Mikä on Maan vastus?

Mikä on maan vastus?

Maan vastuksen määritelmä

Maanjäristysjohde on metallinen salkku tai levä, joka on upotettu maaperään ja yhdistetty elektrisen järjestelmän maajohdintaan. Se tarjoaa vähävastuksen polun virhevirtauksille ja ukkosten syötteille päästä maahan. Se myös auttaa vakauttamaan järjestelmän jännitettä ja vähentämään sähkömagneettista häiriötä.

Maanjäristysjohtia valmistetaan usein materiaaleista kuten kupari, teräs tai rauta, jotka on valittu niiden johtavuuden ja korroosionkestävyyden vuoksi. Johteen koko, muoto, pituus ja syvyys riippuvat maaperän olosuhteista, virtasidonnaisuudesta ja maanjohtojärjestelmän tarkasta sovelluksesta.

Tekijät, jotka vaikuttavat maanjohtoon

Maan vastus perustuu pääasiassa maaperän vastuskykyyn maanjäristysjohden ja nollapotentialin (ääretön maa) välillä. Maaperän vastuskykyä vaikuttavat useat tekijät, kuten:

• Maaperän sähköjohtavuus, joka johtuu pääasiassa elektrolyysistä. Veden, suolan ja muiden kemiallisten komponenttien pitoisuus maaperässä määrää sen johtavuuden. Kostealla maaperällä, jossa on paljon suolaa, on pienempi vastuskuin kuivalla maaperällä, jossa on vähän suolaa.

• Maaperän kemiallinen koostumus, joka vaikuttaa sen pH-arvoon ja korroosioominaisuuksiin. Happaman tai alkaliarvoisen maaperän voi korroida maanjäristysjohtia ja lisätä sen vastusta.

• Maaperän hiukkassuurte, tasapaino ja pakkaus vaikuttavat sen porositeettiin ja kosteuden säilyttämislaajuuteen. Hienohiukkainen maaperä, jolla on tasainen jakautuminen ja tiivis pakkaus, on pienempää vastusta kuin karkea-hiukkainen maaperä, jolla on epäsäännöllinen jakautuminen ja löyhä pakkaus.

• Maaperän lämpötila, joka vaikuttaa sen termistä laajenemiseen ja jäätymispisteeseen. Korkeampi lämpötila voi lisätä maaperän johtavuutta lisäämällä sen ionien liikkuvuutta. Matalat lämpötilat voivat vähentää maaperän johtavuutta jäättämällä sen vesiin sisältyvän osuuden.

• Maan vastus perustuu myös maanjäristysjohden omalle vastukselle ja kontaktivastukselle maanjäristysjohden pinnan ja maaperän välillä. Nämä tekijät ovat kuitenkin yleensä huomattavasti pienempiä kuin maaperän vastuskyky.

Maan vastuksen mittaaminen

On olemassa useita menetelmiä maan vastuksen mittaamiseksi olemassa olevissa järjestelmissä. Jotkut yleisimmät menetelmät ovat:

Potentiaalin pudotusmenetelmä

Tätä menetelmää, jota myös kutsutaan kolme pisteen tai potentiaalin pudotusmenetelmäksi, tarvitaan kaksi testijohdetta (virtajohde ja potentiaalijohde) ja maan vastuksen mittari. Virtajohde asetetaan etäisyydelle maanjäristysjohteen syvyyttä vastaavalle. Potentiaalijohde asetetaan näiden välille, ulkopuolelle niiden vastusalueilta. Mittari tuottaa tunnettu virta virtajohde kautta ja mitataan jännite potentiaali- ja maanjäristysjohteen välillä. Maan vastus lasketaan sitten Ohmin laissa:

Jossa R on maan vastus, V on mitattu jännite ja I on tuotettu virta.

Tämä menetelmä on yksinkertainen ja tarkka, mutta se edellyttää kaikkien yhteyksien irrottamista maanjäristysjohteen ennen testausta.

