Что нужно знать о нелинейных свойствах грунта

Из цикла статей "Заземление в молниезащите - ответы на частые вопросы при проектировании".

Приходится ещё раз повторить, что грунт очень плохой проводник. При удельном сопротивлении порядка 100 Ом м даже вполне умеренная плотность тока σ = 10⁴ А/м² = 1 А/см² создаёт электрическое поле E_gr = ρσ = 10⁶ В/м. Этого достаточно для начала ионизационных процессов в грунте. Классическое представление о последствиях ионизации сводится к тому, что у поверхности заземляющих электродов образуется хорошо проводящий плазменный чехол, который увеличивает площадь контакта электрода с грунтом. В результате сопротивление заземления электрода снижается тем в большей степени, чем сильнее ток и, соответственно, больше радиус образовавшейся плазменной области.

Здесь полезна элементарная приближенная оценка. Для протяженного электрода, длина которого l значительно превышает его радиус r₀, сопротивление заземления зависит от этих геометрических размеров как R_З ~ l^-1ln(l/r₀). Значит снижение сопротивления заземления при увеличении радиуса за счет образования плазмы не может быть очень существенным, ибо его величина входит под знак логарифма. Радиус ионизованной области r_i удается оценить, исходя из напряжённости электрического поля на её внешней поверхности E(r_i), которая должна быть равна порогу ионизации E_i. Тогда для тока молнии I_M его плотность на ионизованной поверхности σ_i = I_M/(2πr_il) будет удовлетворять условию σ_iρ = E_i. Откуда

Сделаем оценку для типового заземлителя с тремя вертикальными электродами длиной по 5 м и горизонтальной шиной, предписанного РД 34.21.122-87. Их суммарная длина равна 25 м. В грунте с удельным сопротивлением ρ = 100 Ом*м при токе молнии 100 кА и E_i = 106 В/м это дает r_i ≈ 0,06 м вместо типичного радиуса металлического электрода r₀ ≈ 0,01 м. Подстановка под логарифм показывает, что такое восьмикратное увеличение радиуса снизит сопротивление заземления типового заземлителя примерно на 30%, что является не слишком принципиальным. Эффект оказывается практически значимым только в высокоомных грунтах. Например, при ρ = 1000 Ом*м ионизация грунта привела бы к снижению сопротивления заземления в 2 раза – результат хотя и достаточно весомый, но все-таки совершенно недостаточный для того, чтобы уравнять значения сопротивления заземления типового заземлителя в грунтах с удельным сопротивлением 100 и 1000 Ом*м (вспомните, что по мнению составителей РД 34.21.122-87 типовой заземлитель предписано применять для любого грунта!).

В прикладном отношении важно оценить размеры заземляющего устройства, при которых ионизационные процессы в грунте способны хоть как-то повлиять на величину сопротивления заземления. Для этой цели пригодна только что выведенная формула, по которой площадь поверхности, поддерживающая ионизацию, определяется как

В грунте низкой проводимости с ρ = 1000 Ом м при токе молнии I_M = 100 кА оценка даёт предельную площадь поверхности заземляющих электродов в 10 м², При радиусе в 10 мм их предельная суммарная длина определяется как l < 160 м. Это значит, что ионизационные процессы перестают быть значимыми даже при оценке контура заземления, опоясывающего здание в 40х40 м. Исключение может составить только импульсный режим растекания быстро нарастающего тока во временном диапазоне единиц микросекунд, когда в работу включилась лишь малая доля заземляющих электродов непосредственно у точки ввода тока.

В последнее время внимание привлекают принципиальное иные последствия развития ионизационных процессов в грунте. Речь идёт о скользящих искровых каналах. Они могут формироваться от точки ввода в грунт тока молнии, распространяясь вдоль поверхности земли. Механизм их развития принципиально отличается от механизма формирования длинной искры в воздухе. Главным фактором является интенсивный разогрев плазменного канала токами утечки через боковую поверхность, контактирующую с грунтом. В результате резко снижается напряжение, необходимое для формирования искрового канала.

Рисунок 32

Фотография на рис. 34 воспроизводит плазменный канал вдоль поверхности грунта длиной 5 м . Для его образования в лаборатории потребовалось напряжение в 135 кВ, вместо 2500 кВ, необходимых в чистой воздушной среде.

Э. М. Базелян, д.т.н., профессор
Энергетический институт имени Г.М. Кржижановского, г. Москва

Читайте далее "Некоторые итоги".

Полезные материалы:

• Серия статей о молниезащите для новичков
• Серия вебинаров о заземлении и молниезащите с профессором Э.М. Базеляном
• Элементы внешней молниезащиты
• Консультации по выбору, проектированию и монтажу систем заземления и молниезащиты

УЗИП и его плавкая вставка Молниезащита объектов в районах вечной мерзлоты Молниезащита и заземление для базовых станций стандарта 5G Анализ нормативного документа ФЕДЕРАЛЬНЫЕ НОРМЫ И ПРАВИЛА В ОБЛАСТИ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ "ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЗРЫВНЫХ РАБОТАХ"