Измерение сопротивлений заземления опор ВЛ - Схемы измерения сопротивлении заземляющих устройств опор ВЛ

Понятие о взаимном и собственном сопротивлениях. Сопротивление растеканию. Для измерения сопротивления заземляющего устройства через это устройство необходимо пропустить электрический ток /. Средой, в которой растекается ток, является грунт (полупространство ниже границы раздела воздух — земля). Поскольку грунт не обладает бесконечно большой проводимостью (сопротивление грунта не равно нулю), потенциал электрического поля по мере удаления от места ввода тока убывает, обращаясь в нуль в бесконечно удаленной точке. Кривая спада потенциала показана на рис. 5. Наибольшее значение потенциала V3 соответствует потенциалу заземляющего устройства. Поверхности равного потенциала в однородном по удельному сопротивлению грунте имеют вид полусфер (рис. 6), а линии "Пересечения этих полусфер с плоскостью раздела воздух — земля (эту плоскость называют дневной поверхностью) представляют собой концентрические окружности с центром в точке ввода тока.
Рассмотрим точку М, находящуюся на дневной поверхности на расстоянии г. Потенциал Vb точке М будет пропорционален току I:
(5)
а коэффициент пропорциональности Ф носит название взаимного сопротивления между точкой наблюдениями источником тока 1 и определяется выражением
(6)
где р — удельное сопротивление грунта; г — расстояние точки наблюдения от источника тока.

Рис. 6. Расчет взаимных сопротивлений
Соотношение, аналогичное (5), можно составить для потенциала заземляющего устройства:

Рис. 5. Ток и потенциал сосредоточенного заземлителя

Рис. 7. Схемы измерения сопротивления заземляющего устройства:
С - генератор (источник переменного тока) ; А — амперметр; V - вольтметр; 3 - за- землитель; Т — токовый электрод; П — потенциальный электрод;гз п - расстояние заземлитель - потенциальный электрод; rg т - расстояние заземлитель - токовый электрод; Vt — расстояние потенциальный электрод - токовый электрод
В этом случае коэффициент пропорциональности называют собственным сопротивлением заземляющего устройства. Собственное сопротивление называется также сопротивлением растеканию и обозначается R:

Для определения сопротивления растеканию необходимо измерить потенциал заземляющего устройства V3 и разделить найденное значение потенциала на силу тока I, протекающего через заземлитель. Однако такое измерение имеет две особенности. Чтобы через испытуемый заземлитель пропустить ток I, необходимо на некотором удалении поместить вспомогательный электрод. Кроме того, для измерения потенциала заземлителя V3 (разности потенциалов между заземлителем и точкой, где потенциал равен нулю) нужен второй вспомогательный электрод (зонд)*.

*Потенциал заземляющего устройства численно равен напряжению на заземляющем устройстве.

Вопрос о том, как располагать токовый и потенциальный электроды относительно заземлителя, является очень важным при проведении измерений.

Сосредоточенный заземлитель в однородном грунте. Рассмотрим процесс измерения в самом простом, хотя и не всегда имеющем место на практике случае, когда грунт однороден, а заземляющее устройство имеет небольшие поперечные размеры.
Под сосредоточенным заземлителем понимают такое заземляющее устройство, размерами которого можно пренебречь, в данном случае по сравнению с расстоянием от вспомогательного токового электрода до испытуемого заземлителя. Понятие "однородный грунт" также является известной идеализацией, более или менее приближенной к реальным условиям измерения.
Схема измерений может быть однолучевой (рис. 7, а) или двухлучевой (рис. 7, б).
Условие нулевой ошибки при измерении сопротивления растеканию будет обеспечиваться, если параметры измерительных схем будут удовлетворять выражению
(9)
или

где гп.т - расстояние между потенциальным и токовым электродами; г3.т и г3.п — расстояние между заземлителем и токовым (потенциальным) электродом.
Такое соотношение между расстояниями должно выполняться как для однолучевой, так и для двухлучевой схемы.

