Способ прогнозирования электрических характеристик заземляющей системы

 

Использование: при проектировании энергосистем и средств связи и в электроразведке . Сущность изобретения: электрические характеристики заземляющей системы определяют априорно на основе 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 эле.ктрода, равновеликого площади контура заземляющей системы, а также отношения размера заземляющей системы к толщине скин-слоя на ее рабочей частоте, На основе кривой вертикального электрического зондирования , интерполированной в области бесконечно больших разносов на основе полученного эффективного сопротивления, рассчитываются значения кажущегося сопротивления для двухполюсной установки, а по ним электрические характеристики заземляющей системы. 1 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 V 3/08

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4737153/25

"(22) 19.07.89 . (46) 30.03.93. Бюл. th 12 (71) Ленинградский государственный университет (72) А. В;Яковлев . (56) Алексеев Е.П. и др, Применение элект. рораэведки при выборе участков для заземляющих устройств в сложных геоэлектрических условиях-,Сб, Заземления

8. районах с высоким удельным сопротивлением.грунта. Апатиты, 1981, с.21, Меньшов Б.Г. идр, 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 электроразведке. Сущность изобретения: электрические характеристики заземляющей системы определяют априорно на основе

Изобретение относится к способам прогнозирования,т.е. априорного определения на этапе предпроектных изысканий электрических характеристик (соп ротивления заземления и распределения токов стекания с электродов) многоэлектродных систем на переменном токе и может найти применение в геологоразведке (например, в электромагнитных зондированиях с

МГд-генератором), а также при проектировании энергосистем и средств связи.

Целью изобретения является повышение производительности труда и снижение затрат при прогнозировании систем на переменном токе, Ы 1805428 А1 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 полученного эффективного сопротивления, рассчитываются значения кажущегося сопротивления для двухполюсной установки, а по ним элэктрические характеристики заземляющей системы. 1 ил.

С

На чертеже изображена схема установки для реализации способа: положение кон- - тура 1 и электродов 2 проектируемой Э заземляющей системы, контур 3 равновели- 00 кого дискового заземлителя, измеритель 4 кажущегося удельного сопротивления земли, измеритель 5 напряженности естественного электромагнитного поля, магнитная антенна 6, переключатели 7 и 8, AB u MN— соответственно питающая AB и приемная

MN линии установки вертикального электрического зондирования с центром Q; длина

L, диаметр d и глубина t заложения электродов, их эффективный радиус to, наибольшая диагональ контура заземляющей системы, 1805428

О. радиус дискового заземлителя гэф, равновеликого площади ее контура, разнос!= AB питающей линии в методе ВЗЗ.

Сущность способа заключается в учете влияния на электрические характеристики заземляющей системы глубинных слоев земли при ограниченных разносах питающей линии вертикального электрического зондирования путем определения эффективного удельного сопротивления по вели- 10 чинам компонент естествен ного электромагнитного поля, а также в непосредственном использовании результатов измерений, трансформированных в значения кажущегося удельного сопротивления для двухполюсной установки на заданной частоте.

Известно, что в сетях переменного тока целесообразно использование эаземлителей, характерные размеры которых не пре- 20 вышают 1/3-1 эффективной толщины скин-слоя в земле. поскольку при больших размерах наблюдается практически пропорциональное им возрастание сопротивления потерь. Такие заземлители при расчете сопротивления растеканию можно считать эквипотенциальными, а их характеристики в случае однородного полупространства — частотно-независимыми, Для определения величины сопротивления за- 30 земления R и закона распределения тока стекания (токовых коэффициентов) с электродов эквипотенциального заземлителя, содержащЕго п электродов, необходимо решить систему (и+1) уравнений: 35

t1, (3) г-! где г= г =, Х ак=.1

k=1

Из (1) — (4) видно, что для прогнозирования характеристик заземляющей системы необходимы измеренияр (!) при изменении ! от ro до lmax - оо. Неопределенность!и ах является основной трудностью реализации способов прогнозирования электрических характеристик заземляющих систем. Расче45 ты электрического поля точечного источника тока. и сопротивления растеканию различных заземлителей над слоистыми средами показали следующее. Значения р< на постоянном и переменном токе при

50 малых разносах установки совпадают. С увеличением разноса р< на переменном то. ке стремятся, осциллируя с затуханием, к асимптоме, соответствующей эффективному удельному сопротивлению среды р-, ко55 торое получается над данным разрезом в . дальней зоне источника и определяется по величине поверхностного импеданса среды, Ограниченность и практическое постоянство значений р, даже для бесконечно большого удельного сопротивления основаф .g ак йи=й — -1 г ," Ck Re= R

k=1

° ° ° . ° ° ° ° ° ° и ак Rkm=- R =1

° ° ° ° ° ° ° Ф

t7 а Rkm— = R

k=1 где k = 1,2...„m,...n — порядковый номер электрода, а — отношение тока, стекающего с электрода К к суммарномутоку заземлителя (токовый коэффициент); Rkm — взаимное сопротивление электродов k и m; если k = m. то Rk = Rkk — собственное сопротивление электрода, . 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 Lk значения Rkm u Rkk определяются выражениями: у — расстояние между электродами k и m; rg — эффективный радиус электоода для заглубленного электрода, ro = 1б1, х,2 — переменные интегрирования.

Кажущееся сопротивление среды p(r) для двухполюсной становки с разносом r связано с кажущимся сопротивлением рк(1) установки вертикального электрического зондирования с разносом! соотношением: р„(г) = г,(„ -- - б1. (4) 2

Причем в случае переменного тока под p (r) и p<(l) понимаются синфазные с током компоненты их. ге ри (r) и re (l).

1805428 ния разреза при !- х отражает конечную величину эффективной глубины проникновения электромагнитного поля и позволяет оценить требуемое значение I»x. Последнее зависит от параметров геоэлектрического разреза, частоты, размеров и конструкции заземляющей системы. Теоретическая оценка lm» 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,(r) двухполюсной установки с разносом, не превышающим, как правило 0,6г ь, Поэтому величина Imax определена из условия, обеспечивающего практическое (с точностью не ху>ке 5%) совпадение значений р (г) для г 0,6г,ь, рассчитанный непосредственно по формуле (4) и в результате интерполяции значений р< на промежутке р —:р при !> !max(р»х — значение р< при !=!»х). Указанная оценка выполнена также с учетом того, что на практике вертикальное электрическое зондирование вы полняется, как правило, на постоянном токе, 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 f амплитудные или амплитудно-фазовые измерения взаимно-ортогональных горизонтальных электрической (Ez) 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 определяют по величине напряжения на выходе приемной линии

MN. которая может располагаться как в одном, так и в нескольких пунктах участка.

Компоненту На измеряют либо непосредственно по величине напряжения на выходе магнитной антенны, либо определяют по измеренной величине вертикальной электрической компоненты Е . По результатам измерений рассчитывают величины

fpl или ге р и эффективную толщину скинслоя д,ф в соответствии с известными

5 формулами: Я Ег

Ег 1о геР— Хз!п2р (Н ) "0 " ®

Дзф =500 !"- где p — фазовый сдвиг между Ег и Нц.

Измерения р!< методом вертикального электрического 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 MN, При измерении на переменном токе принимают меры, исключающие взаимные емкостные и индуктивные влияния между питающей и приемной линиями.

Измерения р< методом ВЭЗ начинают при разносе питающей линии, не меньшем эффективного радиуса электродов заземля30 ющей системы ro, первоначальный максимальный разнос пита1ощей линии ограничивается радиусом дискового электрода, равновеликого площади контура заземляloùåé системы ag и составляет

35 (0,6-1)г ф, По соотношению между эффек. тивным сопротивлением р, под которым понимается его модуль или реальная часть, и значениями р, полученными при наибольших первоначальных разносах питаю40 щей линии (р1) и с учетом размеров контура заземляющей системы устанавливают максимальный разнос установки Imax.

В случае плохопроводящего основания (P p1 ) и ни .тожно малых размеров зазем45 ляющей систем!я в сравнении с эффективной толщиной скин-слоя, таких, что удовлетворяется неравенство:

A 0.07 д,ф -/In + ° (8), эф Р Р1

50 справедливы законы постоянного тока и максимальный разнос определяется соотношением: !

