Основа методического подхода

Первая часть статьи "Об удельном сопротивлении грунта без усложнений и предвзятостей".

Ток молнии распространяется по всей толще Земли. Постепенно его плотность снижается по мере удаления от источника, которым является заземляющее устройство рассматриваемого сооружения. Характерным масштабом ослабления плотности тока служит максимальный габаритный размер заземляющего устройства. В этом легко убедиться на элементарном примере, рассматривая полусферический заземлитель радиуса r₀ в однородном грунте неограниченных размеров. Тогда в силу полной симметрии плотность тока J на расстоянии r от центра полусферы определится как

J(r) = (r0/r)² J(r0),

где J(r0), плотность тока на поверхности заземляющего устройства. Соответственно пропорционально плотности тока J(r) будет снижаться и напряженность электрического поля в грунте E(r) =ρ(r) J(r), от чего влияние состояния грунта на глубине r рано или поздно практически исчезнет и перестанет представлять интерес для практической молниезащиты.

Неоднородность состава грунта хорошо известна геологам. Структура грунта может очень сильно меняться по глубине. Как следствие меняется и его удельное сопротивление. При подготовке проекта проводят измерения удельного сопротивления, чтобы затем использовать полученные результаты для предварительного расчета заземляющего устройства. Обычно для этой цели используют метод вертикального электрического зондирования, который позволяет приписать измеренный результат некоторой эквивалентной глубине слоя грунта. Закономерен вопрос – для какой глубины надо проводить измерения?

Рассмотрим простейшую ситуацию. Пусть горизонтальная шина длиной l и радиусом r₀ << l лежит на глубине t в однородном слое толщиной h. Слой характеризуется удельным сопротивлением ρ₁. Под ним располагается еще один слой удельным сопротивлением ρ₂ неограниченной толщины. Целесообразно оценить, при какой толщине первого слоя лишь его удельное сопротивление будет определять сопротивление заземления шины. Задача имеет вполне конкретное численное решение. Результаты двух типичных компьютерных расчетов показаны на рис.1 В первом из них длина шины равна 10 м, во втором – 100 м. Удельное сопротивление верхнего слоя грунта принято равным 100 Ом м, нижнего - 1000 Ом м. Расчетные значения сопротивления заземления нормированы сопротивлениями заземления шин, которые были предварительно получены в однородном грунте ρ = 100 Ом м при глубине заложения 0,5 м. Они равны R_з0 = 14,7 Ом для шины длиной 10 м и R_з0 = 2,2 Ом для более длинной.

Легко убедиться, что чем длиннее шина, тем более глубинные слои грунта использует она для растекания тока.

Рис. 1 Изменение сопротивления заземления горизонтальной шины в двухслойном грунте удельным сопротивлением 100 и 1000 Ом м в зависимости от толщины верхнего высоко проводящего слоя; глубина заложения шины 0,5 м

В результате по компьютерным расчетам в двухслойном грунте сопротивление заземления отличается от того, что имеет место в однородной среде, не более, чем на 10%, если толщина верхнего слоя близка к длине заземляющей шины, т.е. при h ≈ 10 м для l = 10 м и при h ≈ 100 м для l = 100 м.

Читайте далее "2. Приближенная оценка эффективного удельного сопротивления грунта"

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты