Rezystywność gruntu

Rezystywność gleby jest miarą oporu lub przewodzenia prądu elektrycznego przez glebę . Jest to krytyczny czynnik w projektowaniu systemów, które opierają się na przepuszczaniu prądu przez powierzchnię Ziemi. Jest to bardzo ważny parametr przy znalezieniu najlepszej lokalizacji nadajnika pracującego na niskich częstotliwościach (VLF, LF, MF i niższe fale krótkie), ponieważ takie stacje radiowe zwykle wykorzystują ziemię jako przeciwbiegun. Zrozumienie rezystywności gruntu i tego, jak zmienia się ona wraz z głębokością w glebie, jest niezbędne do zaprojektowania systemu uziemienia w podstacji elektrycznej lub piorunochronu. Jest potrzebny do zaprojektowania uziemiające do stacji elektroenergetycznych i systemów przesyłu prądu stałego wysokiego napięcia . Dawniej było to ważne w telegrafii powrotnej z ziemi . Może być również użyteczną miarą w rolnictwie jako pomiar zastępczy dla zawartości wilgoci.

W większości podstacji ziemia służy do przewodzenia prądu zwarciowego, gdy w systemie występują zwarcia doziemne. W jednoprzewodowych systemach przesyłu energii z uziemieniem sama ziemia jest wykorzystywana jako ścieżka przewodzenia od klientów końcowych (odbiorców energii) z powrotem do obiektu przesyłowego. Ogólnie rzecz biorąc, istnieje pewna wartość, powyżej której impedancja uziemienia nie może wzrosnąć, oraz pewne maksymalne napięcie skokowe, którego nie wolno przekraczać, aby uniknąć zagrożenia dla ludzi i zwierząt gospodarskich.

Wartość rezystywności gruntu podlega dużym wahaniom ze względu na wilgotność, temperaturę i skład chemiczny. Typowe wartości to:

• Typowe wartości: od 10 do 1000 (Ω-m)
• Wartości wyjątkowe: od 1000 do 10000 (Ω-m)

Jednostką rezystywności w układzie SI jest omomierz (Ω-m); w Stanach Zjednoczonych zamiast tego często używany jest om-centymetr (Ω-cm). Jeden Ω-m to 100 Ω-cm. Czasami przewodnictwo , odwrotność rezystywności.

W literaturze można znaleźć szeroki zakres typowych wartości rezystywności gruntu. Podręcznik wojskowy 419 (MIL-HDBK-419A) zawiera tabele referencyjne i wzory na rezystancję różnych wzorów prętów i drutów zakopanych w ziemi o znanej rezystywności. Ponieważ numery te są wolne od praw autorskich, są szeroko kopiowane, czasami bez potwierdzenia.

Pomiar

Ponieważ jakość gleby może się znacznie różnić w zależności od głębokości i na dużym obszarze bocznym, oszacowanie rezystywności gleby na podstawie klasyfikacji gleby zapewnia jedynie przybliżone przybliżenie. Rzeczywiste pomiary rezystywności są wymagane, aby w pełni ocenić rezystywność i jej wpływ na cały system przesyłowy.

Często stosuje się kilka metod pomiaru rezystywności:

Do pomiaru użytkownik może wykorzystać tester rezystancji uziemienia .

metoda Wennera

Metoda czteropinowa Wennera, jak pokazano na powyższym rysunku, jest najczęściej stosowaną techniką pomiarów rezystywności gruntu. Stosując metodę Wennera, pozorna wartość rezystywności gruntu wynosi:

$= {\ Frac {4 \ cdot {\ pi }\cdot a\cdot R_{W}}{1+{\frac {2\cdot a}{\sqrt {a^{2}+4\cdot b^{2}}}}-{\frac {a }{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}}}}\,}$

Gdzie

ρ _E = zmierzona pozorna rezystywność gruntu (Ωm)

a = rozstaw elektrod (m)

b = głębokość elektrod (m)

R _W = Rezystancja Wennera mierzona jako „V/I” na rysunku (Ω) Jeśli b jest małe w porównaniu z a , jak to ma miejsce w przypadku sond penetrujących grunt tylko na niewielką odległość (co zwykle ma miejsce), poprzednie równanie można zapisać Obniżono do:

${\ Displaystyle \ rho _ {E} = 2 \ cdot \ pi \ cdot a \ cdot R_ {W} \,}$

Metoda Schlumbergera

W metodzie Schlumbergera odległość między sondą napięciową wynosi a , a odległość między sondą napięciową a sondą prądową wynosi c (patrz rysunek powyżej).

Stosując metodę Schlumbergera, jeśli b jest małe w porównaniu z a i c oraz c > 2a , pozorna wartość rezystywności gruntu wynosi:

$\ Displaystyle \ rho _ {E} = {\ pi} {\ Frac {c \ cdot (c + a)}} {a}} R_ {S} \ ,}$

Gdzie

ρ _E = zmierzona pozorna rezystancja gruntu (Ωm)

a = rozstaw elektrod (m)

b = głębokość elektrod (m)

c = odstęp między elektrodami (m)

R _S = rezystancja Schlumbergera mierzona jako „V/I” na rysunku (Ω)

Konwersja

Zmierzona objętość

Przeliczenie pomiędzy wartościami zmierzonymi metodami Schlumbergera i Wennera jest możliwe tylko w przybliżeniu. W każdym przypadku, zarówno w metodzie Wennera, jak i Schlumbergera, odległość między elektrodami sondy prądowej odpowiada głębokości badania gruntu, a zmierzony pozorny opór właściwy gruntu odnosi się do objętości gruntu, jak na rysunku.

Prąd ma tendencję do przepływu w pobliżu powierzchni przy małych odstępach między sondami, podczas gdy większy prąd wnika głębiej w glebę przy dużych odstępach. Rezystywność zmierzona dla danego rozstawu sond prądowych reprezentuje, w pierwszym przybliżeniu, pozorną rezystywność gruntu do głębokości równej temu rozstawowi.

Jeżeli pozorna rezystywność gruntu mierzona metodą Schlumbergera ρ _E (przy odpowiednim rozstawie elektrod a _S i c ) jest podana, zakładając, że rezystywność gruntu odnosi się do objętości jak na rysunku, gdzie a=L/3 wygląda następująco:

${\ Displaystyle R_ {W} = {\ Frac {\ rho _ {E}} {2 \ cdot \ pi \ cdot a_ {W}}} \,}$

z

${\ Displaystyle a_ {W} = {\ Frac {a_ {S} + 2c} {3}} \,}$

Gdzie:

R _{W = równoważna} rezystancja Wennera (Ω)

a _W = równoważny odstęp elektrod metodą Wennera (m)

a _S = odstęp między elektrodami sondy napięciowej metodą Schlumbergera (m)

c = odstęp między elektrodami sondy napięć i prądów metodą Schlumbergera (m)

Jeżeli podany jest zmierzony opór Schlumbergera , przed obliczeniem pozornej rezystywności gruntu należy obliczyć następujący współczynnik:

$\ Displaystyle \ rho _ {E} = {\ pi} {\ Frac {c \ cdot (c + a_ {S})} {a_ {S} }}}R_{S}\,}$

Metoda Wennera jest najczęściej stosowaną metodą pomiaru rezystywności gruntu do celów uziemienia elektrycznego. Metoda Schlumbergera została opracowana w celu zwiększenia sygnału napięciowego dla wcześniejszych, mniej czułych instrumentów, poprzez umieszczenie sond potencjału bliżej sond prądowych.

rezystywności gruntu będą miały wpływ istniejące w pobliżu uziemione elektrody. Zakopane przedmioty przewodzące w kontakcie z glebą mogą unieważnić odczyty wykonane opisanymi metodami, jeśli są wystarczająco blisko, aby zmienić wzorzec prądu testowego . Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku dużych lub długich przedmiotów.

Zmienność

Przewodnictwo elektryczne w glebie jest zasadniczo elektrolityczne iz tego powodu rezystywność gleby zależy od:

• zawartość wilgoci
• zawartość soli
• temperatura (powyżej punktu zamarzania 0 °C)

Ze względu na zmienność rezystywności gruntu, normy IEC wymagają uwzględnienia sezonowych zmian rezystywności w projekcie systemu przesyłowego. Rezystywność gleby może wzrosnąć 10-krotnie lub więcej w bardzo niskich temperaturach.

Korozja

Rezystywność gleby jest jednym z czynników decydujących o korozyjności gleby. Korozyjność gleby jest klasyfikowana na podstawie rezystywności elektrycznej gleby według brytyjskiej normy BS-1377 w następujący sposób:

• ρ _E > 100 Ωm: lekko żrący
• 50 < ρ _E < 100 Ωm: umiarkowanie żrący
• 10 < ρ _E < 50 Ωm: żrący
• ρ _E < 10 Ωm: poważne

Dalsza lektura

• Wenner Frank (1916). „Metoda pomiaru rezystywności uziemienia” (PDF) . Biuletyn Biura Norm . Drukarnia rządu USA. 12 (3): 469–478.