CC BY
161
ТЕХНОЛОГИИ
ПРОБЛЕМЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗАЗЕМЛЕНИЙ
Морозов Б.Н., доцент, МТУСИ
Соколов Е.Г.,
МТУСИ,
Ключевые слова:
сопротивление заземления, форма импульса, концентрация ионов, ионизация грунта, влажность почвы.
АННОТАЦИЯ
При эксплуатации заземлений установок связи возникает ряд проблем, связанных как с изменениями температуры и влажности среды, окружающей заземлители, так и связанные с амплитудой, частотой и формой тока, протекающего через заземление. Кроме того поведение заземлителя зависит от индуктивного или ёмкостного характера заземления, который определяется формой импульса тока, конструктивной формой контура заземления и местом ввода тока в заземление. При изменении температуры и влажности грунта и при применении веществ, вносимых в окружающий грунт для снижения сопротивления, возникают проблемы, связанные с концентрацией ионов в растворе и с необходимостью их периодического возобновления, а также с коррозией заземлителя. При протекании импульсов тока заземление может скачкообразно изменять свою величину вследствие изменения характера заземления, также как и при протекании импульсных токов большой амплитуды, когда возможен пробой грунта. Некоторые из этих проблем рассмотрены ниже.
TECHNOLOGIES
US
RESEARCH
1. Влияние влажности, температуры и высыхания грунта на его удельное сопротивление.
Грунт представляет собой капиллярно-пористые тела, состоящие из твёрдой, жидкой и газообразной фазы. Твёрдая часть включает большое число мелких частиц различных минералов диаметром от долей миллиметров до нескольких миллиметров и органических составляющих микрофлоры и микрофауны. Жидкая часть грунтов (грунтовый раствор) представляет собой воду с растворёнными в ней веществами, содержащимися в твёрдой и газообразной частях грунта. Газообразная часть грунтов
- это, главным образом, азот, углекислый газ и кислород, заполняющие поры земляных пород. Основным проводником тока является грунтовый раствор, проводимость которого зависит от концентрации и подвижности ионов. Сухой грунт обладает большим сопротивлением. По мере увеличения влажности проводимость грунта возрастает. При очень большой влажности, когда концентрация ионов падает, проводимость начинает снижаться. Обычно влажность грунта заключена в пределах от 10 до 17 %, но меняется с глубиной, температурой поверхности и при сезонных изменениях климата. Особенно сильно влажность меняется в верхних слоях грунта, на глубине ниже 150 см колебания влажности малы. Точно также температура сильно меняется в верхних слоях почвы и является более или менее постоянной на глубине свыше 3 м. Поэтому сопротивление заземлителей, расположенных в верхних слоях грунта, будет меняться в течение года в 1,5
- 3 раза, если заземление оборудовано на открытой площадке, а не под фундаментом здания. При экстремальном нагреве грунта происходит испарение содержащейся в нём влаги, и резкое увеличение удельного сопротивления. Например, при нагреве до 60°происходит потеря до 30% содержащейся воды и чуть ли не десятикратное увеличение удельного сопротивления. Если первоначальная влажность очень велика, что сопровождается низкой концентрацией ионов, то при нагреве примерно до 35° концентрация ионов повышается. Происходит некоторое уменьшение удельного сопротивления примерно на 20%, а затем при дальнейшем повышении температуры удельное сопротивление увеличивается. Повышение температуры может происходить, например, при стекании больших токов с заземлителя. Интенсивная потеря воды в грунте обычно начинается при температуре порядка 30°. При Т = 50° испаряется около 20% содержащейся влаги, а при 60° уже 40%, при этом удельное сопротивление грунта начинает круто возрастать. Обычный грунт на глубине о 0.5 до 1.5 м содержит порядка 15 - 20 % влаги. При меньшей влажности сопротивление возрастает. Верхний слой грунта до глубины 0.5 м наиболее подвержен колебаниям как температуры, так и влажности.
2. Ёмкостный и индуктивный характер заземления в зависимости от его конструкции и частоты протекающего тока.
При протекании через заземление токов высокой частоты или кратковременных импульсов (например, токов молнии) заземление может принимать ёмкостный
или индуктивный характер [3]. Как всякий проводник, заземление обладает сопротивлением, индуктивностью и проводимостью. Если заземление представляет собой длинный протяжённый заземлитель, то наиболее сильно на высокой частоте проявляют себя индуктивные свойства проводника. При высокой частоте сопротивление индуктивности сильно возрастает и стекание тока с заземлителя происходит лишь с первых метров зазем-лителя. В общем случае если волновое сопротивление заземлителя 20 много больше его сопротивления Я на постоянном токе 20 Я, то сопротивление носит индуктивный характер. Если наоборот 20 Я , то заземление носит ёмкостный характер. При протекании импульса характер сопротивления заземлителя может несколько раз меняться, и значит, величина сопротивления также будет практически скачком меняться несколько раз, становясь то больше, то меньше. Поведение заземлителя зависит не только от частоты тока, но также от места ввода тока в заземление. Так при вводе тока в середину контура сопротивление при импульсе будет меньше, чем при вводе с крайней угловой точки.
3. Скачки величины сопротивления заземления при пробое грунта при большой напряжённости поля.
При протекании тока молнии в грунте напряжённость электрического поля Е связана с плотностью тока ] соотношением
Е = ]р (1),
где р - удельное сопротивление. Когда величина напряжённости поля превышает некоторую величину Ес , начинается ионизация грунта. Удельное сопротивление в этой области при этом изменяется по закону
р = р ,0 • (2),
где р0 - удельное сопротивление в стационарном состоянии, т - постоянная времени ионизации. В дальнейшем вблизи заземлителя в некоторых областях может произойти пробой, и тогда поведение заземлителя будет выглядеть, как если бы его размеры внезапно увеличились. Соответственно изменится величина сопротивления. На практике это обычно учитывается введением импульсного коэффициента заземлителя. Для вертикальных стержневых заземлителей этот коэффициент меньше единицы. Пробой происходит не всегда, и возможен процесс деио-низации. В любом случае во время процесса ионизации величина сопротивления заземления не является постоянной величиной и зависит как от амплитуды тока, так и от времени и, конечно, от пробивной прочности грунта и формы поля, что определяется формой электрода за-землителя и неравномерностью слоёв грунта. В равномерном поле пробивная прочность больше, чем при неравномерном поле. При очень высоких напряжённостях электрического поля форма электрода перестаёт влиять на сопротивление заземления, так как искровая зона принимает сферическую форму. Из-за неоднородности грунта плотность тока может быть разной в разных точках, что может привести к возникновению каналов с ма-
WWW.H-ES.RU
HIGH TECH IN EARTH SPACE RESEARCH
25
ТЕХНОЛОГИИ
US
RESEARCH
лым сопротивлением. График типичного поведения сопротивления заземления при импульсном токе показан на рис.1.
j
--1
Рис.1. График типичного поведения сопротивления заземления при протекании импульсного тока короткой длительности при большой напряжённости поля в земле вблизи заземлителя
4. Изменение концентрации ионов вокруг заземлите-ля с течением времени.
Для снижения сопротивления заземления принимаются различные меры, главным образом внесение в окружающий заземлитель грунт различных проводящих или ионообразующих веществ, например, солей. Действие соли оказывает влияние не только на понижение удельного сопротивления, но и на снижение температуры замерзания грунта, в результате чего большая электропроводность сохраняется при значительной отрицательной температуре даже до -10° С. Однако соль вымывается и срок действия обработки грунта ограничен, вследствие чего обработку приходится повторять через некоторое время, обычно 4-5 лет. Правда разработаны устройства, непрерывно подающие в пространство близ заземли-теля ионообразующие растворы. Стойкость обработки естественно зависит от строения грунта, температуры, изменения влажности. Изменение концентрации ионов сказывается на величине сопротивления заземления и надёжных способов предотвратить эти процессы нет. Существенную роль в водном и температурном режиме грунта вокруг заземлителя играет растительность и снеговой покров на поверхности.
5. Коррозия заземлителя.
Заземлители, через которые протекают длительные
токи, подвергаются электрокоррозии. Коррозия элек-
тродов вызывает изменение их размеров: уменьшается
длина и диаметр трубчатых заземлителей, уменьшается
ширина и толщина уголковых стержней, что ведёт к увеличению величин сопротивлений. Скорость коррозии за-
земления не является постоянной в течение всего срока
эксплуатации. С течением времени она замедляется, за
первые пять лет скорость коррозии уменьшается пример-
но в два раза. Уменьшение скорости коррозии происходит приблизительно по экспоненциальному закону:
УСО = Уо(р>е -0-14 (3),
где У0(р) - начальная скорость, зависящая от удельного сопротивления грунта р. Значения У0(р) приведены в таблице 1.