Рассмотрим сначала двухлучевую схему. Если расстояния от заземлителя до потенциального и токового электродов будут одинаковыми Оз.т = г з. п) > т0 расстояние между токовым и потенциальным электродами равно (угол между лучами схемы близок к 30°):
(10)
Двухлучевая схема может быть полезной при измерениях на территории какого-нибудь объекта или в городе, где площадка ограничена. Естественно, токовый и потенциальный электроды могут меняться ролями.
Рассмотрим однолучевую схему, когда потенциальный электрод расположен между токовым электродом и заземлителем. Из рис. 7, а следует соотношение между расстояниями:

которое подставляем в условие нулевой ошибки (9), в результате получаем квадратноеуравнение
Решая это уравнение, получаем
(11)
Однолучевая схема с перестановкой потенциального электрода. В реальных условиях проведения измерений сопротивлений заземляющих устройств размеры заземляющего устройства и характер грунта иногда неизвестны. В этих условиях рекомендации по расположению измерительных электродов, изложенные выше, нужно применять с осторожностью. Однако путем дополнительных затрат времени и некоторого усложнения методики измерений можно решить проблему достаточно точных измерений в самом общем случае.

Рис. 8. Измерение сопротивления с перестановкой потенциального электрода
На рис. 8, а показаны кривые спада потенциала заземлителя и токового электрода Т. Примерные границы областей резкого спада потенциала заземлителя и токового электрода на поверхности земли условно показаны на рис. 8, б. Вследствие неоднородности грунта эти границы не будут иметь форму правильных окружностей, однако при достаточном взаимном удалении заземлителя и токового электрода можно обнаружить область (отрезок тп на прямой кратчайшего расстояния), где потенциал изменяется настолько мало, что эту область можно принять за зону "нулевого потенциала"*.

*Область плавного изменения потенциала, близкого нулю.

Для установления зоны "нулевого потенциала" нужно измерить разность потенциалов, переставляя потенциальный электрод (зонд) через определенные расстояния, двигаясь от заземлителя к токовому электроду. Когда потенциальный электрод попадет в зону "нулевого потенциала", измеренное напряжение перестанет изменяться, оставаясь таким же, как при установке зонда в точке т. При перемещении зонда из точки 3 в точку т напряжение (разность потенциалов) между заземлителем и зондом (F3 — Fn) возрастало. Эта разность потенциалов будет расти и при перемещении зонда из точки п в точку Т: из V3 будут вычитаться отрицательные значения, возрастающие по абсолютной величине. В результате будет снята потенциальная кривая (рис. 8, в). Горизонтальный участок этой кривой соответствует потенциалу заземлителя К3. Если при снятии потенциальной кривой используется измеритель сопротивления, который показывает отношение измеренного напряжения к силе тока, то форма потенциальной кривой остается той же, но по оси ординат будет отложена величина (V3 — Fn)//, а горизонтальный участок станет соответствовать искомому сопротивлению растеканию:
(12)
При первом снятии потенциальной кривой зона "нулевого потенциала" (участок mri) может не обнаружиться. В таких случаях нужно удалить токовый электрод на большее расстояние и снять кривую вновь. Такая методика может и не дать нужного результата, это будет свидетельствовать о резкой неоднородности грунта на площадке, где проводятся измерения.

