Сопротивление заземлителей растеканию тока в многослойных грунтах

Земля, как известно, не является однородной, а имеет слоистое строение, хотя в большинстве случаев явно выраженных границ между слоями нет. Слои земли расположены практически горизонтально и представляют собой грунты различного рода, с разным минеральным составом, разной структурой, пористостью, плотностью и температурой, а также с различным содержанием влаги, солей и пр., поэтому удельные сопротивления различных слоев земли не одинаковы и могут значительно отличаться друг от друга. Обычно верхние слои земли имеют большее удельное сопротивление, чем нижележащие. В редких случаях бывает наоборот, например, когда под поверхностью земли находятся горные породы, обладающие, как правило, весьма малой проводимостью.

Кроме того, значение r верхних слоев земли колеблется в течение года, причем в значительных пределах в связи с изменением погодных условий, влекущих за собой изменение температуры грунта, содержания в нем влаги, солей и т.п. Эти изменения принято называть сезонными, а толщину слоя земли, подверженного сезонным изменениям, принято называть слоем сезонных изменений и обозначать буквой hc. Для оценки влияния климата местности на сопротивление земли территория Российской Федерации условно разделена на четыре климатические зоны — от I до IV, в которых hc имеет следующие значения:

Климатическая зона

I

II

III

IV

Толщина слоя сезонных изменений, hc, м

2,2

2,0

1,8

1,6

Глубоко лежащие слои земли, как менее подверженные воздействию погодных условий, имеют обычно незначительные сезонные колебания удельного сопротивления.

Учет неоднородностей земли, т.е. наличия в ней горизонтальных слоев с разными удельными сопротивлениями, значительно повышает точность расчета заземлителей и, следовательно, удешевляет их сооружение. С другой стороны, учет слоистости земли весьма усложняет сам расчет, а также экспериментальное определение удельного сопротивления слоев грунта. Однако в последние годы все шире начинает внедряться в практику метод расчета заземлителей, при котором условно принимается, что земля имеет два слоя, обладающих каждый своим удельным сопротивлением r1 и r2. При этом толщина (или, как принято говорить, мощность) верхнего слоя h1 может быть равной или быть больше мощности слоя сезонных изменений hc. Следовательно, верхний слой (весь или частично) подвержен непосредственному воздействию погодных условий и его удельное сопротивление r1 имеет значительные сезонные колебания, которые подлежат учету при расчетах заземлителей.

Сопротивление растеканию одиночного заземлителя (электрода) в двухслойном грунте зависит от геометрических размеров электрода, его размещения относительно поверхности земли и так называемого эквивалентного удельного сопротивления грунта rэкв.

Эквивалентным удельным сопротивлением многослойной земли называется такое удельное сопротивление однородной земли, при котором сопротивление растеканию данного электрода имеет то же значение, что и в реальном многослойном грунте. Эквивалентное удельное сопротивление многослойной земли r экв, в том числе и двухслойной, в отличие от r однородной земли зависит от ряда факторов: от значений r отдельных слоев, формы, размеров и размещения в земле электрода.

Это обстоятельство делает крайне трудоемким определение r экв расчетным путем. Поэтому оно определяется обычно экспериментально с помощью так называемого пробного электрода, аналогичного действительному по форме, размерам и размещению в земле. Лишь в некоторых частных случаях, в том числе для вертикальных стержневых электродов, а также для пластинчатых электродов, поставленных на ребро, размещенных в обоих слоях земли, приближенные значения r экв могут быть определены из следующего выражения, Ом*м,

где l – длина (высота) электрода, м; Dl1 и D l2 длина частей электрода, находящихся в верхнем и нижнем слоях земли соответственно, м; r1 и r2 - удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев земли соответственно, Ом*м.

Располагая значением r экв для интересующего нас электрода, а также данными о геометрических размерах и размещении электрода в земле, вычисление его сопротивления растеканию тока производим по соответствующей формуле из приведенных в табл. 2.1, в которой r необходимо заменить на rэкв.

Сопротивление растеканию одиночных заземлителей других типов при известных значения удельных сопротивлений обоих слоев земли r1 и r2 находится с помощью специальных справочных таблиц.

Для вертикальных стержневых   электродов сопротивление растеканию в двухслойном грунте при известных r1 и r2 может быть определено (без предварительного вычисления rэкв) с помощью следующих приближенных выражений, Ом: