненные влажным грунтом. Контактное сопротивление вспомогательных электродов часто превышает допустимые значения, указанные в технических характеристиках приборов (для ИС-20 — до 40 кОм в потенциальной цепи на большинстве диапазонов).
Высокое удельное сопротивление грунта приводит к тому, что даже при больших расстояниях между электродами зона нулевого потенциала выражена слабо. Кривая зависимости измеряемого сопротивления от положения потенциального электрода получается пологой, и определение точки 62 % становится затруднительным. Требуется выполнять серию измерений с перемещением потенциального электрода и строить график.
Неоднородность грунта (чередование скальных блоков, трещин, заполненных глиной, и поверхностных наносов) вызывает дополнительные погрешности. Ток растекается преимущественно по проводящим путям, и результат измерения может существенно зависеть от направления установки измерительной линии.
В скальных грунтах часто присутствуют блуждающие токи и индустриальные помехи, особенно вблизи железнодорожных путей, промышленных объектов и линий электропередачи. Приборы должны иметь хорошую помехозащищённость. ИС-20 допускает амплитуду напряжения помехи до 24 В на диапазонах от 1 Ом и выше, что достаточно для большинства практических случаев.
Ещё одна сложность — высокое сопротивление самого заземляющего устройства. В скальных условиях оно нередко составляет десятки и даже сотни ом. Приборы должны иметь верхний предел измерения не менее 9,99 кОм (как у ИС-20 и ИС-10) или хотя бы несколько килоом (как у ИС-06 и ИС-05).
При работе в условиях отрицательных температур (особенно актуально для ИС-06 с расширенным температурным диапазоном) необходимо учитывать изменение сопротивления соединительных проводов и возможное промерзание контактных зон электродов.
7. Практические рекомендации по проведению измерений
Перед началом измерений необходимо определить максимальную диагональ заземляющего устройства \( D \). Расстояние до токового электрода выбирается не менее \( 5D \), предпочтительно \( 3D \)–\( 5D \) при больших контурах. Потенциальный электрод устанавливают последовательно на расстояниях 20, 30, 40, 50, 60, 70 и 80 % от расстояния до токового электрода. По результатам строят зависимость \( R = f(l) \) и выбирают участок, где сопротивление меняется минимально.
Вспомогательные электроды следует заглублять не менее чем на 0,5 м. В скальном грунте для улучшения контакта лунки заливают водой или заполняют влажной глиной с последующей трамбовкой. Сопротивление потенциального и токового электродов необходимо контролировать: при превышении допустимых значений прибор обычно выдаёт предупреждение.
Измерения рекомендуется проводить в период наибольшего удельного сопротивления грунта — летом в сухую погоду или зимой при максимальном промерзании. При измерениях в другие периоды применяют сезонные коэффициенты.
При использовании четырёхпроводного метода соединительные провода к заземлителю должны быть короткими и иметь надёжный контакт. Все соединения выполняются зачисткой металла до блеска или с применением специальных зажимов.
Для исключения влияния параллельных цепей (трубопроводов, кабельных оболочек, грозозащитных тросов) по возможности отключают естественные заземлители на время измерения. Если отключение невозможно, применяют метод с клещами.
После завершения измерений результаты оформляются протоколом с указанием схемы расположения электродов, температуры воздуха, состояния грунта и типа использованного прибора.
| Параметр | Рекомендуемое значение |
|---|---|
| Минимальное расстояние до токового электрода | \( 5D \) (не менее 40 м) |
| Положение потенциального электрода | 0,5–0,7 от расстояния до токового |
| Глубина заглубления вспомогательных электродов | не менее 0,5 м |
| Допустимое сопротивление потенциального электрода | согласно характеристикам прибора (обычно до 40 кОм) |
| Рекомендуемый метод при R < 5 Ом | четырёхпроводный |
8. Возможности современных измерителей сопротивления заземления
Современные цифровые измерители сопротивления заземления позволяют уверенно работать в сложных грунтовых условиях. Приборы серии ИС-20 обеспечивают измерения по двух-, трёх- и четырёхпроводному методам в диапазонах от 1 мОм до 9,99 кОм с основной погрешностью ±(0,03·R + 3 е.м.р.) на четырёхпроводной схеме. Автоматическое вычисление удельного сопротивления грунта и возможность работы с клещами (в модификации ИС-20/1) делают их особенно удобными при обследовании протяжённых контуров в скальных районах.
Измерители ИС-10 имеют близкие метрологические характеристики и также поддерживают измерение удельного сопротивления. Модификация ИС-10/1 дополнительно позволяет выполнять измерения с клещами и контролировать распределение токов в многоэлементных системах.
Более компактные приборы ИС-06 и ИС-05 предназначены для измерений по двух- и трёхпроводной схеме. Они имеют диапазоны от 0,01 Ом до 9,99 кОм и основную погрешность ±(0,03·R + 3 е.м.р.). ИС-06 отличается расширенным температурным диапазоном (до минус 25 °C при использовании специальных элементов питания), что важно при работах в зимний период в северных и горных районах. Оба прибора имеют корпус со степенью защиты IP54 и соответствуют требованиям электробезопасности CAT IV 300 В.
Все перечисленные приборы автоматически переключают диапазоны, сохраняют последний результат измерения и устойчивы к внешним помехам. При работе в скальных грунтах особенно ценна возможность контроля сопротивления вспомогательных электродов и наличие предупреждений о превышении допустимых значений.
Правильный выбор метода измерения и прибора, обладающего достаточным верхним пределом и хорошей помехозащищённостью, позволяет получать достоверные результаты даже в наиболее сложных грунтовых условиях.
Для выполнения точных измерений сопротивления заземления в скальных и каменистых грунтах рекомендуется использовать современные цифровые измерители, обеспечивающие работу по четырёхпроводной схеме и имеющие широкий диапазон измерений. Купить такой прибор можно с учётом конкретных условий эксплуатации и требуемой точности. Актуальная цена зависит от комплектации и наличия дополнительных функций, таких как измерение с клещами или автоматический расчёт удельного сопротивления грунта.
Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич