ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ

ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ЗАЗЕМЛИТЕЛЕЙ МОЛНИЕЗАЩИТЫ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ
Борисов Р.К., МЭИ (ТУ)
Петров С.Р., Смирнов М.Н., НПФ ЭЛНАП
Янковский Б.Д., Институт высоких температур РАН
П
равильно спроектированный заземлитель молниезащиты должен исключить опасные воздействия
на человека и повреждения проложенных вблизи кабелей. Для решения этой задачи необходимо знать
характер распределения потенциалов по заземлителю и земле. В реальных условиях на распределение
потенциалов могут влиять следующие факторы:
• тип и геометрия заземлителя;
• погодные условия;
• форма импульса тока в заземлителе;
• амплитуда импульса тока;
• наличие вблизи заземлителя зданий и других
сооружений.
Цель данной работы состояла в том, чтобы экспериментально исследовать, какие из этих факторов являются существенными в условиях, типичных для реальных систем молниезащиты. Эксперименты проводились в различное время года при сильно различающихся характеристиках грунта. В широком диапазоне изменялись амплитудно-частотные характеристики токов.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Чтобы установить возможность и характер пробоя
изоляции кабеля на землю при протекании импульсного тока по заземлителю, предварительно был проведен следующий эксперимент. Генератор импульсного тока одним из полюсов подключался к заземлителю, а вторым — к заглубленному стержню (рис. 1).
На поверхности земли укладывался лист изоляции.
Сверху листа изоляции располагался кабель, который
заземлялся на удаленном расстоянии.
Если жила кабеля располагалась вблизи стержня,
происходил пробой со стержня на жилу в виде мощной искры. Если жила кабеля была удалена от стержня, происходил пробой в виде маломощной искры между жилой и поверхностью земли. Таким образом,
пробой на землю изоляции кабеля, проложенного
вблизи заземлителя, вполне вероятен.
Размещение объектов на экспериментальной площадке представлено на рис. 2. Площадка размером приблизительно 20 х 50 м2 располагалась между зданиями.
Рис. 1. Схема эксперимента по электрическому
пробою между жилой кабеля и грунтом
1 — генератор импульсных токов, 2 — стержень,
3 — кабель, 4 — лист изоляции, 5 — жила кабеля,
6 — искра с поверхности земли,
7 — искра со стержня
На ней были сооружены заземлители двух типов. Первый заземлитель представлял собой проложенную на
глубине 0,4 м стальную полосу сечением 4 х 40 мм и
длиной 18 м. Второй — четыре вертикальных стальных
стержня диаметром 18 мм, глубиной 1,2-3,0 м, соединенных между собой полосой.
Рис. 2. Расположение объектов на
экспериментальной площадке
13
1/2004
от погодных условий существенно изменялось
удельное сопротивление верхнего слоя земли. Наибольшее удельное сопротивление грунт имел в октябре в сухую погоду. Под дождем сопротивление
грунта уменьшилось втрое. В апреле сопротивление мерзлого грунта было вдвое
ниже, чем в октябре в сухую поИсточники питания, использованные в экспериментах
году. Самое низкое сопротивлеОбозначение
Тип
Параметры Экв. частота
ние грунта зафиксировано в мае.
На глубине более 5 м свойства
Генератор
400 Гц,
S1
400 Гц
грунта не менялись.
синусоидального тока
546 мА
В экспериментах измерялись
Генератор
10/40 мкс,
S2
20 кГц
потенциалы
на заземлителях и на
апериодических импульсов
8-110 А
поверхности
земли относительно
Конденсатор 0,047 мкФ,
1,6/6 мкс,
S3
120 кГц
удаленной
точки
с нулевым понапряжение 300 В
10 А
тенциалом. На рис. 4 представГенератор импульсных напряжений,
1,6/6 мкс,
лены распределения потенциаS4
емкость в ударе 0,04 мкФ,
3200-8000 А
120 кГц
лов по заземлителю (полоса) при
напряжение 200-300 кВ
импульсных токах с различными
0,5; 0,25;
Генератор колебательных
характеристиками.
S5
0,125 / 5 мкс, 0,5; 1; 2 МГц
затухающих импульсов
При переменном токе с час4-18 А
тотой 400 Гц (источник S1) потенциал на заземлитетеле был
Источник S1 имеет низкую частоту и позволяет
создать растекание тока, близкое к статическому.
Временные параметры импульсов источников S2,
S3, S4 близки к параметрам импульса тока молнии.
Источник S5 моделирует переходные процессы при
коммутациях.
Эксперименты проводились в различное время года при разных погодных условиях.
• В октябре 2002 г. в сухую погоду (погодные
условия 1).
• В октябре 2002 г. в дождливую погоду (погодные
условия 2).
• В апреле 2003 г. в сухую погоду при мерзлом
грунте (погодные условия 3).
Рис. 4. Распределение потенциалов вдоль шины
заземлителя
• В мае 2003 г. в сухую погоду при оттаявшем
грунте (погодные условия 4).
1 — генератор S3, условия 2;
При проведении экспериментов измерялось
2 — генератор S5, 0,5 МГц, условия 3;
удельное сопротивление грунта методом вертикаль3 — генератор S5, 1,0 МГц, условия 3;
ного электрического зондирования. Результаты изме4 — генератор S5, 2,0 МГц, условия 3;
рений удельного сопротивления грунта даны на
5 — генератор S5, 1,0 МГц, условия 2
рис. 3. По данным измерений видно, что в зависимости
одинаковый по всей длине. При токе от генератора
S2 потенциал в начале был выше примерно на 10 %,
чем в конце полосы при погодных условиях 1, при
других условиях потенциал на заземлителе был
одинаковый по всей длине. В остальных случаях
потенциалы вдоль шины падали тем быстрее, чем
выше частота источника и ниже сопротивление
грунта.
На рис. 5- 8 представлены результаты измерений
потенциалов на поверхности земли. Характер распределения потенциалов по поверхности земли в различных направлениях практически одинаков и не зависит
от типа генератора.
Эксперименты показали, что распределение потенциалов по протяженному заземлителю зависит
Рис. 3. Измерение удельного сопротивления грунта
Грунт на площадке — типичный для условий города: неоднородный по вертикали и горизонтали. Между заземлителями подключались генераторы: переменного тока частотой 400 Гц и импульсных токов с
характеристиками, приведенными в таблице.
14
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКИ
Рис. 5. Распределение потенциалов по поверхности земли при питании от генератора S2 в
условиях 1
1 — в направлении 1; 2 — в направлении 2; 3 — в направлении 3
Рис. 6. Распределение потенциалов по поверхности грунта в направлении 5
1 — генератор S1, условия 1; 2 — генератор S1,
условия 3; 3 — генератор S2, условия 2
Рис. 7. Распределение потенциалов по поверхности грунта в направлении 7 при условиях 4
1 — генератор S4 (Um = 80 кВ, Im = 8 кA),
2 — генератор S3 (Um = 90 В, Im = 10 A)
Рис. 8. Распределение потенциалов по поверхности грунта в направлении 6 при условиях 4
1 — генератор S4 (Um = 50 кВ, Im = 8 кA),
2 — генератор S3 (Um = 60 В, Im = 10 A)
от частоты тока и удельного сопротивления грунта.
Распределение потенциалов в земле не зависит ни
от частоты тока, ни от сопротивления грунта. Следует отметить, что последний результат получен
для частоты источника не более120 кГц. Для этой
частоты при удельном сопротивлении грунта
100 Ом•м эквивалентная глубина проникновения
электромагнитного поля в грунт составит 15 м. Измерения потенциалов проводились на расстоянии
от заземлителя менее 10 м, поэтому скин-эффект
не проявился. Отметим, однако, что на этом расстоянии от заземлителя потенциал снижается в
сотни раз и при проектировании заземлителей рассмотрением этой области можно ограничиться. Результаты измерений позволяют предположить, что
при протекании по заземлителю тока молнии характер растекания тока в грунте мало отличается от
статического, описываемого уравнением Лапласа.
Это существенно упрощает задачу компьютерного
моделирования заземлителей. С другой стороны,
характер распределения потенциала вдоль шины
существенно зависит от частоты тока, поэтому при
расчетах и проектировании необходимо учитывать
как форму импульса тока, так, очевидно, и материал шин. По этой же причине при проведении натурных измерений следует использовать источники с
формой импульса тока, близкой к форме импульса
тока молнии.
Другим результатом экспериментов явилось то,
что нелинейность, которая должна возникать из-за
ионизации грунта при протекании больших токов,
не проявилась. Источники S3 и S4 имели одинаковую форму импульса тока, а амплитуда токов отличалась в сотни раз. Однако как измеренное сопротивление заземлителя, так и характер распределения потенциалов на поверхности грунта практически совпали. Авторы работы [1] приводят значение
пробивной прочности грунта равное 2 кВ/см при
удельном сопротивлении грунта ~100 Ом•м. В работе [2] при том же удельном сопротивлении грунта
его пробивная прочность оценена величиной
8 кВ/см. Авторы данной статьи определили, что при
токе источника 8 кА плотность тока, стекающего в
грунт с начального участка шины заземлителя, составляет 7 кА/м 2. При удельном сопротивлении
грунта 100 Ом•м это соответствует напряженности
электрического поля 7 кВ/см. На других участках
шины напряженность электрического поля в 1,5-2
раза меньше. Таким образом, условия пробоя грунта на начальном участке заземлителя в экспериментах, возможно, были достигнуты. Можно предположить, что в отличие от заземлителей, сконструированных специально для исследования ионизации почвы, сопротивление типичного протяженного
заземлителя заметно изменяется только при значительном превышении пробивной прочности грунта,
то есть при токе в шине в десятки килоампер. В правильно спроектированном заземлителе такая ситуация должна быть исключена.
15
1/2004
Влияние наличия здания на характер распределения потенциалов в грунте демонстрирует рис. 9.
ВЫВОДЫ
Результаты проведенных измерений позволяют сделать следующие выводы.
Рис. 9. Влияние здания на распределение потенциала
Сравнение диаграмм распределения потенциалов при наличии здания вблизи заземлителя и его
отсутствии показывает, что учет наличия зданий при
проектировании заземлителей необходим.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Liew A.C., Darveniza M.: Dynamic model of impulse characteristics of concentrated earths, IEE Proceedings Vol. 121, No. 2,
February 1974, pp 123-135
2. P. Espel, A. Bonamy, R. Dнaz, J. Silva. Electrical parameters of discharges in resistive soils. 24th International Conference
on Lightning and Protection (ICLP), Sept. 2002.
16
• При проектировании заземлителей
молниезащиты следует учитывать, что распределение потенциалов по протяженному
заземлителю зависит от частоты тока и
удельного сопротивления грунта. Распределение потенциалов в земле для типичных условий не зависит ни от частоты тока, ни от сопротивления грунта. Учет наличия зданий
вблизи заземлителя необходим.
• При диагностике существующих заземлителей вполне допустимо использовать слаботочные источники, моделирующие импульс
тока молнии. Требование к таким источникам
состоит в том, чтобы генерируемая ими форма импульса тока соответствовала форме
импульса тока молнии.
• При компьютерном моделировании заземлителей молниезащиты можно считать,
что характер растекания тока в грунте близок
к статическому, описываемому уравнением
Лапласа.