Сезонные изменения сопротивления заземления: зима, лето, весна

Оглавление

• Введение
• Физические основы сопротивления заземления и удельного сопротивления грунта
• Зависимость удельного сопротивления грунта от влажности и температуры
• Влияние промерзания грунта зимой
• Летние условия и высыхание грунта
• Весенние изменения и период оттаивания
• Сезонные коэффициенты и их применение при проектировании и эксплуатации
• Особенности измерения сопротивления заземления в разные сезоны
• Нормативные требования к измерениям и контролю заземляющих устройств
• Практические рекомендации по контролю заземления с учётом сезонов
• Заключение

Введение

Сопротивление заземляющего устройства является одним из важнейших параметров, определяющих уровень электробезопасности электроустановок. От его величины напрямую зависит эффективность работы релейной защиты при однофазных замыканиях на землю, а также значения напряжения прикосновения и шага, которые могут воздействовать на человека в аварийных режимах.

Главным фактором, формирующим сопротивление заземления, выступает удельное сопротивление грунта (ρ). Этот параметр характеризует способность почвы проводить электрический ток и в значительной степени зависит от внешних условий. В течение года ρ подвержено существенным сезонным колебаниям, вызванным изменениями температуры и влажности грунта.

Зимой в результате промерзания верхних слоёв почвы удельное сопротивление может возрастать в несколько раз. Летом в период продолжительной засухи происходит высыхание грунта, что также приводит к заметному увеличению ρ. Весной, напротив, таяние снежного покрова и обильные атмосферные осадки насыщают почву влагой, снижая её удельное сопротивление до минимальных значений за год.

Учёт сезонных изменений необходим как на стадии проектирования заземляющих устройств, так и при их периодическом контроле в процессе эксплуатации. Игнорирование этих факторов может привести к существенным погрешностям при оценке реального состояния заземления и создать угрозу для безопасности персонала и оборудования.

В статье подробно рассмотрены физические механизмы, лежащие в основе сезонных колебаний сопротивления заземления, особенности проведения измерений в различные периоды года, а также практические подходы к обеспечению надёжного заземления с учётом климатических условий.

Физические основы сопротивления заземления и удельного сопротивления грунта

Сопротивление заземляющего устройства представляет собой суммарное сопротивление, которое встречает электрический ток при растекании от заземлителя в окружающий грунт. Это сопротивление складывается из сопротивления самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и грунтом, а также сопротивления растеканию тока в грунте.

Для одиночного вертикального заземлителя (металлического стержня или трубы) сопротивление растеканию приближённо рассчитывается по формуле:

$$ R = \frac{0{,}366 \rho}{L} \lg\left(\frac{4L}{d}\right) $$

где:

• ρ — удельное сопротивление грунта, Ом·м;
• L — длина заземлителя, м;
• d — диаметр (или эквивалентный диаметр) заземлителя, м.

Формула справедлива при достаточном заглублении электрода и при условии, что расстояние от поверхности земли до верхнего конца заземлителя невелико по сравнению с его длиной.

Как видно из выражения, сопротивление заземления прямо пропорционально удельному сопротивлению грунта. Именно ρ является наиболее переменной величиной и в наибольшей степени подвержена сезонным изменениям.

Удельное сопротивление грунта — это сопротивление, которое оказывает куб почвы с ребром 1 м при измерении между противоположными гранями. Величина ρ зависит от множества факторов, среди которых:

• минералогический и гранулометрический состав грунта;
• содержание влаги в порах;
• температура грунта;
• наличие растворимых солей и органических веществ;
• плотность и структура почвы.

На практике наибольшее влияние оказывают влажность и температура, которые изменяются в течение года и вызывают значительные колебания сопротивления заземляющих устройств.

Зависимость удельного сопротивления грунта от влажности и температуры

Удельное сопротивление грунта определяется в первую очередь наличием и состоянием влаги в его порах. Вода является основным проводником электрического тока в почве. При увеличении влажности количество свободных ионов возрастает, и ρ снижается, иногда в десятки раз. Наиболее низкие значения удельного сопротивления наблюдаются при полном насыщении грунта влагой — после интенсивных дождей или в период активного таяния снега.

При высыхании верхних слоёв почвы (особенно в летний период) содержание влаги уменьшается, проводящие пути прерываются, и удельное сопротивление существенно возрастает. Наиболее чувствительны к высыханию песчаные и супесчаные грунты, в которых влага удерживается слабо.

Температура оказывает особенно сильное влияние при переходе через ноль градусов Цельсия. При положительных температурах изменение ρ относительно невелико. Однако при замерзании содержащейся в грунте влаги происходит резкий рост удельного сопротивления. Лёд обладает значительно более высоким сопротивлением по сравнению с жидкой водой. В результате промерзания ρ может увеличиваться в 5–50 раз и более в зависимости от типа грунта, глубины промерзания и начальной влажности.

Ниже приведена таблица ориентировочных значений удельного сопротивления различных типов грунтов в разных сезонных состояниях:

Приведённые значения носят ориентировочный характер и могут существенно различаться в зависимости от конкретного региона, состава грунта и глубины залегания. Тем не менее они наглядно демонстрируют масштаб сезонных изменений.

Помимо влажности и температуры на удельное сопротивление влияют и другие факторы, которые целесообразно учитывать при оценке состояния заземляющих устройств:

• минералогический состав (наличие глинистых минералов снижает ρ);
• содержание органических веществ и гумуса;
• присутствие растворимых солей (повышает проводимость);
• плотность грунта и его пористость;
• глубина залегания грунтовых вод.

Понимание этих зависимостей позволяет правильно интерпретировать результаты измерений и принимать обоснованные решения при проектировании и эксплуатации заземляющих устройств.

Влияние промерзания грунта зимой

Зимний период оказывает наиболее сильное влияние на удельное сопротивление грунта и, как следствие, на сопротивление заземляющих устройств. При снижении температуры ниже нуля градусов Цельсия содержащаяся в порах грунта влага переходит в твёрдое состояние — лёд. Лёд обладает значительно более высоким удельным электрическим сопротивлением по сравнению с жидкой водой, что приводит к резкому ухудшению проводящих свойств почвы.

Механизм увеличения сопротивления связан с нарушением непрерывности проводящих путей: при замерзании вода в капиллярах и порах превращается в изолирующие прослойки льда. Особенно сильно это проявляется в верхних слоях грунта, где содержание влаги обычно выше. В средней полосе России глубина промерзания грунта составляет 1,0–1,8 м, а в северных регионах может достигать 2,5–3,0 м и более.

В результате промерзания удельное сопротивление грунта может возрастать в 5–50 раз и более в зависимости от типа почвы, её влажности перед замерзанием и глубины промерзания. Наибольшие изменения наблюдаются в глинистых и суглинистых грунтах, удерживающих значительное количество влаги. В песчаных грунтах рост ρ менее выражен, но всё равно существенен.

Для заземляющих устройств это означает, что если вертикальные электроды не заглублены ниже уровня промерзания, сопротивление растеканию тока значительно увеличивается. Горизонтальные заземлители, расположенные в верхних слоях, оказываются особенно уязвимыми.

При проведении измерений в зимний период возникают дополнительные сложности:

• затруднена забивка вспомогательных измерительных электродов в мёрзлый грунт;
• высокое переходное сопротивление между электродами и грунтом искажает результаты;
• требуется большее время на установление стационарного режима измерения;
• некоторые приборы могут показывать завышенные значения из-за увеличения сопротивления измерительной цепи;
• необходимость применения специальных методик (удлинение соединительных проводов, использование нескольких вспомогательных электродов, предварительное оттаивание участков).

