11.7. Импульсные сопротивления заземлителей

Импульсное сопротивление заземлителя R_и при протекании импульсного тока I_и и сопротивление растеканию промышленной частоты R_ связаны соотношением:

R_и = _и R_ /(_иn) , (10)

где _и – импульсный коэффициент заземлителя;

R_ – сопротивление заземления при протекании тока промышленной частоты;

_и – импульсный коэффициент использования заземлителей;

n – число вертикальных заземлителей.

Особенностями тока молнии являются его большая амплитуда и кратковременность, которые оказывают влияние на величину импульсного коэффициента.

При стекании с заземлителя тока плотностью  в грунте возникает электрическое поле напряженностью Е_и =  _и (рис. 10), где _и – удельное сопротивление грунта при стекании импульсного тока. С увеличением  возрастает и напряженность поля Е_и. Установлено, что с ростом напряженности поля удельное сопротивление грунтов плавно падает, как это схематически показано на рис. 11. Этот эффект связан с явлением нелинейной проводимости, свойственным всем полупроводникам, в том числе и грунтам. При дальнейшем возрастании плотности стекающего с заземлителя тока напряженность электрического поля вблизи заземлителя достигает пробивной напряженности грунта Е_пр ≈ 10…12 кВ/см. Искрообразование приводит к резкому снижению падения напряжения вблизи заземлителя, что эквивалентно резкому падению _и. В расчетах заземлителей обычно пренебрегают падением напряжения в зоне искрового разряда, т.е. считают в искровой зоне _и = 0. Однако в действительности градиенты в искровой зоне достигают при пробое 1,2…1,4 кВ/см. При больших токах эти градиенты снижаются. Учитывать падение напряжения в искровой зоне следует при изучении передачи потенциала при разрядах в земле.

При дальнейшем повышении напряжения и с течением времени искровой разряд переходит в дуговой с очень малыми градиентами в дуговой зоне. Так как градиенты в грунте снижаются от максимальных вблизи электрода до исчезающе малых вдали от ввода тока, то при больших импульсах тока вблизи заземлителя возникают все указанные зоны: полупроводниковая, искровая и дуговая (рис. 10).

Рис. 10. Характер процессов в грунте при прохождении через заземлитель больших импульсных токов

Снижение _и с ростом градиентов служит причиной снижения импульсного коэффициента заземлителя а_и. При заданном импульсном токе напряженность электрического поля в грунте Е_и =  _и растет с ростом его удельного сопротивления. Поэтому импульсный коэффициент заземлителя а_и ниже в плохо проводящих грунтах. Чем меньше линейные размеры заземлителя, тем при заданном токе больше плотность стекающего тока . Поэтому импульсный коэффициент а_и снижается с уменьшением размера сосредоточенного заземлителя. Импульсный коэффициент снижается также при возрастании тока. Однако очевидно, что напряжение на заземлителе U = IR_и все же растет с ростом , R_ и I, хотя кривая этого роста резко нелинейна.

Рис. 11. Снижение удельного сопротивления грунта в зависимости от напряженности электрического поля

Падение _и вследствие искрообразования в грунте эквивалентно увеличению размеров заземлителя. Соответственно происходит как бы относительное сближение индивидуальных заземлителей в составной конструкции и снижение ее коэффициента использования. В импульсном режиме коэффициент использования составного заземлителя обозначается через _и. Усредненные значения _и и _n для типовых конструкций приведены в табл. 1. Сопротивление составного заземлителя в импульсном режиме определяется по формуле:

, (11)

где – сумма импульсных проводимостей индивидуальных вертикальных и горизонтальных заземлителей.

Импульсное искрообразование в грунте происходит с довольно большим запаздыванием. Вследствие этого импульсные коэффициенты заземлителей оказываются зависимыми от времени. Обычно импульсные коэффициенты определяются для времен порядка 3…6 мкс, когда искровые процессы уже успевают полностью установиться. При малых же временах (t < 1…2 мкс) импульсный коэффициент а_и приближается к 1. Вольтамперная характеристика дуги имеет петлевой характер. По мере роста тока на фронте волны R_и резко снижается. Минимум R_и примерно совпадает с максимумом тока (при пологом фронте волны). При спаде волны тока R_и незначительно возрастает.

Таблица 1 - Значения импульсных коэффициентов _и _и .

Заземлитель	и при удельном сопротивлении , Омм				и
	100	200	500	1000
Вертикальные стержни, соединенные полосой (расстояние между стержнями вдвое больше их длины): 2…4 стержня 8 стержней 15 стержней Две горизонтальные полосы длиной по 5 м, расходящиеся в противоположные стороны от точки присоединения токоотвода Три полосы длиной по 5 м, симметрично расходящиеся от точки присоединения токоотвода	0,5 0,7 0,8 0,65 0,7	0,45 0,55 0,7 0,55 0,6	0,3 0,4 0,55 0,45 0,5	– 0,3 0,4 0,4 0,45	0,75 0,75 0,75 1,0 0,75

Импульсный характер воздействия напряжения приводит к необходимости подразделять заземлители на сосредоточенные и протяженные. К первым принадлежат заземлители, протяженность которых достаточно мала, чтобы можно было считать потенциалы во всех точках заземлителя одинаковыми. Протяженными называют заземлители, вдоль которых необходимо учитывать волновой процесс распространения напряжения и тока. Обычно это заземлители горизонтального типа. Каждый из лучей такого заземлителя может быть представлен цепочечной схемой замещения длинной линии с удельной индуктивностью L_o и нелинейной проводимостью g_0и (рис. 12). В первые моменты приложения импульсной волны напряжение на дальних участках заземлителя мало. В эти моменты времени отвод тока с заземлителя осуществляется только на начальных его участках. Затем напряжение вдоль заземлителя выравнивается и весь заземлитель используется для отвода тока. Использование луча заземлителя в заданный момент времени может быть охарактеризовано отношением U_l /U₀, где U_l и U₀ – напряжения в конце и начале луча. Чем ближе U_l /U₀ к единице, тем лучше использование заземлителя. Заземлители, у которых U_l /U₀ << l, относятся к группе протяженных; заземлители с отношением U_l /U₀, близким к 1, – к группе сосредоточенных.

Рис. 12. Цепочечная схема замещения протяженного заземлителя

Так как отношение U_l /U₀ всегда растет с уменьшением длины луча заземлителя, то с точки зрения экономии металла выгоднее заземлитель выполнять трех- или четырехлучевым. При дальнейшем увеличении числа лучей снижается коэффициент использования заземлителя вследствие взаимного экранирования лучей, кроме того, осложняются земляные и монтажные работы. Длина лучей в заземлителе выбирается по условиям обеспечения необходимого R_и.

Как и сосредоточенные заземлители, протяженные заземлители характеризуются импульсным коэффициентом а_и, который по-прежнему падает с увеличением тока и удельного сопротивления почвы. Однако вследствие резкого спада напряжения вдоль протяженного заземлителя большой длины коэффициент а_и может оказаться больше единицы. Такое недоиспользование длины является характерной особенностью протяженного заземлителя. Следует иметь в виду, что коэффициенты а_и протяженных заземлителей уменьшаются со временем. Обычно а_и измеряются на амплитуде волны тока с фронтом t_фр = 3…4 мкс. Волны тока молнии могут иметь, однако, значительно более пологий фронт. При возрастании t_фp коэффициент а_и протяженного заземлителя будет снижаться. Кроме того, а_и снижается и на хвосте волны, в результате чего с ростом длины заземлителя будет снижаться и длина волны напряжения на заземлителе. По указанным причинам в плохо проводящих грунтах протяженные заземлители даже очень большой длины оказываются, как показал опыт, весьма эффективными.