Лабораторная работа №13 определение электрического сопротивления многослойной земли цель работы

Лабораторная работа № 13
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

МНОГОСЛОЙНОЙ ЗЕМЛИ

Цель работы

Освоить методику определения и расчета удельного электри­ческого сопротивления многослойной земли.

Содержание работы

1. Измерить сопротивление растеканию тока контрольного зон­да при погружении его в землю на разную глубину (ступенями).

2. Вычислить измеренные и расчетные значения удельных сопротивлений слоев грунта, соответствующих ступеням погруже­ния зонда.

3. Выполнить приведение многослойной земли к двухслой­ной и вычислить расчетные удельные сопротивления обоих слоев земли.

Сопротивление многослойной земли

При расчете заземлителей обычно принимают допущения, что земля во всем своем объеме однородна, то есть в любой точке обладает одинаковым удельным сопротивлением ,

В действительности земля 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 неодинаковы и мо­гут значительно отличаться друг от друга. Обычно верхние слои имеют большее удельное сопротивление, по сравнению с нижележа­щими. В отдельных случаях бывает наоборот, например, когда под поверхностью земли находятся горные породы, обладающие, как правило, весьма малой проводимостью.

Кроме того, значение 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 .

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

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 и (рис. 13.1). При этом верхний слой обла­дает, как правило, большим сопротивлением и толщина (или как принято говорить, мощность) верхнего слоя может быть рав­ной или быть больше мощности слоя сезонных изменений

Рис.13.1.Двухслойная модель земли:

и - удельные сопротивления соответственно верхнего и нижнего слоев земли;

- мощность (толщина) верхнего слоя;

- мощность слоя сезонных изменений
Следовательно, верхний слой (весь или частично) подвержен непосредственному воздействию погодных условий и его удельное сопротивление имеет значительные сезонные колебания, ко­торые подлежат учету при расчетах заземлителей.

Учет неоднородности земли, то есть наличия в ней горизонтальных слоев с разными сопротивлениями значительно усложняет экспериментальное определение удельного сопротивления слоев зем­ли и расчет заземлителей. С другой стороны, учет слоистости зем­ли значительно повышает точность расчета заземлителей и, следо­вательно, удешевляет их сооружение.

Удельное сопротивление многослойной земли определяется ме­тодом послойного (или ступенчатого) зондирования с помощью контрольного зонда (электрода) - сплошного стержня или трубы диаметром 4-5 см с острым наконечником. При глубоком зондировании (4 - 5 м и более) целесообразно в качестве контрольного электрода использовать прутковую сталь диаметром не менее 10 мм. Контрольный зонд погружается в земли вертикально не сразу на всю длину, а в несколько приемов участками (ступенями), каждый из которых имеет длину м (рис.13.2). Здесь ин­декс п означает порядковый номер измерения сопротивления (погружения) ступени. Каждая такая ступень представляет собой отдельный слой земли, подлежащий измерению. После оче­редного погружения измеряется сопротивление растеканию зонда , Ом при данной глубине его погружения , то есть длине пог­руженной в землю части зонда ,м. Затем для каждого зна­чения вычисляется измеренное удельное сопротивление зем­ли, соответствующее данной глубине погружения зонда, ;
(13.1)
где d - диаметр зонда, м.
Формула (13.1) получена из формулы для вычисления сопротивления стержневого заземлителя круглого сечения;

Используя значения можно определить удельное соп­ротивление каждого слоя (ступени) земли , по выражению:
(13.2)
где - толщина слоя, м;
- глубина погружения зонда при предыдущем измерении; (то есть суммарная толщина вышележащих слоев земли), м;

- измеренное удельное сопротивление соседнего вышележащего слоя земли, .