Ниже приведена таблица ориентировочных коэффициентов увеличения удельного сопротивления грунта при промерзании:

Учёт зимнего увеличения сопротивления обязателен при проектировании заземляющих устройств. Электроды рекомендуется заглублять ниже расчётной глубины промерзания не менее чем на 0,5 м. В противном случае в зимний период сопротивление заземления может значительно превышать нормативные значения даже при правильном монтаже.

Летние условия и высыхание грунта

Летний период, особенно в засушливые годы, также характеризуется ростом удельного сопротивления грунта, хотя и менее резким, чем зимой. Основной причиной является снижение влажности верхних слоёв почвы вследствие испарения и отсутствия осадков. Верхний слой толщиной 0,3–0,8 м может сильно пересыхать, что приводит к разрыву проводящих путей и увеличению ρ.

Наиболее подвержены высыханию песчаные и супесчаные грунты, обладающие низкой влагоёмкостью. В глинистых грунтах процесс происходит медленнее, но при длительной засухе также наблюдается существенный рост сопротивления. В южных регионах России и в степных зонах летнее увеличение ρ может быть сопоставимо с зимним.

Влияние летнего высыхания на заземляющие устройства проявляется в повышении сопротивления растеканию, особенно для горизонтальных контуров и неглубоких вертикальных электродов. В некоторых случаях сопротивление заземления в сухой период может в 2–5 раз превышать значения, полученные весной или осенью.

При проведении измерений летом необходимо учитывать следующие особенности:

• сухая почва вокруг вспомогательных электродов создаёт высокое переходное сопротивление;
• результаты измерений могут быть завышены по сравнению с реальным сопротивлением в более влажные периоды;
• для получения стабильных показаний иногда требуется предварительное увлажнение участков установки вспомогательных электродов (с соблюдением осторожности, чтобы не исказить картину);
• в засушливых регионах рекомендуется проводить измерения рано утром или после небольшого дождя для получения более объективных данных.

Летний период часто рассматривается как один из наиболее неблагоприятных для работы заземляющих устройств наряду с зимой. Именно поэтому при проектировании и проверке заземления учитывают наихудшие условия — максимальное сезонное сопротивление.

Весенние изменения и период оттаивания

Весенний период, особенно время активного таяния снега и последующего насыщения грунта влагой, характеризуется минимальным удельным сопротивлением почвы за весь год. Талые воды и весенние осадки обильно пропитывают верхние слои, создавая благоприятные условия для проводимости электрического тока.

В этот период удельное сопротивление грунта может снижаться в 2–10 раз по сравнению с зимними и летними значениями. Особенно заметно снижение ρ в глинистых и суглинистых грунтах, а также в торфяниках. Песчаные грунты также показывают улучшение проводимости, хотя и в меньшей степени.

Для заземляющих устройств весна — это период наименьшего сопротивления. Горизонтальные и неглубокие вертикальные электроды работают наиболее эффективно. Однако это не означает, что измерения, проведённые весной, всегда дают полную картину. Нормативные требования к сопротивлению заземления должны обеспечиваться в течение всего года, включая периоды максимального сопротивления.

Особенности весенних измерений:

• высокая влажность грунта обеспечивает низкое переходное сопротивление электродов;
• результаты измерений обычно самые низкие за год и могут создавать ложное впечатление о надёжности заземления;
• при высоком уровне грунтовых вод возможно дополнительное снижение сопротивления за счёт влияния воды;
• после высыхания весенней влаги сопротивление может быстро возрасти, поэтому весенние данные требуют корректировки с учётом сезонных коэффициентов.

Весенний период удобен для проведения контрольных измерений с целью оценки минимально возможного сопротивления и проверки работоспособности заземляющих устройств после зимы. Однако для подтверждения соответствия нормам в течение всего года рекомендуется проводить измерения также в летний или зимний периоды либо применять расчётные сезонные коэффициенты.

Таким образом, весенние изменения носят противоположный характер по сравнению с зимними и летними: они способствуют снижению сопротивления заземления и создают наиболее благоприятные условия для растекания тока в грунте.

