Способ прогнозирования электрических характеристик заземляющей системы

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 428 А Ч 3/ ОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР)ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ЕЛЬСТВ АВТОРСКОМУ СВИ еле ния электния заания с имене- ектровыше- жение на пе(21) 4737153/25(71) Ленинградский государственный университет. (56) Алексеев Е.П. и др, Применение элект. рораэведки при выборе участков для заземляющих устройств в . сложных геоэлектрических условиях-,Сб, Заземления в. районах с высоким удельным сопротивле-нием.грунта. Апатиты, 1981, с.21,Меньшов Б.Г. и др, Заземление электроустановок в районах Крайнего Севера, М,: Недра; 1983, с.2-17.(54) СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЗЕМЛЯЮ ЩЕЙ СИСТЕМЫ(57) Использование: при проектировании энергосистем и средств связи и в электро- разведке. Сущность изобретения: электрические характеристики заземляющей системы определяют априорно на основе Изобретение относится к способа гнозирования,т.е, априорного опред на этапе предпроектных изысканий рических характеристик (соп ротивле земления и распределения токов стек электродов) многоэлектродных сист переменном токе и может найти пр ние в геологоразведке(например, в эл магнитных зондированиях МГд-генератором), а также при прае вании энергосистем и средств связиЦелью изобретения является по ние производительности труда и сни затрат при прогнозировании систем ременном токе,измерения импеданса естественно электромагнитного поля на рабочей частоте заземляющей системы и проведения вертикального электрического зондирования, причем величина максимального разноса зондирования рассчитывается исходя из соотношения эффективного сопротивления, полученного из результатов измерения естественного электромагнитного поля,и кажущегося сопротивления, полученного на разносе, равном радиусу дискового электрода, равновеликого площади контура заземляющей системы, а также отношения размера эаземляющей системы к толщине скин-слоя на ее рабочей частоте, На основе кривой вертикального электрического зондирования, интерполированной в области бесконечно больших разносов на основе у полученного эффективного сопротивления, рассчитываются значения кажущегося сопротивления для двухполюсной установки, а а по ним элвктрические характеристики заземляющей системы. 1 ил.. евйаЪ На чертеже изображена схема установки для реализации способа: положение кон- фф тура 1 и электродов 2 проектируемой заземляющей системы, контур 3 равновели- ОО кого дискового заземлителя, измеритель 4 кажущегося удельного сопротивления земли, измеритель 5 напряженности естественного электромагнитного поля, магнитная антенна б, переключатели 7 и 8, АВ и ММ - соответственно питающая АВ и приемная ММ линии установки вертикального электрического зондирования с центром 0; длина , диаметр б и глубинат заложения электродов, их эффективный радиус 1 о, наибольшая диагональ контура заземляющей системы,. ." ак Ви- -1 45Вкв= В иР а Ва = В 1=1 дковый номер электока, стекающего с мутоку заземлителя 5 Вм - взаимное сов с и п; если К = в.ное сопротивление где К = 1,2 гп,п - поря трода, ак - отношение электрода К к суммарно (токовый коэффициент); противление электродо то Вып = Вв - собстоен электрода,О, радиус дискового заземлителя гэф, равновеликого площади ее контура, разнос= АВ питающей линии в методе ВЗЗ.Сущность способа заключается в учете влияния на электрические характеристики 5 заземляющей системы глубинных слоев земли при ограниченных разносах питающей линии вертикального электрического зондирования путем определения эффективного удельного сопротивления по вели чинам компонент естественного электромагнитного поля, а также в непосредственном использовании результатов измерений, трансформированных в значения кажущегося удельного сопротивления 15 для двухполюсной установки на заданной частоте,1Известно, цто в сетях переменного тока целесообразно использование эаземлителей, характерные размеры которых не пре вышают 1/3+1 эффективной толщины скин-слоя в земле, поскольку при больших размерах наблюдается практически пропорциональное им возрастание сопротивления потерь. Такие заземлители при 25 расчете сопротивления растеканию можно считать эквипотенциальными, а их характеристики в случае однородного полупространства - частотно-независимыми, Для определения величины сопротивления за земления В и закона распределения тока стекания (токовых коэффициентов) с электродов эквипотенциального заземлителя, содержащЕго и электродов, необходимо решить систему (и+1) уравнений; 35. Взаимное и собственное сопротивления вычисляются в предположении постоянства плотности тока стекания вдоль электродов методом средних потенциалов. В частности для заземляющей системы, состоящей из параллельных горизонтальных электродов длиной Ц значения Вм и Вв определяются выражениями:.61 Х Гбкбх . )2 к 1.2г ва= - П12 г 12/2 г у - расстояние между электродамии щ го - эффективный радиус электоода для заглубленного электрода, го = 1 й, х,й - переменные интегрирования.