Повышение точности измерений в неоднородных грунтах. Очень часто измерения приходится вести в грунтах, сопротивление которых различно в различных точках. Если, например, сопротивление верхних слоев грунта меньше, чем у нижележащих, и это отличие велико, то горизонтальный участок у потенциальной кривой (или кривой сопротивления) можно получить отнеся токовый электрод лишь на очень большие расстояния, которые для заземлителей опор могут превышать 100 м. Такие расстояния требуют увеличения длины проводов и не всегда возможны из-за особенностей местности. Отсутствие горизонтального участка на кривой сопротивления не позволяет точно оценить сопротивление заземлителя. Однако и в этом случае значение сопротивления можно найти с погрешностью, не превышающей 10%. Для этого кривую сопротивления нужно снять два или три раза по одному направлению и при разных расстояниях до токового электрода. Методика этих измерений следующая.
При первом снятии кривой сопротивления токовый электрод располагают на расстоянии г3.т равном 20 — 30 м от центра опоры. Кривую сопротивления снимают, передвигая потенциальный электрод с шагом соответственно 2 — 3 м, т.е. через 0,1 расстояния до токового электрода. Эту кривую наносят на график, по горизонтальной оси которого откладывается относительное расстояние до потенциального электрода 'з.п/'з.т. т- е. отношение расстояния от центра опоры до потенциального электрода г3.п к расстоянию г3.т. Значения г3.п/г3.т изменяются от 0,1
до 0,9, а если потенциальный электрод передвигать по этой же линии, но уже за токовый — то от 1,1 и более. По вертикальной оси графика откладываются значения сопротивлений, измеренных при Гз.пЛз.т = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9. По виду снятой кривой можно судить о том, достаточно ли только ее для определения сопротивления. Для этого проверяется наклон в средней части кривой по правилу: (Л„,6 - -R0,*)IRo,s < 0,1, где индексы при R означают r3.n/r3.T, при котором произведено измерение сопротивления. Если это правило не выполняется,!. е. относительное расхождение между Но,в и Л0,4 составляет более 10%, то токовый электрод переставляется дальше, на 40 — 50 м от центра опоры, и снимается новая кривая при тех же относительных расстояниях до потенциального электрода. При этом шаг передвижения будет уже 4 — 5 м, что также составляет 0,1 г3_т. Кривая сопротивления при большем разносе строится на том же графике. Она должна пересечься с предыдущей кривой в одной точке. Значение сопротивления в этой точке будет близко к истинному значению сопротивления заземлению. При резкой неоднородности грунта пересечения кривых может не наступить. В этом случае используются два приема.
Первый из них состоит в дальнейшем увеличении расстояния до токового электрода до 70 — 100 м и снятии третьей кривой, которая должна пересечься с предыдущей. В этом случае за измеренное сопротивление принимается значение в точке пересечения второй и третьей кривых. Если по условиям ограничения длины измерительных линий это сделать невозможно, то используют второй прием. Он состоит в том, что, оставив токовый электрод на расстоянии 40 — 50 м, потенциальный продолжают передвигать по той же линии дальше токового, т. е. на расстояния г3.п/г3.т = 1,1; 1.2; 1,3; 1,4; 1,5. Снятую кривую наносят на тот же график. За сопротивление, близкое (с точностью до 20%) к истинному сопротивлению заземлителя, можно принять значение /?i,4, измеренное при положении потенциального электрода в точке с r3. п/г3. т = 1,4.
Сказанное иллюстрируется рис. 9, на котором показаны кривые, снятые на реальном заземляющем устройстве. Кривая 1 снята при наименьшем расстоянии до токового электрода, 2 — при увеличенном. Точка пересечения кривых i и 2 дает измеренное значение, равное 9,8 Ом. Сопротивление, измеренное при Гз.пЛз.т = 1,4, имеет значение 10,2 Ом. Как видим, эти значения близки. Из этого же рисунка видно, что на кривых 1 и 2 отсутствует горизонтальный участок, а значение Ro,s различно для различных кривых и значительно ниже истинных 10 Ом. Следует также заметить, что если при измерениях получаются кривые, ход которых заметно отличается от хода показанных на рисунке (например, наблюдается спад сопротивления при росте г3.п), то это означает, что в земле находятся мешающие металлические предметы и направление измерений следует изменить.
Нетрадиционные схемы измерений. Для сетей с изолированной нейтралью напряжением 0,4 кВ предложен способ (автор В. И. Карелин) заключающийся в определении зоны нулевого потенциала испытуемого заземлителя и установке в ней вспомогательного токового электрода, сопротивление которого предварительно измеряется по двухлучевой схеме.

Рис, 9. Пример кривых измеренного сопротивления в зависимости от относительного расстояния до потенциального электрода: 1 -гзт = 30;2, 3-тзт =40 м
Измеряют также части тока однофазного замыкания источника с изолированной нейтралью через испытуемый и вспомогательный заземлители. По полученным результатам вычисляют искомое сопротивление. Этот способ можно использовать при больших размерах заземлителей, требующих больших разносов при традиционном способе измерения. Осуществляются измерения следующим образом.
На поверхности земли определяют зону растекания в одном из направлений от испытуемого заземлителя с помощью схемы, в которой используется существующая электрическая сеть с изолированной нейтралью. Одна из фаз через выключатель с токовой защитой соединяется с эаземлителем, и с помощью вольтметра, подсоединяемого одним концом к заземлителю, а другим к вспомогательному потенциальному электроду измеряется напряжение по мере удаления потенциального электрода от заземлителя. Границу зоны нулевого потенциала указывает такое расположение потенциального электрода,' при котором измеренное напряжение отличается от предыдущего не более чем на 5%. При известных длинах лучей эта точка располагается на расстоянии не менее трех длин. В найденной точке устанавливают вспомогательный токовый электрод и измеряют его сопротивление по двухлучевой схеме с расстояниями до измерительных электродов 30 и между ними — 15 м.