Сезонные коэффициенты и их применение при проектировании и эксплуатации

Для учёта сезонных колебаний удельного сопротивления грунта при проектировании и проверке заземляющих устройств применяют специальные сезонные коэффициенты. Эти коэффициенты позволяют пересчитать измеренное или расчётное значение сопротивления на наиболее неблагоприятные условия года (зимний период промерзания или летнюю засуху).

Сезонный коэффициент K_сез представляет собой поправочный множитель, на который умножают полученное значение сопротивления заземления или удельного сопротивления грунта. Формула применения коэффициента выглядит следующим образом:

$$ R_{\text{расч}} = R_{\text{изм}} \times K_{\text{сез}} $$

где R_расч — расчётное (приведённое к наихудшим условиям) сопротивление заземления, R_изм — измеренное значение, K_сез — сезонный коэффициент.

Величина сезонных коэффициентов зависит от климатической зоны, типа заземлителя (вертикальный или горизонтальный) и глубины его заложения. Ниже приведена таблица ориентировочных значений сезонных коэффициентов по климатическим зонам России:

Применение сезонных коэффициентов позволяет:

• получить консервативную оценку сопротивления заземления на весь год;
• избежать занижения расчётных значений при измерениях в благоприятные периоды (весна, осень);
• правильно определить необходимое количество и длину заземляющих электродов ещё на стадии проекта;
• своевременно выявить необходимость реконструкции или усиления существующего заземляющего устройства.

Коэффициенты рекомендуется применять как при проектировании новых заземляющих устройств, так и при периодической оценке состояния уже эксплуатируемых систем.

Особенности измерения сопротивления заземления в разные сезоны

Измерение сопротивления заземления проводится методом падения потенциала (трёхточечный или четырёхточечный метод) с использованием вспомогательных токового и потенциального электродов. Точность и удобство измерений существенно зависят от состояния грунта, поэтому в разные сезоны применяют различные подходы и требования к подготовке.

В зимний период основные трудности связаны с промерзшим грунтом:

• сложно обеспечить надёжный контакт вспомогательных электродов с грунтом;
• высокое переходное сопротивление искажает результаты измерений;
• требуется большее время для стабилизации показаний прибора;
• рекомендуется использовать удлинённые соединительные провода и, при необходимости, предварительное механическое разрушение верхнего слоя льда.

В летний засушливый период проблемы возникают из-за сухого верхнего слоя грунта. В таких условиях целесообразно:

• увлажнять участки установки вспомогательных электродов небольшим количеством воды (без избытка, чтобы не изменить естественную влажность);
• выбирать для измерений утренние часы или период после небольшого дождя;
• контролировать стабильность показаний в течение нескольких циклов измерения.

Весенний и осенний периоды считаются наиболее благоприятными для измерений благодаря высокой естественной влажности грунта. В это время обеспечивается наилучший контакт электродов и минимальное переходное сопротивление.

Для проведения точных измерений в любых сезонных условиях применяют современные портативные измерители сопротивления заземления. Приборы серии ИС (в частности ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05) специально адаптированы для полевой эксплуатации. Они сохраняют высокую точность измерений в широком диапазоне температур (от минус 15 °С до плюс 50–55 °С), имеют степень защиты корпуса IP54, усиленную изоляцию и соответствуют требованиям ГОСТ 22261. Эти приборы позволяют уверенно работать как в зимних, так и в летних условиях, обеспечивая стабильные результаты даже при повышенном сопротивлении измерительной цепи.

Независимо от сезона рекомендуется проводить не менее трёх измерений с перестановкой вспомогательных электродов и усреднять полученные значения. При значительном расхождении результатов следует проверить качество контактов и состояние грунта в точках измерения.