Кажущееся сопротивление среды ои(г) для двухполюсной становки с разносом г связано с кажущимся сопротивлением р установки вертикального электрического зондирования с разносомсоотношением: ри ( г ) = г,Г с 1 (4)2 Причем в случае переменного тока под ри(г) и рк понимаются синфазные с током компоненты их.гери(г) и гери(1)Из (1) - (4) видно, цто для прогнозирования характеристик заземляющей системы необходимы измерения рпри измененииот гь до 1 пах -+ оо. Неопределенностьпах .является основной трудностью реализации способов прогнозирования электрицеских характеристик заземляющих систем, Расчеты электрического поля точецного истоцника. тока. и сопротивления растеканию различных заземлителей над слоистыми средами показали следующее. Знацения рк на постоянном и переменном токе при малых разносах установки совпадают. С увеличением разноса р на переменном токе стремятся, осциллируя с затуханием, к асимптоме, соответствующей эффективному удельному сопротивлению среды р-, которое получается над данным разрезом в . дальней зоне источника и определяется по величине поверхностного импеданса среды, Ограниченность и практическое постоянство знацений р даже для бесконечно большого удельного сопротивления основа-,ния разреза при 1-ф со отражает конечную величину эффективной глубины проникновения электромагнитного поля и позволяет оценить требуемое значение (пах, Последнее зависит от параметров геоэлектрического разреза, частоты, размеров и конструкции заземляющей системы, Теоретическая оценка Ъэ проведена для дисковых заземлителей, сопротивление растеканию которых в сравнении с другими заземлителями заданной площади контура в, наибольшей степени зависит от свойств глубинных частей разреза и, вследствие этого, пригодна для плоских заземляющих систем произвольной конструкции, При этом принято во внимание, что в слоистых средах сопротивление растеканию дискового заземлителя определяется некоторым эффективным значением удельного сопро тивления среды, численно равным кажущемуся сопротивлению р,(г) двухполюсной установки с разносом, не превышающим, как правило 0,6 гэф, Поэтому величина 1(пэх определена из условия, обеспечивающего практическое (с точностью не хуке 5%) совпадение значений ри(г) для г 0,6 гэф, рассчитанный непосредственно по формуле (4) и в результате интерполяции значений р на промежуткерпэ - :р при(пэх( р(пах - значение р при 1=пэх), Указанная оценка выполнена также с учетом того, что на практике вертикальное электрическое зондирование выполняется, как правило, на постоянном таке, а импедансные измерения естественного электромагнитного поля носят обычно амплитудный характер,Последовательность операций при осуществлении способа следующая. В месте предполагаемого размещения проектируемой заземляющей системы с помощью измерителя 5 проводят на заданной частоте 1 амплитудные или амплитудно-фазовые измерения взаимно-ортогональных горизонтальных электрической (Е 2) и магнитной (Нд) компонент естественного электромагнитного поля, источником которого являются грозовые разряды, линии электропередач, радиостанции и другие источники, заведомо удаленные от пункта наблюдения на расстояние. в 3 - 4 раза превышающее эффективную толщину скин-слоя в земле. (Компоненту Е 2 определяют по величине напряжения на выходе приемной линии М(ч, которая может располагаться как в одном, так и в нескольких пунктах участка. Компоненту Но измеряют либо непосредственно по величине напряжения на выходе магнитной антенны, либо определяют по измеренной величине вертикальной электрической компоненты Е. По результатам измерений рассчитывают величины 1 р или ге ри эффективную толщину скин- слоя дэф в соответствии с известными 5 формулами:18 ЕгЕг1 О10 Озф:ООО 1"где р - фазовый сдвиг между Ег и Не,Измерения р методом вертикальногоэлектрического зондирования выполняют на заданной или более низкой частоте, либо на постоянном токе с помощью измерителя кажущегося сопротивления 4. включающего источник и измеритель тока в питающей линии АВ, а также измеритель напряжения в приемной линии МИ, При измерении на переменном токе принимают меры, исключающие взаимные емкостные и индуктивные влияния между питающей и приемной линиями.Измерения р методом ВЭЗ начинаютпри разносе питающей линии, не меньшем эффективного радиуса электродов заземля ющей системы го, первоначальный максимальный разнос пита(ощей линии ограничивается радиусом дискового электрода, равновеликого площади контура заземля(ощей системы гэф и составляет 35 (0,6-1)гэф, По соотношению между эффек. тивным сопротивлением р, под которым понимается его модуль или реальная часть, и значениями р, полученными при наибольших первоначальных разносах питаю щей линии (р 1) и с учетом размеров контуразаземля(ощей системы устанавливают максимальный разнос установки Ъэ.В случае плохопроводящего основания(5 р 1 ) и ничтожно малых размеров зазем ляющей систем(я в сравнении с эффективной толщиной скин-слоя, таких, что удовлетворяется неравенство;РфЭф О,07 двф-Лп(8),эф р р 150 справедливы законы постоянного тока имаксимальный разнос определяется соотношением;(пэх 32 гэф и(9)Р 155 При размерах заземляющей системы, соот-ветствующих неравенству;разнос определяют по формуле:ф Рь 1 и, (11)лФн 1 пгахО 84Если радиус гаф превышает глубину залегания основания и приближается к эффективной толщине скин-слоя:ОЕ,., пг,рто максимальный разнос не зависит от размеров заземляющей системы и определяется величиной даф:1 пгах 0,7 даф с-Р(13)В случае хорошо проводящего основания (р Рь) и малых, размеров заземляющей системы;гэф 0,16 д зф/(1-- ).Р 1максимальный разнос не зависит от частотных параметров разреза и соответствует неравенствуву.Ьпах 5 гэф(1- ). (15)Ра при больших ее размерах:гэф 0,16 д эф/(1-- ) (16)Ропределяется эффективной толщиной скин- слоя:1 пах 0,8 д эф. (17)После определения 1 вах продолжают при необходимости измерения Р 1, методом ВЭЗ до установленного разноса питающей линии. Затем интерполируют значения р в интеРвале Рпгаг+Р. ПРактически эта опеРация сводится к соединению прямыми точек на логэрифмическом бланке с координатами Р аах, 1 пгах, Р .1 а. причем1 а = 0,7 д эф при Р ) р1 а =41 пгах при р Р 1(18)По полученной зависимости р (1) рассчитывают кажущееся удельное сопротивление для двухслойной установки Рн(г) с использованием формулы (4), которая при конечном числе интервалов интегрирования выражается суммой:4(19) где 1=1,2,31=1, Р; р - число элементарных интервалов, на которые разбивается промежуток г-:1 а; р, 1 - значения р и 1 для интервала 1. После определения ри (г) рассчитываютсобственные и взаимные сопротивления электродов проектируемой заземляющей системы, например по формулам (2), (3), а затем 5 путем решения уравнения (1) - ее электрические характеристики: сопротивление растеканию В и токовые коэффициенты а.Технико-экономическая эффективностьизобретения по сравнению с базовым объ ектом, характеризующим уровень техники исовпадающим в данном сйучае с выбранным прототипом, заключается в существенном снижении затрат труда, времени :реализации способа, материалов, в расши рении области применения способа вследствие использования дешевой и портативной аппаратуры при прогнозировании электрических характеристик заземляющих систем с большой площадью 20 контура на переменном токе. Это, в своюочередь, приводит к значительному (в десятки раз) уменьшению затрат и увеличению производительности труда, либо позволяет с малыми затратами выявлять участки, в 25 принципе неприемлемые для реализацииспособа.Формула изобретения Способ прогнозирования электрических характеристик заземляющей системы, 30 включающий измерение кажущегося электрического сопротивления Земли методом вертикального электрического зондирования, определение параметров геоэлектрического разреза и расчет электрических 35 характеристик заземляющей системы, о т л ич а ю щи й с я тем, что, с целью повышения производительности труда и снижения затрат при прогнозировании систем на переменном токе, предварительно измеряют взаимно ор тогональные горизонтальные, электрическую и магнитную компоненты естественного электромагнитного поля на частоте 1 эксплуатации заземлителя, по измеренным величинам определяют эффек тивное Р удельное сопротивление земли,измерение кажущегося Рх электрического сопротивления земли проводят в диапазоне разносов от эффективного радиуса электрода до радиуса дискового электрода гэфф; равновеликого площади контура заземляю- щей системы, после чего на основе вычисленных величин отношений кажущегося сопротивления р 1 на максимальном разносе и эффективного сопротивления р /р 1, а 55 также отношения радиуса дискового электрода гафф к эффективной толщине скин-слоя ( д эфф = 500- - -.определяют величину максимального разноса вертикального1805428 10 по Формуле 1 макс 0,84 Х а при а-а 0,7 по формул эфф оставитель А,Яковлеехред М.Моргентал Редактор Карре амборская каэ 941 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открыти 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 при ГК Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 электрического зондирования макс, причем в случае плоха проводящего основания пригэ,ьь 0 07 1 соотношении - ,-максифф р ЬР 1мальный разнос определяют по формуле макс 3,2 гэфф 1 п- , при007 1гэфф (07 1 макс 0,7 дэфф , а в случае проводящего основания и ри соотношении гэфф/0,16арф- - уу- максимальный рак нос апра.рделяют по формуле макс 5 Гэфф(1 -), аР 1гэь ь 0,16при Г )по формуле 1 макс 0,8 10 . эфф 1 -Р 1дэфф, продолжают зондирование до установленного разноса, определяют кажущееся сопротивление земли на частоте эксплуатации 15 заземлителя для двухполюсной установки вдиапазоне изменения разноса от эффективного радиуса электрода заземляющей системы до максимальной диагонали контура, на основе которого осуществляют расчет электрических характеристик заземляющей системы,