Novinky z elektrotechniky: Energetika a elektrotechnika – 2002: práce i oslava

Pro různé půdy se r mění ve velmi širokém rozmezí – od tisícin ohmmetru pro nativní kovy až po mnoho miliard ohmmetrů pro izolanty, jako je slída, křemen a živce.
Půdy se dělí na elektronické vodiče, nebo, jak se běžně říká, vodiče prvního druhu, ve kterých jsou náboje přenášeny volnými elektrony, a iontové vodiče nebo vodiče druhého druhu, ve kterých jsou elektrické náboje přenášeny ionty umístěnými v roztocích vyplňujících póry a praskliny půdy . Do první skupiny půd patří malé množství hornin – např. původní kovy, sulfidy, grafit, antracit. Druhá zahrnuje všechny ostatní horniny, se kterými je obvykle nutné nakládat při inženýrsko-geologických průzkumech, včetně předprojektových měření rezistivity zemin v místě navrhované stavby zemnicího zařízení. Je však třeba mít na paměti, že ve skutečných horninách jsou vždy oba typy vodivosti, ale podle toho, který z nich dominuje, jsou horniny zařazeny do jedné nebo druhé skupiny.
Rezistivita zemin klesá asi o 10 % se zvýšením teploty o 2C. Tento vzorec však platí pouze v teplotním rozsahu nad bodem tuhnutí roztoku. Při teplotách pod bodem mrazu roztoku se odpor půdy mnohonásobně zvyšuje. Totéž se stane, když vrchní vrstvy půdy vyschnou.

Homogenní a heterogenní půda
Studium elektrického pole a charakteristik zemnících elektrod bylo od samého počátku rozvoje jejich teorie řazeno mezi velmi složité problémy v elektrotechnice. Takoví jsou dnes. Potíže jsou zhoršeny skutečností, že elektrická struktura horních vrstev země, ve kterých jsou umístěny zemnící elektrody, má výrazně heterogenní elektrický odpor, který se mění v čase (sezónně). Míra její heterogenity závisí na mnoha faktorech: typu půdy, matečných a geologických horninách, kolísání hladiny podzemní vody, množství srážek, teplotě a vlhkosti, charakteru vegetace, ekonomické činnosti člověka a řadě dalších.
Důležitou abstrakcí, která značně zjednodušila analytické studium elektrického pole zemních elektrod a jeho fyzikální modelování v galvanických lázních, bylo zobrazení země ve formě homogenního vodivého poloprostoru (tzv. homogenní země). Zkušenosti s konstrukcí zemnících elektrod však ukázaly, že v naprosté většině případů se jejich charakteristiky, a především odolnost proti šíření, zjištěná výpočtem za předpokladu, že je zemina homogenní, neshodují se skutečnými hodnotami. Odchylky od hodnot požadovaných normami dosahovaly velmi často stovek procent.
Analýza důvodů, které způsobily významné nesrovnalosti mezi vypočtenými a skutečnými hodnotami charakteristik uzemňovacích zařízení, ukázala, že hlavním zdrojem chyb bylo nedostatečné zohlednění skutečné heterogenity elektrického odporu půdy. Pro odstranění takových chyb je dnes u nás i v zahraničí stanoven určitý postup pro návrh, konstrukci a provozní řízení zemnících zařízení. Před zahájením projektových prací na území budoucí elektroinstalace se pomocí speciálních metod stanovuje odpor půdy, tzn. provádět tzv. předprojektové průzkumy. Teprve na jejich základě se provádí návrh a konstrukce uzemňovacích zařízení.
Na studie před návrhem a jejich výsledky jsou kladeny tři hlavní požadavky:
množství informací o parametrech elektrické struktury země by mělo být dostatečné pro návrh a následnou konstrukci racionálních uzemňovacích zařízení;
výzkumné metody by měly být co nejjednodušší;
Přesnost získaných údajů by měla být co nejvyšší.
Ze všech známých metod předprojektových průzkumů se v praxi používají pouze dvě: pomocí tzv. zkušební elektrody a v geologické praxi rozšířená metoda VES země, jejíž princip je podrobně popsán v učebnici pro studenti geofyzikálního oboru [2].

Metoda zkušební elektrody
Metoda zkušební elektrody byla navržena a rozšířena již na počátku 20. let, tzn. o 30–40 let dříve než metoda VES. Podstata metody zkušební elektrody je extrémně jednoduchá. Na území určeném pro stavbu uzemňovacího zařízení se obvykle do země pokládají jednotlivé svislé nebo vodorovné zemnící vodiče (zkouška), zpravidla stejné délky jako budoucí zemnící vodič. Poté se známými metodami změří odpor proti šíření zkušební elektrody a z naměřené hodnoty odporu proti šíření pomocí známých vzorců se určí elektrický odpor země. To je to, co se používá jako základ pro výpočet malého uzemňovacího zařízení.
Tato metoda se nyní používá pouze v extrémních případech při konstrukci zemnících zařízení pro elektrické instalace s napětím do 1 kV s různými neutrálními uzemňovacími systémy a nad 1 kV s izolovaným neutrálem, zejména když je známo, že měrný odpor povrchové vrstvy země je nízká.

metoda VES
Metoda VES byla navržena a rychle se rozšířila na počátku 20. let pro geofyzikální účely. Praktická hodnota metody VES spočívá v tom, že prováděním výzkumu na zemském povrchu je možné získat (s využitím teorie pole) hloubkové chování elektrického odporu studované zemské hmoty. V praxi výzkumu při navrhování uzemňovacích zařízení se však v té době ještě neuplatňovalo kvůli tehdy převládajícímu názoru v teorii uzemňovacích zařízení, že elektrická struktura země je homogenní. Práce autora tohoto článku byla poprvé věnována výpočtu zemnících vodičů v heterogenních půdách [3]. Byl to počátek měření měrného odporu horních vrstev zeminy ve vztahu k výpočtu a návrhu zemnících zařízení metodou vertikálního elektrického sondování země.
Fyzikální podstata vertikálního elektrického snímání sestává z následujícího. Stabilizovaný elektrický proud I je do země přiváděn pomocí dvou bodových zemnících elektrod (napájecí elektrody A a B, častěji nazývané proudové elektrody) z elektrického měřicího generátoru, jehož hodnota leží v rozsahu od 1 do 200 mA. V teorii geoelektrických výzkumných metod je dokázáno, že za bodovou elektrodu lze považovat uzemňovací elektrodu libovolné konfigurace, vycházející ze vzdáleností přibližně 5x větších, než je délka její zakopané části. Stejná situace platí pro systémy několika elektrod. Takový systém, bez ohledu na to, jak složitá je jeho konfigurace, bude ekvivalentní bodovému uzemňovacímu zařízení, pokud budou pozorování prováděna v bodech vzdálených od středu systému ve vzdálenosti přesahující 5násobek vzdálenosti mezi dvěma nejvzdálenějšími elektrodami systému. Elektrický proud, procházející půdou od jedné elektrody ke druhé, dosahuje velkých hloubek. Blíže k elektrodám a obecně k povrchu země je proudová hustota větší a s hloubkou klesá a ve velmi velkých hloubkách se prakticky rovná nule.
Protože půda má měrný odpor, dochází k poklesu napětí ve všech oblastech. Umístíte-li na zemský povrch dvě přijímací (potenciální) elektrody M a N s proudovými elektrodami, vznikne mezi nimi rozdíl elektrického potenciálu DU, který je vztažen k hodnotě napájecího proudu vzorcem známým z učebnice [2]:

kde r je měrný odpor půdy umístěné v zařízení AMNB;
K je koeficient závislý na vzájemné poloze proudových a potenciálních elektrod.
Všimněte si, že vzorec v této podobě platí pouze pro homogenní půdu. Pokud je půda heterogenní, pak lze hovořit pouze o zdánlivém a v některých případech dokonce o ekvivalentním odporu půdy. Ekvivalentní měrný odpor zeminy s heterogenní strukturou je měrný elektrický odpor zeminy s homogenní strukturou, ve které má odpor zemnícího zařízení stejnou hodnotu jako v zemině s heterogenní strukturou.

Zařízení pro metodu VES

Instalace Burgsdorf
Jsou známá různá zařízení, obvody a instalace pro vertikální elektrické sondování země, určené k měření odporu půdy. Nejpoužívanější pro předprojektové průzkumy v elektroenergetice je tzv. Burgsdorfova instalace.

Skládá se (obr. 1) ze stabilizovaného generátoru elektrického proudu např. ze stavebnice IKS-1 nebo IKS-50, mikrovoltmetru s děličem napětí a obvodu pro nahrazení měřeného signálu vlastním signálem, např. ze stavebnice IKS-1 nebo IKS-50, dvě potenciální elektrody M a N a dvě proudové elektrody A a B, které musí být před sondováním ponořeny do země. Elektroda A musí být ve stejné vzdálenosti od elektrod M a N, aby potenciálový rozdíl, který indukovala na potenciálních elektrodách M a N, byl nulový. Kromě toho by mezi elektrodami A a M, stejně jako A a N v zemi, neměly být žádné místní povrchové vměstky s elektrickým odporem odlišným od elektrického odporu země, což může způsobit rozdíl potenciálu mezi potenciálními elektrodami od nula, což povede k chybě vertikálního elektrického ozvučení země. Nevýhodou uvažované instalace v Burgsdorfu je chyba, někdy značná, ke které dochází při vertikálním elektrickém sondování země v místech s lokálními povrchovými inkluzemi s elektrickými odpory výrazně odlišnými od elektrického odporu sondované země.

Instalace, která zvyšuje přesnost geodetické práce VES
Autor tohoto článku si dal za úkol zvýšit přesnost vertikálního elektrického sondování země za přítomnosti výše uvedených nehomogenních vměstků v horní vrstvě půdy. V důsledku použití navrhovaného zařízení se přesnost VES země prudce zvyšuje.
Výše uvedeného technického výsledku je dosaženo tím, že v instalaci Burgsdorf plní funkci proudové elektrody A potenciálové elektrody M a N, které současně pokračují v plnění vlastní funkce potenciálních elektrod (obr. 2). Proud do těchto potenciálních elektrod je přiváděn z generátoru přes dva odpory stejného odporu.

Jeden z těchto odporů je připojen na jednom konci k elektrodě M a na druhém konci k jednomu z pólů generátoru stabilizovaného elektrického proudu. Druhý rezistor je jedním koncem připojen k elektrodě N a druhým koncem ke stejnému pólu generátoru stabilizovaného elektrického proudu, ke kterému je připojen první rezistor.
Odpor R každého rezistoru musí splňovat nerovnost:

K DU – potenciálový rozdíl mezi elektrodami M a N;
MN – vzdálenost mezi elektrodami M a N;
NB – vzdálenost mezi elektrodami N a B.
Výše uvedený vzorec je odvozen ze závislosti c na I a DU diskutované výše a platí jak pro instalaci Burgsdorf, tak pro instalaci autora, protože vzájemná poloha elektrod v obou instalacích je nezměněna. Teoreticky jsou obě zařízení ekvivalentní, protože pro ně jsou výše uvedené koeficienty K absolutně stejné. Přesto byly ve VIESKh provedeny srovnávací testy obou instalací, které ukázaly vysokou přesnost měření odporu půdy pomocí autorské instalace. Bylo provedeno několik stovek měření a výsledky předčily všechna očekávání.

© JSC „Novinky z elektrotechniky“
Použití materiálů stránek je možné pouze s písemným souhlasem redakce
Při citování materiálů je vyžadován hypertextový odkaz na web s uvedením autora