Таблица1
Значения первоначальной скорости коррозии в зависимости от удельного сопротивления грунта
Уд. сопротивление р, Ом-м 10 20 100 200 400 800
Скорость коррозии, г/(м* -год) 800 400 150 50 25 20
Заключение
Как видно из настоящего обзора, величина сопротивления заземления не остаётся постоянной величиной ни в какой момент срока эксплуатации заземления. При протекании импульсного тока в зависимости от формы импульса заземление может носить то ёмкостный, то индуктивный характер, при этом величина сопротивления может изменяться скачкообразно. При стекании с зазем-лителя токов молнии большой амплитуды в окружающей заземлитель среде возникают ионизационные процессы, сопровождающиеся пробоями грунта и также скачкообразным изменением сопротивления заземления. При токах высокой частоты сильно проявляется влияние индуктивности соединительных шин и проводников, что существенно изменяет величину сопротивления заземления. При стекании переменного тока на величине сопротивления сказывается и точка ввода тока в заземление. И, конечно, самое существенное влияние на сопротивление заземления оказывают температура и влажность грунта, подверженные погодным и сезонным изменениям, а также предпринимаемые с целью снижения сопротивления заземления методы обработки грунта и обстановка на поверхности грунта над контуром заземления.
Литература
1. Михайлов М.И., Соколов С.А. Заземляющие устройства в установках электросмвязи. - М.: Связь, 1971. - 200 с.
2. Wenxia Sima et al. Experimental analysis on the change regulation of the soil resistivity considering the thermal effect around the grounding electrode. 7th Asia-Pacific International on Lightning. Chengdu. Nov.1-4, 2011. Procceedings. Chengdu. China. Pp.108-111.
3. Shozo Sekioka. Transient response of grounding resistance associated with steady-state value. 7th AsiaPacific International on Lightning. Chengdu. Nov.1-4, 2011. Procceedings. Chengdu. China. Pp. 673-676.
4. Соколов С.А. Заземляющие устройства в установках связи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. Часть I. Июнь 2009. Специальный выпуск по итогам 3-ей отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества». - С.156-158.
5. Морозов Б.Н., Соколов Е.Г. Поведение заземлений установок связи в реальных условиях // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. Часть I. Июнь 2009. Специальный выпуск по итогам 3-ей отраслевой научной конференции «Технологии информационного общества». - С.154-155.
TECHNOLOGIES
ILES
PROBLEMS THAT ARE ARISING DURING EARTHING OPERATION
Morozov B, MTUCI, associated professor Sokolov E., MTUCI, [email protected]
Abstrart
Some problems are arising during earthing operation. It is associated with temperature and humidity change of environment around earthing device and associated with amplitude, frequency and current waveform, that flows through the earthing. Earthing behavior depends on inductive or capacitive type of grounding electrode impedance too, that is determined by current waveform, by earthing contour form and current entrance point. Problems are appearing when temperature and humidity or ion concentration are changing. In order to reduce the earthing resistance it is possible to bring in ground some conductive substance and it is necessary renew it from time to time. Earthing corrosion is possible too. Earthing resistance can change its value suddenly us a result of type of grounding electrode impedance during pulses flowing. Ground breakdown is probable when current amplitude is too large and earthing resistance changes unevenly too. Some of these problems are considering below.
Keywords: grounding resistance, current waveform, ion concentration, ground ionization, ground humidity.
References
1. Mikhaylov, M & Sokolov, S. The grounding devices in installations of an elektrosmvyaza. Communication. Moscow, 1971. p.200.
2. Wenxia Sima et al. Experimental analysis on the change regulation of the soil resistivity considering the thermal effect around the grounding electrode. 7th Asia-Pacific International on Lightning. Chengdu. Nov.1-4, 2011. Procceedings. Chengdu. China. pp.108-111.
3. Shozo Sekioka. Transient response of grounding resistance associated with steady-state value. 7th Asia-Pacific International on Lightning. Chengdu. Nov.1-4, 2011. Procceedings. Chengdu. China. pp. 673-676.
4. Sokolov, S. The grounding devices in communication installations. T.Comm. Part I. June, 2009. Special release following the results of the 3rd branch scientific conference "Technologies of Information Society". pp. 156-158.
5. Morozov, B & Sokolov, E. Povedeniye of grounding of installations of communication in actual practice. T.Comm. Part I. June, 2009. Special release following the results of the 3rd branch scientific conference "Technologies of Information Society". pp.54-155.
XI Международный Ж^^ WYb tft ^^ U^^ спортныи форум F^/C IffIL/UrV W
aw
транспортный форум
XI МЕЖДУНАРОДНЫЙ ТРАНСПОРТНЫЙ
ФОРУМ "ЮГТРАНС-2015"
19-20 МАРТА
ГЕЛЕНДЖИК KEMPINSKI GRAND HOTEL GELENDZHIK*****
РЕГИСТРАЦИЯ УЧАСТНИКОВ:
+7 (495) 646-01-51 +7 (812) 448-08-48 WWW.YUGTRANS.COM