Рис.13.2. Схема размещения контрольного зонда в земле для измерения ее удельного сопротивления мето­дом послойного (ступенчатого) зондирования.
- глубина погружения зонда;

- удельное сопротивление данного слоя земли; '

h - толщина слоя земли
Сезонные изменения удельного сопротивления учитываются с помощью так называемого коэффициента сезонных изменений, зна­чение которого зависит от климатической зоны данной местности и состояния (увлажненности) земли во время измерений. Климатическая зона определяется по табл. 13.1,после чего по табл.13.2 определяется толщина слоя сезонных изменений и коэффи­циент сезонности

Таблица 13.1

Признаки климатических зон для определения коэффициента сезонности

Характеристика климатической зоны	Климатические зоны
	I	II	III	IV
Средняя многолетняя низшая температура (январь),°С	от -20 до -15	от -14 до -10	от -10 до 0	от 0 до +5
Средняя многолетняя высшая температура (июль),°С	от +16 до +18	от +18 до +22	от +22 до +24	от +24 до +26
Среднегодовое количество осадков см.	~ 40	~ 50	~ 50	30-50
Продолжительность замерзания воды. дни	190-170	150	100	0

Таблица 13.2

Коэффициенты сезонности для слоя сезонных изменений в многослойной земле

Климатическая зона по табл.13.1	Условная толщина слоя сезонных изменений , м	Влажность земли во время измерений ее сопротивления
		повышенная	нормальная	малая
I	2.2	7.0	4.0	2.7
II	2.0	5.0	2.7	1.9
III	1.8	4.0	2.0	1.5
IV	1.6	2.5	1.4	1.1

ПРИМЕЧАНИЕ: Земля считается повышенной влажности, если измерению ее сопротивления предшествовало выпадение большого количества (свыше нормы) осадков (дождей); нормальной (средней) влажности - если измерению предшествовало выпадение близкое к норме осадков; малой влажности - если земля сухая, количество осадков в предшест­вующий измерению период было ниже нормы.
Расчетные значения удельных сопротивлений верхних слоев грунта, то есть лежащих в пределах определяются путем умножения вычис­ленных по (13.2) на коэффициент :
= (13.3)
Все остальные слои (лежащие ниже Н_с ) считаются не подверженными сезонным изменениям, поэтому их расчетные значе­ния оказываются равными измеренным, то есть

=
Приведение многослойной земли к двухслойной производится путем отнесения к верхнему слою тех слоев (ступеней), у кото­рых имеют большие значения, а к нижнему слою - малые значения. При этом расчетные удельные сопротивления верхнего и нижнего слоев двухслойной земли и () опре­деляется решением следующих уравнений
(13.4)


(13. 5)
В уравнении (13.4) индексы 1,2 ... к означают номера слоев (ступеней), вошедших в верхний слой двухслойной земли.

Аналогично в уравнении (13.5) индексами (к+I), (к+2)...к обозначены слои (ступени), вошедшие в нижний слой. При этом ,,,…,;…, - расчет­ные значения удельных сопротивлений соответствующих слоев зем­ли.

Применяемое оборудование

Работа выполняется на лабораторном стенде, лицевая панель которого показана на рис.13.3

Рис. 13.3.Лицевая панель стенда

На стенде имитируется погружение в землю контрольного зон­да (электрода) на разную глубину - ступенями для измерения сопротивления погруженной в землю части зонда. Погружение зон­да осуществляется вручную с помощью рукоятки, выступающей над поверхностью стенда.

При достижении требуемой глубины погружения загорается соответствующий данной глубине световой сигнал.

Измерение сопротивления производится методом амперметра-вольтметра. Эти приборы смонтированы на панели стенда и включены в мнемоническую схему измерения, в которой контрольный зонд изображен пунктиром. В левой низшей части панели разме­щен переключатель родов грунта. В правом нижнем углу находит­ся тумблер для включения и отключения схемы измерения.

Лабораторный стенд подключается к сети 220В с помощью штепсельной вилки.

Указания по технике безопасности

1. Перед включением стенда необходимо:

а) привести включающий тумблер в отключенное положение;

б) проверить наличие зануления стенда (соединение гибким про­водом корпуса стенда с нулевым защитным проводником-шиной, проложенным по стене лаборатории).

2. При обнаружении во время работы какой-либо неисправнос­ти необходимо прекратить работу, отключить стенд тумблером и сообщить о случившемся преподавателя или лаборанту.

3. По окончании работы отключить стенд тумблером, опус­тить с помощью рукоятки контрольный зонд в нижнее положение и сообщить об окончании работ лаборанту для отключения стенда от щита управления.

Порядок проведения работы

1. 
   Получить у преподавателя задание на работу.
   

Задание должно содержать: значение диаметра контрольного зонда d; количество ступеней погружения зонда d; глубину каждого погружения (или длину каждой ступени погруже­ния ); номер грунта; признаки климатической зоны, в кото­рой производится измерение; состояние (увлажненность) земли во время измерений.

2. 
   Подготовить табл.13.3 для записи результатов измерений и вычислений по следующей форме:
   

Таблица 13.3

Результаты измерений и вычислений

Величина	Значение величины, соответствующее порядковому номеру слоя n (считая сверху)
	1	2	3	4	5	6
, м
,
,
,
,
,

3. Заполнить в таблице 13.3 верхние две графы, то есть вписать значения и

4. На отключенном от сети стенде поднять контрольный зонд в крайнее положение, переключатель "Грунт" установить на нуль.

5. Включить стенд с помощью тумблера. При этом должка загореться сигнальная лампочка над тумблером.

6. В соответствии с заданием преподавателя для каждой глубины погружения контрольного зонда ( ) измерить ток I, протекающий через зонд, и приложенное к зонду напряже­ние U, а затем, разделив U на I, вычислить сопротивление растеканию зонда . Результаты внести в табл.13.3 .

7. Для каждого значения пo 13.1 вычислить измеренное удельное сопротивление земли соответствующее данной глубине погружения зонда , а затем по 13.2 - измеренные значения удельных сопротивлений каждого слоя . Результаты внести в табл. 13.3.

8. По заданным климатическим признакам, пользуясь табл.13.1, определить климатическую зону местности, где производятся из­мерения, а затем по табл.13.2 - толщину слоя сезонных изменений Н_с и коэффициент сезонности .

9. По (3) вычислить расчетные удельные сопротивления слоев земли, находящихся в пределах Н_с. Результаты вычис­ления, а также значения слоев земли, находящихся ниже Н_с свести в табл.13.3.

10. Пользуясь значениями привести многослойную землю к двухслойной. При этом к верхнему слою двухслойной зем­ли отнести слои многослойной земли, которые имеют значительно большие значения

11. По формулам (13.4) и (13.5) вычислить значения расчетных удельных сопротивлений верхнего и нижнего слоев двухслойной земли и .

Содержание отчета

В отчете должны быть:

1. Схема размещения контрольного зонда (электрода) в зем­ле для измерения ее удельного сопротивления методом послойно­го (ступенчатого) зондирования.

2. Элементарная схема измерения сопротивлений заземлителей растеканию тока методом амперметра-вольтметра.

3. Результаты измерений и вычислений, сведенные в табл.13.3.

4. Обоснование приведения многослойной земли к двухслой­ной.

5. Вычисление расчетных удельных сопротивлений верхнего и нижнего слоев двухслойной земли.

6. Выводы о целесообразности учета неоднородности земли при расчетах заземлителей.

Контрольные вопросы

1. Почему разные слои земли имеют разные удельные соп­ротивления?

2. Что такое слой сезонных изменений земли, каково его значение?

3. От каких факторов зависит значение сопротивления заземлителя растеканию тока в многослойной земле?

4.Что такое эквивалентное удельное сопротивление много­слойной земли?

5. Каковы достоинства и недостатки метода расчета зазем­лителей с учетом слоистости земли?

Литература

Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках. М.: «Знак», 2000 , с 139-154.