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 Egr = 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 RЗ ~ 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 ri удается оценить, исходя из напряжённости электрического поля на её внешней поверхности E(ri), которая должна быть равна порогу ионизации Ei. Тогда для тока молнии IM его плотность на ионизованной поверхности σi = IM/(2πril) будет удовлетворять условию σiρ = Ei. Откуда

Радиус области

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 Ei = 106 В/м это дает ri ≈ 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

Площадь ионизации

В грунте низкой проводимости с ρ = 1000 Ом м при токе молнии IM = 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 34

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:


Смотрите также: