Импульсное сопротивление заземления

Тэги: молниезащита заземление рекомендации проектировщику проф. Э.М. Базелян
Внимание!

 Э.М. Базелян

Э.М. Базелян, д.т.н., профессор;
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва;
признанный отечественный Эксперт в области заземления и молниезащиты

Импульсное сопротивление заземления. Наверное, это наиболее знакомый параметр и, наверное, наиболее бесполезный. Так называют отношение наибольшего напряжения на заземлителе к амплитудному значению тока, который через него протекает. Понятие это чисто условное, потому что максимумы тока и напряжения не совпадают во времени. Величина импульсного сопротивления совершенно неоднозначно характеризует заземляющее устройство, - его величина очень сильно зависит от временных параметров импульса тока. Трудно найти расчетный параметр, который можно было бы определить по величине импульсного сопротивления. Для этой цели надо знать текущее значение сопротивления заземления, которой определяется отношением напряжения на заземлителе к току в тот же фиксированный момент времени. По своем физическому смыслу этот параметр представляет собой входное сопротивление заземляющего устройства.

Чтобы почувствовать особенности поведения заземляющих электродов при растекании импульсного тока, на рис. 6 построена динамика изменения во времени входного сопротивления для горизонтальных шин радиусом 10 мм и длиной 100 и 200 м. Их стационарные сопротивления заземления различаются почти в 2 раза, 2, 2 и 1,2 Ом в грунте удельным сопротивлением 100 Ом м (глубина заложения 0,5 м). Расчет выполнен для импульсного тока с экспоненциальным фронтом длительностью около 3 мкс – вполне типичная форма импульса для первого компонента молнии. Можно убедиться, что в пределах первых 10 мкс текущие значения входного сопротивления шины практически не зависят от ее длины и имеют почти равные значения. Они многократно превышают стационарные сопротивления заземления. Полученный результат легко объясняется. За такое время ток молнии еще не проник на всю длину рассматриваемых горизонтальных шин. Он просто”не знает” какова она, эта реальная длина.

Динамика изменения входного сопротивления горизонтальных шин
Рис. 6
Динамика изменения входного сопротивления горизонтальных шин

Легко представить, к каким погрешностям приведет расчет перенапряжений, напряжения шага или напряжения прикосновения, если производить его по стационарным значениям сопротивления заземления, не считаясь с импульсными характеристиками. Не меньшую досаду вызовет и явно неудачная попытка улучшить работу заземляющего устройства в импульсном режиме за счет увеличения длины заземляющих шин. Динамику изменения сопротивления во времени надо знать и нужно уметь измерять его при растекании тока именно с теми временными параметрами, которые будут реально нагружать заземляющее устройство.

Проблема измерения сопротивления заземления в импульсном режиме

Что-либо сказать много легче, чем сделать. К импульсным характеристикам заземляющих устройств это относится в самой полной мере. Даже в сосредоточенной схеме, размещенной на монтажном столе или в лаборатории найдется достаточно источников погрешностей при импульсных измерениях. Что уж тут можно говорить о заземляющем устройстве площадью в тысячи квадратных метров!

В этом разделе речь пойдет об измерениях сопротивления заземления при растекании токов молний, потому что именно они представляют наибольшую проблему. Приходится начать с того, что молния совершенно своеобразный источник тока. У него нет обратного провода. Втекая по плазменному каналу в молниеотвод, а затем и в заземляющие электроды ток молнии уходит в “бесконечность”, растекаясь по объему Земли радиусом 6400 км.. В любых измерениях ток молнии приходится имитировать каким-то импульсным генератором, у которого обязательно есть обратный провод. Магнитное поле от этого провода будет искажать распределение импульсного тока по

Распределение тока по системе из 11 параллельных заземляющих шин длиной 200 м радиусом 1 см, уложенных с шагом 10 м.
Рис. 7
Распределение тока по системе из 11 параллельных заземляющих шин длиной 200 м радиусом 1 см, уложенных с шагом 10 м.

заземляющим электродам за счет ЭДС магнитной индукции. Это перераспределение изменит результаты измерений. Речь идет о погрешностях по крайней мере на уровне десятков процентов. Пример подобных искажений показан на рис. 7, где по результатам компьютерного расчета построено распределение тока в системе одинаковых параллельных горизонтальных шин, уложенных с шагом 10 м. Можно видеть, что в отсутствие обратного провода (удар молнии) импульсный ток распределяется по шинам почти равномерно. Картина резко меняется в случае расположения обратного провода (лабораторные измерения) над центральной шиной на высоте 1 м. Теперь в ближайшей к нему центральной заземляющей шине сосредотачивается почти 45% всего тока, а по мере удаления от обратного провода ток уменьшается более, чем на порядок величины. Соответственно должны меняться такие важнейшие параметры как сопротивление заземления, распределение потенциалов по площади заземляющего устройства и напряжение, действующее между какими-либо подземными коммуникациями.

На практике влияние обратного провода трудно устранить увеличением высоты его подвеса. Так, чтобы снизить кратность усиления тока в шине под обратным проводом хотя бы до уровня 1,5, его надо поднять примерно на 20 м. Такое вряд ли удастся выполнить в реальных полевых условиях..

Вполне очевидно, что погрешность измерений за счет влияния обратного провода увеличивается с его длиной. Но только этим его пагубное влияние не ограничивается. Индуктивность обратного провода меняет временные характеристики импульсного источника, который имитирует ток молнии, да и амплитудное значение тока зависит от него в полной мере. Стремление уменьшить длину обратного провода, а заодно и избавиться от заземлителя для вспомогательного токового электрода привело к схеме, представленной на рис. 8.

Принципиальная схема измерения импульсного сопротивления заземления без использования вспомогательного токового электрода
Рис. 8
Принципиальная схема измерения импульсного сопротивления заземления без использования вспомогательного токового электрода

Идея представляется очень соблазнительной. Концы лабораторного источника импульсного тока присоединяются к наиболее удаленным местам заземляющего устройства. С одного из этих концов ток втекает в землю, а из другого возвращается назад к источнику. В течение какого-то времени ток еще не успел проникнуть на полную длину заземляющей шины и прямой его поставки по металлу нет. Вот этот отрезок времени казалось бы и можно использовать для измерения входного сопротивления.

 

Смотрите также: