Для выполнения корректного расчета заземления, необходимо знать характеристики грунта, в который предполагается установка заземляющего устройства. Удельное электрическое сопротивление грунта является основной характеристикой и во многом определяет выбор работоспособной системы заземления.
Удельным электрическим сопротивлением (далее УЭС) грунта называется параметр, характеризующий способность земли проводить электрический ток (электропроводимость). Обычно под удельным сопротивлением понимают сопротивление прохождению тока условного куба почвенной смеси, ребра которого равны 1 м, соответственно, размерность УЭС определяется как Ом·м.
Чем меньше удельное сопротивление грунта, тем лучше его проводимость. В свою очередь, высокая проводимость грунта позволяет применить более простое заземляющее устройство.
Точное определение УЭС грунта поможет сэкономить значительные средства на организацию заземляющего устройства и обеспечить достижение его нормируемого сопротивления. Ввиду того, что значение УЭС грунта варьируется в больших диапазонах, необходимо использовать эффективные методы его измерения, применение сезонных коэффициентов, поправки на нормируемое сопротивление заземляемого устройства согласно нормативно-технической документации и другое.
Что же такое грунт?
Согласно ГОСТ 25100-2020. Грунты. Классификация.
Грунтом называется любая горная порода, почва, осадок и техногенные минеральные образования, рассматриваемые как многокомпонентные динамичные системы и часть геологической среды, изучаемые в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью.
Из определения следует, что почва может быть неоднородна, а это значит, что и ее удельное электрическое сопротивление различное и может зависеть от количественного соотношения входящих в нее компонентов (песка, глины, торфа и пр.).
Грунты можно разделить на классы (согласно ГОСТ 25100-2020):
- Скальные грунты. Грунты, в которых преобладают структурные связи химической природы. Примером таких грунтов может послужить щебенистый грунт, удельное сопротивление которого варьируется в диапазоне от 3 000 до 5 000 Ом·м.
- Природные дисперсные грунты. Грунты, в которых преобладают механические, физические и физико-химические структурные связи. К таковым обычно относят такие грунты как: торф, суглинок, супесь, песок и др. Удельное сопротивление данных грунтов принимает значение от 10 до 4 000 Ом·м. Например, УЭС суглинка – 100 Ом·м.
- Мерзлые грунты. Грунты, имеющие отрицательную или нулевую температуру, содержащий видимые ледяные включения и/или лед-цемент, за счет которых образованы криогенные структурные связи. Таковыми могут являться любые грунты, описанные выше при наличии в их структуре вкраплений льда. Удельное сопротивление мерзлых грунтов может достигать значений до 35 000 Ом·м.
- Техногенные грунты. Грунты, измененные, перемещенные или образованные в результате инженерно-хозяйственной деятельности человека. Как правило, к техногенным грунтам можно отнести различные смеси, в том числе строительный мусор. УЭС такого грунта может принимать значения до 5 000 Ом·м.
Согласно ГОСТ Р 57190-2016. Заземлители и заземляющие устройства различного назначения:
- Высокоомным грунтом называется грунт с удельным электрическим сопротивлением более 100 Ом·м (п. 01-10-03).
- Многолетнемерзлым грунтом называется грунт, находящийся в мерзлом состоянии в течение трех и более лет (п. 01-10-04).
Рисунок 1. Примеры высокоомных грунтов (песок, скальные породы, многолетнемерзлый грунт)
Информация о типе грунта позволит определить его удельное электрическое сопротивление.
Чтобы определить тип грунта необходимо выполнить инженерно-геологические изыскания (ИГИ). ИГИ проводятся с помощью специального оборудования. Результатом изысканий является отчет, в котором приведена подробная информация о грунте и его химических и физических свойствах. На рисунке 2 представлен пример колонки скважины, полученной в процессе ИГИ.
Рисунок 2. Пример колонки скважины ИГИ
Если слой грунта представляет собой однородную массу, то значение УЭС можно определить справочно по типу грунта. В таблице 1 представлены наиболее распространенные грунты и их усредненные значения УЭС.
Инженерно-геологические изыскания позволяют послойно определить значение удельного сопротивления грунта. В случаях, когда заземлитель находится в нескольких слоях грунта одновременно, необходимо вычислить эквивалентное удельное сопротивление многослойной модели грунта.
Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление грунтов
| № п/п | Тип грунта |
Удельное сопротивление грунта, Ом·м* |
|---|---|---|
| 1 | Базальт | 5 000 |
| 2 | Валунно-галечные отложения влажные | 1 000 |
| 3 | Валунно-галечные отложения с песчаным заполнением | 3 000 |
| 4 | Выветренный песчаник, известняк | 400 |
| 5 | Галечник водоносный | 1 000 |
| 6 | Галечник, гравий сухой | 5 000 |
| 7 | Глина | 50 |
| 8 | Глина влажная | 50 |
| 9 | Глина с примесью щебня, известняка | 150 |
| 10 | Глина с примесью песка | 150 |
| 11 | Гранит | 5 400 |
| 12 | Гранитное основание | 22 500 |
| 13 | Доломит | 500 |
| 14 | Дресва | 5 500 |
| 15 | Известняк плотный | 65 |
| 16 | Мергель | 50 |
| 17 | Песок влажный | 600 |
| 18 | Песок водоносный | 150 |
| 19 | Песок с агрессивными водами | 70 |
| 20 | Песок сухой | 1 000 |
| 21 | Песок сухой сыпучий | 15 000 |
| 22 | Разрушенные скальные породы | 1 000 |
| 23 | Скальные породы (невыветренные) | 5 000 |
| 24 | Сланец глинистый | 550 |
| 25 | Суглинок | 100 |
| 26 | Супесь | 300 |
| 27 | Супесь влажная | 150 |
| 28 | Торф | 20 |
| 29 | Щебень мокрый | 3 000 |
| 30 | Щебень сухой | 5 000 |
* Усредненное значение удельного сопротивления грунта, рекомендуемое при проектировании, Ом·м
Другими источниками для определения удельного электрического сопротивления могут являться:
- Типовой проект. Заземляющие устройства опор ВЛ 35-750 кВ. №3602-тм. Альбом 2.
- ГОСТ 50571.5.54-2013 (МЭК 60364-5-542011). Электроустановки низковольтные. Часть 5-54.Заземляющие устройства. Таблица D.54.1.
- СТО 56947007-29.130.15.114-2012. Руководящие указания по проектированию заземляющих устройств подстанций 6-750 кВ. Таблица П.А.5.
- РД 153-34.3-35.125-99.Руководство по защите электрических сетей 6-1150 кВ от грозовых и внутренних перенапряжений. Таблица П15.1.
Значения УЭС в указанных нормативно-технических документах варьируется в больших диапазонах, т.к. влияние на грунт оказывают различные внешние факторы.
Определить точное значение удельного сопротивления разнородных грунтов можно только с помощью специальных измерений (например, с помощью вертикального электрического зондирования – ВЭЗ). Результаты ВЭЗ могут быть представлены геоэлектрическими разрезами (рисунок 3) или таблицей результатов электроразведочных работ (рисунок 4).
Выполненные работы наглядно демонстрируют, что удельное электрическое сопротивление грунта может значительно изменяться с изменением глубины.
Рисунок 3. Пример геоэлектрических разрезов, выполненных в ходе вертикального электрического зондирования
Рисунок 4. Фрагмент таблицы результатов электроразведочных работ (ВЭЗ)
Что влияет на УЭС грунта?
Основными факторами, влияющими на значение удельного электрического сопротивления грунта, являются:
- Влажность грунта. Как правило, чем больше влажность, тем ниже удельное сопротивление грунта.
- Температура. Чем ниже температура, тем выше удельное сопротивление грунта.
- Состав и размер фракций грунта. Чем больше фракция, тем выше удельное сопротивление грунта.
- Концентрации солей, щелочей и кислот. Чем выше концентрация соли в почве, тем ниже удельное сопротивление грунта.
Описанные выше факторы могут как значительно уменьшить УЭС грунта, так и увеличить его значение. Определяя значение удельного сопротивления, важно правильно выбирать время проведения замеров данного значения – в период наибольшего просыхания или промерзания грунта.
Выбор заземлителей по классу и УЭС грунта
Зная тип и удельное электрическое сопротивление грунта, можно точно определить тип электрода.
Например, если в ходе инженерно-геологических изысканий было определено, что грунт представляет собой суглинки (100 Ом·м), а нормируемое сопротивление заземляющего устройства должно быть не более 30 Ом, то в качестве вертикальных электродов рекомендуется применять типовые глубинные электроды. Ввиду довольно «мягких» требований и условий для монтажа данные заземлители обеспечат достижение необходимых значений при минимальных затратах.
ООО «ВОЛЬТ-СПБ» производит типовые глубинные электроды под серией «КОБРА»
Объемные графитовые электроды рекомендуется применять для организации заземляющего устройства объектов, находящихся на болотистых или затопляемых территориях, где преобладают крепкие и водонасыщенные грунты и где отсутствует необходимость в достижении низких значений сопротивления (например, 30 Ом для организации повторного заземления электроустановки согласно п. 1.7.101 ПУЭ).
ООО «ВОЛЬТ-СПБ» производит объемные графитовые электроды под серией «АСПИД»
Если же организация ЗУ предполагается в районах вечной мерзлоты, где преобладают многолетнемерзлые грунты с высоким УЭС, или в местах, где площадь монтажа ограничена, то единственным экономически целесообразным и эффективным решением будет применение активных соляных заземлителей. Электролитические заземлители (они же АСЭ) обеспечат нормируемое сопротивление заземляющего устройства в любое время года ввиду того, что наличие электролита значительно снижает удельное сопротивление грунта и исключает его промерзание.