Рис. 10. Схема измерения сопротивления в сети до 1 кВ с изолированной нейтралью:
1 - электрическая сеть; 2 - выключатель; 3, 5.8 - проводники; 4,7 - амперметры; 6 - испытуемый заземлитель; 9 — вспомогательный заземлитель
Измерение токораспределения между испытуемым и вспомогательным заземлителями производят по схеме рис. 10. Амперметр 4 необходимо располагать в непосредственной близости от испытуемого заземлителя 6, амперметр 7 — от вспомогательного токового электрода 9. Искомое сопротивление вычисляется по формуле

где R9 — сопротивление вспомогательного токового электрода; Rs и RB — сопротивления проводов; I j и /2 - токи соответственно через испытуемый заземлитель и через вспомогательный токовый электрод.
Недостатком описанного способа является невозможность полностью исключить влияние вспомогательного электрода на испытуемый заземлитель. Для повышения точности определения сопротивления заземлителя больших размеров можно использовать схему, показанную на рис. 11 (автор П. М. Григорян). В этой схеме электроды и заземлитель не располагаются на одной линии. Токовый электрод 2 должен быть расположен таким образом, чтобы расстояние от него до заземлителя 1 было равно расстоянию от последнего до потенциального электрода 3. После установки вспомогательных электродов и сборки схемы производят два измерения сопротивления, получая R i при переключателе в верхнем положении и значение R\ при переключателе 7 в нижнем положении. При указанном расположении электродов разность измеренных значений будет равна разности истинных значений. Истинное значение сопротивления токового электрода можно узнать непосредственным измерением, как в предыдущем случае. Если его значение равно /?2, то истинное значение сопротивления испытуемого заземлителя будет равно: R3R't -R\ + R7. Крупным недостатком описанного способа является необходимость измерения большого сопротивления вспомогательного токового электрода с точностью до третьего или четвертого знака, так как сопротивление испытуемого заземлителя, как правило, в 100 раз и более меньше сопротивления вспомогательного. Такая точность при современных методах и измерителях сопротивления заземления практически недостижима.

Рис. 11. Схема разностных измерений сопротивления заземления:
1 — заземлитель; 2 - токовый электрод; 3 - потенциальный электрод; 4 - источник тока; 5 — амперметр; 6 - вольтметр; 7 - переключатель
Кроме описанных известен также способ измерения сопротивления заземления, где штыревые электроды отсутствуют, а цепь измерительного тока содержит последовательный LC-контур (авторы О. А. Петров, Ю. В. Ситчихин, А. И. Сидоров). Способ иллюстрирует рис. 12. Между током 1 в цепи заземлителя и напряжением генератора U в общем случае существует сдвиг по фазе, который равен нулю, если контур LC настроен в резонанс. При такой настройке активное сопротивление в цепи заземлителя равно R +R0 = U/1 у где R — сопротивление заземлителя, — сопротивление остальной цепи измерительного тока. Напряжения на генераторе U и на дополнительном резисторе Ut преобразуются электронными устройствами, специально разработанными для этой цели. На выходе преобразователей регистрируется величина, значение которой пропорционально измеряемому сопротивлению заземлителя R. Регистрирующий прибор проградуирован в омах и может использоваться как измеритель сопротивления заземления.

Рис. 12. Схема измерений сопротивления заземления с использованием LC- контура:
1 - заземлитель; 2 — генератор; 3 - индуктивное сопротивление; 4 — дополнительный резистор; 5 — пластина
Схемы измерения сопротивлений заземляющих устройств опор, объединенных грозозащитным тросом. В случае, если заземляющее устройство исследуемой опоры посредством грозозащитного троса соединено с заземлителями соседних опор, рассматриваемая измерительная установка имеет ряд особенностей: прежде всего, через заземлитель исследуемой опоры проходит часть измерительного тока, в то время как через вспомогательный токовый электрод — весь ток генератора. Объясняется это тем, что от заземлителя исследуемой опоры часть тока генератора отсасывается к соседним опорам, проходит через их заземлители и возвращается в генератор через вспомогательный токовый электрод. Удобно ввести величину, которая показывает, во сколько раз сила тока генератора

Рис. 13. Схема измерений сопротивления заземляющих устройств опор без отсоединения грозозащитного троса:
схема 1 - измерение R\\ схема 2 - измерение R2; схема 3 - измерение R3; 3 - заземлитель опоры; СЭ — сравнительный токовый электрод; ВТ — вспомогательный токовый электрод; IJJ и IJ2 - потенциальные электроды
больше силы тока в заземляющем устройстве испытуемой опоры, — "коэффициент отсоса" котс.

В СибНИИЭ разработан способ измерений, при использовании которого кроме общепринятой схемы измерения (рис. 13, схема /) используются две другие. Эти дополнительные схемы позволяют определить коэффициент отсоса.
На рис. 13 показано подключение измерителя, имеющего два токовых зажима генератора тока и два потенциальных зажима для измерения разности потенциалов. Электроды П1, П2, СЭ удалены от опоры соответственно на 10,20,30 м. Электрод ВТ расположен симметрично электродам П1 и П2 и удален от них та 30 м. Указанные расстояния приняты с учетом того, что заземлитель является сосредоточенным, для чего достаточно, чтобы размеры его по горизонтали не превышали 3 м. По схеме 1 измерение ведется общепринятым способом, при этом измеритель покажет сопротивление R i, равное отношению измеренной разности потенциалов к силе тока генератора.
Сопротивление растеканию, подлежащее измерению, будет равно:
(13)

где Д — поправка, которую нужно вводить. Коэффициент отсоса Лоте» как правило, имеет значение > 1, поэтому его необходимо измерять. Для этого служат схемы 2 и 3 на рис. 13. Электроды ВТ (токовый) и П1 (потенциальный) являются дополнительными электродами. По схеме 2 для измерения значения R2 ток пропускают через электроды СЭ и ВТ-, электрод ВТ в силу своего симметричного расположения относительно электродов Til и ТТ2 создает на этих электродах одинаковые потенциалы, и эти потенциалы можно не учитывать при измерении.

Рис. 15. Расположение электродов относительно опоры
По схеме 3 для измерения R3 ток пропускают через заземлитель опоры и электрод ВТ, а напряжение измеряется на электродах П1 и П2.
Разделив значение R2 на R3, находят коэффициент отсоса:
(14)
Поправка Д определяется по формуле
(15)
Рис. 14. Схема переключателя к измерителю сопротивлений и электродам:
7 и б - опора; 2 — электрод СЭ ; 3 — электрод ВТ; 4 — электрод П1; 5 — электрод П2

Процесс измерений значительно упрощается, если между измерительным прибором и измерительными электродами установить переключатель, принципиальная схема которого показана на рис. 14. Положения переключателя соответствуют измерениям Ri, R2 и R3. Переключатель имеет четыре зажима для присоединения к прибору: /,, Е1г Ег, и шесть зажимов для присоединения к электродам и заземлителю опоры. В схеме переключателя предусмотрена возможность контроля сопротивления токовой и потенциальной цепей. Время измерений также сокращается, если провода, соединяющие прибор с электродами, имеют установленную длину и намотаны на катушках, расположенных так, как показано на рис. 15.
По этому методу был выполнен большой объем сравнительных измерений, когда грозозащитный трос мог быть отсоединен от опоры. Статистическая обработка результатов измерений показала, что наибольшее значение погрешности, обусловленной двумя дополнительными измерениями, составляет 25%. Практика показывает, что при больших отсосах измерительного тока сопротивление R$, измеренное по схеме 3 рис. 13, близко к 0,01 Ом. При использовании прибора М-416 требуется усилительная приставка. Измерителем Ф-4103 сопротивление R$ может быть измерено непосредственно.
Способ измерения сопротивлений заземляющих устройств без отсоединения грозозащитного троса, схемы которого рассмотрены, может применяться и при портальных опорах.
В ряде энергосистем для измерения сопротивлений заземляющих устройств железобетонных опор без отсоединения троса применяют расчетный метод: учитывают диаметр и длину заглубленной части опоры. При этом удельное сопротивление грунта измеряют вблизи опоры с помощью пробного электрода.
Способ СибНИИЭ может иметь более широкое распространение, так как позволяет проводить измерения не только на железобетонных, но и на металлических опорах. Существенным преимуществом этого способа является использование измерителей сопротивлений М-416, Ф-4103 и МС-08.
Эти же приборы могут быть применены для измерений по способу АзНИИЭ. Для определения сопротивления заземляющего устройства достаточно измерить сопротивление всей заземляющей системы трос — опоры у трех последовательно расположенных опор.
Искомым является сопротивление заземления средней опоры с истинным (без троса) значением сопротивления заземляющего устройства RK. Если обозначить сопротивление троса в пролете между опорами RTp. то в результате преобразований довольно сложных выражений получают квадратное уравнение для RK:

(16)
которое можно решать, например, с помощью микрокалькулятора.
Этот способ предъявляет достаточно высокие требования к точности измерительных приборов, так как сопротивления системы трос — опоры для рядом стоящих опор близки по значению: