Теоретический материал

Исследования электрического сопротивления грунта необходимы в связи со следующим:

1) соответствующие данные используются для геофизического изучения залегающих пород с целью определения распространения залегания руд (включая глубину залегания) и для изучения других геофизических феноменов;

2) по этим данным оценивается коррозионная активность грунтов; чем меньше электрическое сопротивление грунта, тем выше его коррозионная активность, что заставляет использовать различные защитные мероприятия;

3) удельное электрическое сопротивление грунта является важной исходной величиной, без численного значения которой невозможно проектирование защитных заземляющих устройств.

Известно, что заземление металлических нетоковедущих частей электроустановок, которые в ходе эксплуатации могут оказаться под напряжением, является одной из старейших и основных мер защиты персонала от поражения током. При проектировании любых заземляющих устройств необходимо знать удельное электрическое сопротивление r, Ом×м, грунта в том месте, где предполагается сооружение заземления. При этом нельзя пользоваться имеющимися справочными таблицами (см. табл. 1), так как в них приводятся ориентировочные значения r, которые могут существенно отличаться от истинных. В частности, согласно табл. 1, данные по глине различаются более чем в 8 раз, по суглинкам – почти в 4 раза, по чернозему – в 6 раз.

Удельное электрическое сопротивление грунта (Ом×м) – это сопротивление, которое оказывает грунт, заполняющий куб с длиной ребра 1 м, прохождению электрического тока. По этой величине количественно оценивается способность грунта пропускать через себя электрический ток и рассеивать его на большой площади за короткое время. Чем ниже удельное сопротивление грунта, тем грунт более электропроводный и тем быстрее происходит растекание в нём токов утечки. Таким образом, удельное электрическое сопротивление – это сопротивление между противоположными плоскостями куба земли с ребром длины 1 м.

Таблица 10.1

Приближенные значения удельных электрических сопротивлений различных грунтов и воды

Грунт, вода	Удельное сопротивление, Ом·м		Грунт, вода	Удельное сопротивление, Ом·м
	возможные пределы колебаний	при влажности 10-20% массы грунта		возможные пределы колебаний	при влажности 10-20% массы грунта
Глина	8 -70	40	Скалистый	104 - 107	-
Суглинок	40 – 150	100	Вода:
Песок	400 – 700	700	морская	0,2 – 1	-
Супесь	150 – 400	300	речная	10 – 100	-
Торф	10 – 30	20	прудовая	40 – 50	-
Чернозем	9 – 53	20	грунтовая	20 – 70	-
Садовая земля	30 – 60	40	в ручьях	10 - 60	-
Каменистый	500 - 800	-

 

Для измерений удельных электрических сопротивлений различных грунтов используются полевой и лабораторный методы. Полевой метод основан на опускании (забивании) в грунт в месте заложения будущего заземляющего устройства четырёх пробных электродов (штырей) на равных расстояниях друг от друга. Электроды должны быть размещены на прямой линии и с помощью соединительных проводов нужной длины подсоединены к какому-либо измерительному прибору. Глубина погружения электродов в грунт не должна быть более 1/20 расстояния между электродами. В качестве измерительных приборов могут использоваться полевой электроразведочный прибор АС-72, измеритель сопротивления заземлений ИСЗ 2016, измеритель ТЕТРОН-М-416 в комплекте со штырями и проводами, измеритель Ф4103-М1, ИС-20/1 и др.

Схема определения удельного электрического сопротивления грунта приведена на рис. 10.1. Расстояние а при размещении электродов выбирается равным глубине заложения заземляющего устройства. Именно для этой глубины и будет определено удельное электрическое сопротивление грунта ρ, которое определяется по формуле

                                     (10.1)

где R_n – показания измерительного прибора, Ом;

a – расстояние между электродами, м.

Рис. 10.1. Схема определения удельного электрического сопротивления грунта

1 – электрод, 2 – прибор с клеммами: I – клеммы токовой линии;

E – клеммы линии напряжения; а – расстояние между электродами

Изменяя расстояние а между электродами, можно построить зависимость удельного электрического сопротивления грунта ρ от глубины.

Измерения могут быть выполнены несколько раз, а в расчёте по формуле (10.1) используется среднее арифметическое значение R_n.

Лабораторный метод исследования удельного электрического сопротивления грунта предполагает наличие проб грунтов массой 1,5 - 2 кг, из которых должны быть удалены твёрдые включения размером более 3 мм. Пробы должны быть взяты с нужной глубины в том месте, где предполагается устройство заземления.

Отобранные пробы должны быть размещены в ячейке прямоугольной формы, выполненной из диэлектрических материалов. Рекомендуются следующие внутренние размеры ячейки: длина а = 100 мм; ширина b = 50 мм; высота – h = 50 мм. Высота грунта в ячейке должна быть на 8-9 мм ниже высоты ячейки. Грунт должен быть уплотнен и при необходимости смочен дистиллированной водой.

Вдоль внутренних торцовых стенок ячейки устанавливают два внешних электрода размером 44х40 мм, представляющие проводящие пластины площадью S=0,00176 м². Стороны этих пластин, прилегающие к стенкам ячейки, должны быть изолированы.

Между внешними электродами устанавливаются по центральной линии два внутренних электрода на расстоянии 50 мм друг от друга и 25 мм – от торцовых стенок ячейки. Эти электроды могут быть выполнены из медной проволоки толщиной до 3 мм. Длина её должна быть немного выше стенки ячейки.

Общая схема лабораторной установки для определения удельного электрического сопротивления грунта приведена на рис. 10.2.

Перед началом измерений электроды установки должны быть зачищены шлифовальной шкуркой, обезжирены, а затем промыты дистиллированной водой и установлены согласно схеме на рис. 10.2.

Электрическое сопротивление грунта R_г вычисляют по формуле

,                                             (10.2)

где U₁ – падение напряжения между двумя внутренними электродами, В, считывается с вольтметра;

I₁ – сила тока в ячейке, определяется по показаниям миллиамперметра, А.

Рис. 10.2. Схема лабораторной установки для определения удельного электрического сопротивления грунта

1 – миллиамперметр, 2 – источник тока, 3 – вольтметр, 4 – измерительная ячейка; А, В – внешние электроды; M, N – внутренние электроды

 

Если при отсутствии тока разность потенциалов между двумя внутренними электродами U₀ отлична от нуля, то тогда для расчёта R_г используется формула

.                                     (10.3)

Значение U₀ может быть в пределах от 10 до 30 мВ.

Удельное электрическое сопротивление грунта определяется по формуле

, Ом·м                                   (10.4)

где S – площадь поверхности внешнего электрода, м²;

L – расстояние между внутренними электродами, м.

Измеренное значение ρ может быть сопоставлено с табличными данными – см. табл. 10.1.