»х 32гэф!и — (9)

Р1

55 При размерах заземляющей системы, соот- ветствующих неравенству: разнос определяют по формуле:

1805428 ф р1 Iп, (11) л

Ф Ф

lmax — 0 84

Если радиус гаф превышает глубину залегания основания и приближается к эффективной толщине скин-слоя: о ф., (г "Р1 то максимальный разнос не зависит от размеров заземляющей системы и определяется величиной даф:

Imaõ 0,7 даф — .

Р (13)

В случае хорошо проводящего основания (p «рь) и малых, размеров заземляющей системы:

r,ô 0,16 д,ф/(1- -).

Р1 максимальный разнос не зависит от частотных параметров разреза и соответствует неравенствуву .

Ьпах 5гэф(1 — ) (15)

Р1 а при больших ее размерах: гэф 0,16 д эф/(1- — ) (16)

Р1 определяется эффективной толщиной скинслоя:

1 ах=— 0,8д эф. (17)

После определения lm» продолжают . при необходимости измерения р1, методом

ВЭЗ до установленного разноса питающей линии. Затем интерполируют значенияр в интервале pmaz - p. Практически эта операция сводится к соединению прямыми точек на логэрифмическом бланке с координатами p max Imax. p .1а. причем

Iа=07дэф nP P> P1

1а = 4lmax пРи P < P1 (18)

По полученной зависимости p< (I) рассчитывают кажущееся удельное сопротивление для двухслойной установки рн(г) с использованием формулы (4), которая при конечном числе интервалов интегрирования выражается суммой:

4 . =1 (14) р + 1 — p 1;+1 p„„.

l i+1 li li la (19) где j = 1,2,3,..., i = 1, p; p — число элементарных интервалов, на которые разбивается промежуток г: 1а; p, I — значения р, и 1 для интервала i.

После определения р (г) рассчитывают собственные и взаимные сопротивления электродов проектируемой заземляющей системы, например по формулам (2), (3), а затем

5 путем решения уравнения (1) — ее электрические характеристики: сопротивление растеканию R и токовые коэффициенты а .

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с базовым объ10 ектом, характеризующим уровень техники и совпадающим в данном сйучае с выбранным прототипом, заключается в существенном снижении затрат труда, времени

:реализации способа, материалов, в расши15 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 свою очередь, приводит к значительному (в десятки раз) уменьшению затрат и увеличению производительности труда, либо позволяет с малыми затратами выявлять участки, в

25 принципе неприемлемые для реализации способа.

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 шийся тем, что, с целью повышения производительности труда и снижения затрат при прогнозировании систем на переменном токе, предварительно измеряют взаимно ор40 тогональные горизонтальные, электрическую и магнитную компоненты естественного электромагнитного поля на частоте f эксплуатации заземлителя, по измеренным величинам определяют эффек45 тивное р удельное сопротивление земли, измерение кажущегося р< 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 р1 на максимальном разносе и эффективного сопротивления р р1 а

55 также отношения радиуса дискового электрода гафф к эффектиивной толщине скин-слоя (д афф = 500 — - — .определяют величину

f максимального разноса вертикального

1805428

10! макс 0,7 эфф, а в случае проводящего основания и ри соотношении гзфф/

< 016

/д,аа(— ь- у- максимальный разнос опре1 Р1

ДЕЛЯЮТ ПО ФОРМУЛЕ 1макс — 5 Гэфф(1 — — ), а

Р1 гэы 0,16 пРи Г ) по фоРмУле (э с 0,8 зфф

Р1

«дэфф, продолжают зондирование до установленного разноса, определяют кажущееся сопротивление земли на частоте эксплуатации

15 заземлителя для двухполюсной установки в диапазоне изменения разноса от эффективного радиуса электрода заземляющей системы до максимальной диагонали контура, на основе которого осуществля1от расчет электрических характеристик заземляющей системы, электрического зондирования (мэкс, причем в случае плоха проводящего основания при гэ ьь 007 1 соотношении —, - » максир !и

Р1 мальный разнос определяют по формуле макс 3,2 гэфф(п —, при

Р1

0,07 1 < гэфф (07 1

1 по формуле 1макс «0.84 а при ЭарЭ > 0,7$ по формуле зфф

Составитель А.Яковлев

Техред М.Моргентал Корректор M.Ñàìáîðñêàÿ

Редактор

Заказ 941 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул.Гагарина, 101