Удельное электрическое сопротивление грунта

Понятие удельное сопротивление грунтов играет важную роль при проектировании систем заземления, расчете конструкций электрических опор, молниеотводов, «стелющихся» наземных и подземных антенн КВ-диапазона.

Прибор для измерения сопротивления грунта

Что такое удельное сопротивление

Способность проводить электрический ток называют проводимостью. Эта величина обратно пропорциональна сопротивлению и измеряется в сименсах (См): G = 1/R, где R — сопротивление, выраженное в омах.

Для определения удельного сопротивления используется формула:

Формула удельного сопротивления металлического проводника

Чем больше эта величина, тем меньше проводимость: G = S/ρl.

Условное изображение металлического проводника

Удельное электрическое сопротивление грунта — это параметр, определяющий уровень электрической проводимости земли. Он показывает, насколько хорошо в почвах — глинистых, песчаных и прочих, будет растекаться электрический ток. Обычно удельным сопротивлением называют сопротивление прохождению тока условного куба почвенной смеси, ребра которого равны 1 м.

Иногда этот параметр путают с таким понятием, как сопротивление грунта сдвигу, которое не относится к электрическим характеристикам вещества, но описывает его механическую устойчивость к деформации и активно используется в строительстве зданий, дорог, трубопроводов и так далее. Почвы с большей электропроводностью обладают меньшей механической устойчивостью.

У земли сопротивление электрическому току больше, чем у металлов, для которых характерен электронный, а не ионный тип проводимости. Удельное сопротивление земли неоднородно, как и ее структура, и зависит от количественного соотношения входящих в нее компонентов (песка, глины, торфа и пр.). Точно оценить этот параметр на основе хрестоматийной классификации грунтов нельзя.

Классификация грунтов

Грунт — верхний рыхлый слой земной коры, который состоит из горных пород, почвы, минеральных и техногенных осадков, частиц воды и газов. Иногда грунт называют землей.

Эта сложная высокодисперсная система поглощает и накапливает разнообразные частицы и заряды. Образующийся комплекс веществ можно представить как равновесную систему, которая состоит из:

• твердых частиц — кристаллических солей (карбонатов, сульфатов, хлоридов);
• жидкой составляющей — почвенного раствора, в составе которого обнаруживаются свободные ионы, отдельные молекулы, а также ионные пары;
• абсорбированных веществ, которые появляются в результате химических реакций обмена: анионов и катионов.

Ионное равновесие земли сдвигается в ту или иную сторону под влиянием разнообразных факторов, например, при увеличении температуры или влажности.

Все грунты делятся на 4 больших класса:

• Природные скальные. В состав скальных и полускальных грунтов с жесткими связями входят железные руды, базальты, сланцы, кварциты и другие породы. Удельное сопротивление каменистого (щебенистого) грунта высоко и может достигать 5 000 Ом·м, а скалистых пород — 20000 Ом·м.
• Природные дисперсные. К ним относятся осадочные отложения с водно-коллоидными и механическими связями: торфы, глинистые почвы, ил, песок и крупнообломочные смеси. Способность проводить электрический ток у этой группы грунтов самая низкая. Например, удельное сопротивление такого грунта, как суглинок составляет 100 Ом·м, а у песков оно сильно зависит от влажности и колеблется от 10 до 4 000 Ом·м.
• Природные мерзлые. Отличаются от первых двух классов только тем, что в их структуре присутствуют вкрапления льда. Удельное сопротивление мерзлых грунтов с понижением температуры может достигать 10⁶ Ом·м.
• Техногенные. Этот класс объединяет все предыдущие природные типы грунтов, которые подверглись физическим или химическим воздействиям, а также бытовые, промышленные отходы, шламы и шлаки, искусственные льды.

Карта распространения

Для простоты определения преобладающего типа почв в заданном регионе пользуются соответствующими картографическими материалами и справочниками.

Карта почв

Узнать удельное сопротивление какого-либо грунта поможет таблица, которую можно найти в специальной литературе.

Значения УС различных грунтов

Факторы, влияющие на изменчивость показателей

На практике удельные сопротивления грунта могут сильно отличаться от табличных величин. Электропроводность земли зависит от:

• общих физических показателей: влаги, температуры;
• состава и размера фракций почвогрунта;
• плотности смеси веществ;
• концентрации солей, щелочей и кислот.

Значения удельного сопротивления в зависимости от температуры на примере суглинка:

Зависимость сопротивления от температуры

Правила измерений

Для замера сопротивления используют метод Виннера или метод четырех стержней, которые вбиваются в грунт на одинаковом расстоянии друг от друга. Непосредственно измерения выполняются специальным прибором. Схема данного мероприятия представлена на рисунке ниже.

Схема замера сопротивления

Проводя измерение удельного сопротивления грунта, следует придерживаться определенных правил:

• нельзя проводить измерение сопротивления грунта сразу после внесения большого количества органических удобрений или других биоразлагаемых веществ;
• грунт не должен быть слишком сухой, на глубине 30–40 см в нем должна обнаруживаться влага;
• нельзя получить объективных данных сразу после дождя, замерзания или при оттаивании почвы;
• почву стараются не взрыхлять перед проведением измерений, чтобы избежать искусственного увеличения расстояния между фракциями.

Определение удельного электрического сопротивления грунта осуществляется по формуле:

Формула удельного сопротивления

Методика расчета для многослойного грунта

Земля имеет неоднородное строение без выраженных границ между горизонтально расположенными слоями. Верхний слой почвы более подвержен сезонным изменениям.

Толщина слоя сезонных изменений

Учет неоднородности земли повышает точность расчета заземляющего устройства. При этом должно использоваться такое понятие, как эквивалентное удельное сопротивление грунта — приближенное к реальному значению сопротивление многослойной почвы. Для упрощения его определения землю принято делить на 2 слоя: верхний, который подвержен частым погодным колебаниям, и внутренний, с условно устойчивыми параметрами.

Эквивалентное сопротивление определяют экспериментально, устанавливая в точках предположительного монтажа электрических устройств и систем электропроводящие элементы. Измеритель закапывают один раз на предполагаемую глубину установки системы заземления, а другой — у поверхности верхнего слоя земли. После усадки грунта определяют напряжение, а также ток в контуре. Электросопротивление стальных заземлителей рассчитывается по формуле:

Формула электросопротивления

Зная конфигурацию используемых электродов, находят зависимость измеренного параметра от эквивалентного сопротивления земли и производят расчет для первой и второй глубины слоя земли.

Конфигурация заземляющих элементов	Схема	Расчетная формула
Шаровой­
Полушаровой
Круглый стержневой или уголковый
Круглый стержневой или уголковый, полностью погруженный в грунт
Протяженный поверхностный
Протяженный заглубленный
Кольцевой поверхностный
Кольцевой заглубленный
Пластинчатый круглый на поверхности
Пластинчатый круглый заглубленный
Пластина, поставленная на ребро заглубленная

Для окончательной оценки показателей проводимости часто пользуются поправочным коэффициентом сезонности: ρ = ρ_изм · k. В таблице приведен пример значений для нормального уровня влажности земли (50–80%):

Поправочные коэффициенты

Итоговое значение эквивалентного сопротивления узнают по формуле:

Формула эквивалентного сопротивления

Точное определение удельного сопротивления позволяет существенно сэкономить на организации системы заземления, поскольку не будет надобности использовать лишние заземлители или же увеличивать их длину после ввода объекта в эксплуатацию.

Видео по теме