Нормативные требования к измерениям и контролю заземляющих устройств

Требования к сопротивлению заземляющих устройств и периодичности их контроля установлены в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ-7) и других нормативных документах. Сопротивление заземления должно обеспечивать безопасные условия эксплуатации в любое время года, включая периоды максимального сезонного сопротивления.

Согласно ПУЭ-7 (п. 1.7.101 и п. 1.7.103) для электроустановок напряжением до 1000 В с глухозаземлённой нейтралью при удельном сопротивлении грунта до 100 Ом·м допустимые значения сопротивления заземляющего устройства составляют:

При удельном сопротивлении грунта выше 100 Ом·м указанные значения допускается повышать пропорционально росту ρ, но не более чем в (ρ/100) раз.

Измерения сопротивления заземления проводят:

• при приёмке в эксплуатацию новых или реконструированных электроустановок;
• после капитального ремонта или реконструкции заземляющих устройств;
• периодически в соответствии с графиком (обычно не реже одного раза в 6 лет для стационарных установок и чаще для передвижных и временных);
• внеочередно после аварий, стихийных бедствий или при подозрении на ухудшение состояния заземления.

При интерпретации результатов измерений обязательно учитывают сезонные условия и при необходимости применяют поправочные коэффициенты. Измерения должны выполняться с использованием средств измерений, прошедших поверку и соответствующих требованиям ГОСТ 22261 и ГОСТ IEC 61010-1.

Практические рекомендации по контролю заземления с учётом сезонов

Для обеспечения надёжной работы заземляющих устройств в течение всего года рекомендуется придерживаться следующих практических подходов:

• При проектировании всегда закладывать запас по длине и количеству электродов с учётом сезонных коэффициентов для конкретной климатической зоны.
• Заглублять вертикальные заземлители ниже расчётной глубины промерзания не менее чем на 0,5 м.
• Проводить основные контрольные измерения в периоды наибольшего сопротивления (зима или сухое лето) либо применять сезонные коэффициенты к результатам измерений, выполненных в благоприятные сезоны.
• Вести журнал измерений с обязательным указанием даты, погодных условий, состояния грунта и применённого коэффициента.
• При выявлении превышения нормативного сопротивления разрабатывать план мероприятий: дополнительная забивка электродов, применение электролитических заземлителей, химическая обработка грунта (с осторожностью и только по согласованной методике).
• Регулярно осматривать видимые части заземляющих устройств и соединения на предмет коррозии и механических повреждений.
• Для мобильных и временных электроустановок использовать переносные измерители сопротивления заземления, позволяющие оперативно оценивать состояние заземления в любых условиях.

Соблюдение этих рекомендаций позволяет минимизировать риски, связанные с сезонными изменениями сопротивления заземления, и обеспечить соответствие требованиям электробезопасности в течение всего периода эксплуатации.

Заключение

Сезонные изменения сопротивления заземления обусловлены прежде всего колебаниями удельного сопротивления грунта под влиянием температуры и влажности. Зимой промерзание приводит к резкому росту сопротивления, летом — высыхание верхних слоёв почвы, весной — насыщение влагой снижает сопротивление до минимальных значений. Эти изменения необходимо учитывать как при проектировании, так и при эксплуатации заземляющих устройств.

Применение сезонных коэффициентов, правильный выбор глубины заложения электродов и проведение измерений с учётом реальных условий позволяют обеспечить стабильное и безопасное сопротивление заземления в любое время года. Современные средства измерения дают возможность получать достоверные данные даже в сложных зимних и летних условиях.

Регулярный контроль с учётом сезонных факторов — необходимое условие надёжной работы электроустановок и защиты персонала от поражения электрическим током.

Для точного и надёжного определения сопротивления заземления в любых сезонных условиях рекомендуется приобрести современный измеритель сопротивления заземления по доступной цене. Такой прибор позволит оперативно проводить измерения, получать объективные результаты и своевременно принимать меры по обеспечению электробезопасности.

Материал подготовил технический директор НПП "КИПОФФ" Березин Александр Сергеевич