Klemmamenetelmä

Tätä kutsutaan myös indusoituun frekvenssimenetelmäksi tai tyypillisesti "stakeless method". Se ei vaadi testijohdetta eikä mitään yhteyksien irrottamista maanjäristysjohteen. Sitä käytetään kahdella klemmalla, jotka asetetaan olemassa olevan maanjäristysjohteen ympärille. Yksi klemma tuottaa jännitteen maanjäristysjohteen ja toinen klemma mitataan virtaa, joka kulkee kautta. Maan vastus lasketaan sitten Ohmin laissa:

Jossa R on maan vastus, V on indusoitu jännite ja I on mitattu virta.

Tämä menetelmä on kätevä ja nopea, mutta se edellyttää paralleiliin maaverkon useita johtimia.

Liitetyn salkun menetelmä

Tämä menetelmä sisältää yhden testijohden (virtajohde) ja maan vastuksen mittarin. Virtajohde yhdistetään maanjäristysjohteen johtoa kautta. Mittari tuottaa tunnettu virta johtoa kautta ja mitataan jännite johtoa ja maanjäristysjohteen välillä. Maan vastus lasketaan sitten Ohmin laissa:

Jossa R on maan vastus, V on mitattu jännite ja I on tuotettu virta.

Tämä menetelmä ei vaadi mitään yhteyksien irrottamista maanjäristysjohteen, mutta se edellyttää hyvää yhteyttä johtoa ja virtajohteen välillä.

Tähti-deltamenetelmä

Tämä menetelmä käyttää kolmea testijohdetta (virtajohde) asetettuna tasasivuisessa kolmiossa olemassa olevan maanjäristysjohteen ympärille. Maan vastuksen mittari tuottaa tunnettu virta joka pari testijohdetta vuorotellen ja mitataan jännite joka pari testijohdetta vuorotellen. Maan vastus lasketaan Kirchhoffin lakeilla:

Jossa R on maan vastus, V_AB, V_BC, V_CA ovat mitatut jännitteet joka pari testijohdetta, ja I on tuotettu virta.

Tämä menetelmä ei vaadi mitään yhteyksien irrottamista maanjäristysjohteen, mutta se edellyttää useamman testijohden kuin muut menetelmät.

Kuoliiksi maan menetelmä

Tämä menetelmä käyttää kaksi testijohdetta (virtajohde) yhdistetty sarjassa maan vastuksen mittarin kanssa. Yksi testijohde asetetaan lähelle olemassa olevaa maanjäristysjohtea, ja toinen testijohde asetetaan kaukana siitä. Mittari tuottaa tunnettu virta molemmista testijohtimista maahan ja mitataan jännite niiden välillä. Maan vastus lasketaan sitten Ohmin laissa:

Jossa R on maan vastus, V on mitattu jännite ja I on tuotettu virta.

Tämä menetelmä ei vaadi mitään yhteyksien irrottamista olemassa olevaan maanjäristysjohteen, mutta se edellyttää erittäin pitkää johtoa molempien testijohtien välillä.

Kaltevuusmenetelmä

Tämä menetelmä käyttää yhden testijohden (potentiaalijohde) ja maan vastuksen mittarin. Potentiaalijohde siirretään suoraan viivaan pois olemassa olevasta maanjäristysjohtesta säännöllisin väliajoin. Mittari tuottaa tunnettu virta olemassa olevan maanjäristysjohteen kautta maahan ja mitataan jännite sen ja potentiaalijohden välillä joka väli. Piirretään jänniten ja etäisyyden graafi ja jatketaan sitä jännite-akselin leikkauspisteeseen. Maan vastus lasketaan sitten Ohmin laissa:

Jossa R on maan vastus, V₀ on jännite-akselin leikkauspiste ja I on tuotettu virta.

Tämä menetelmä ei vaadi mitään yhteyksien irrottamista olemassa olevaan maanjäristysjohteen, mutta se edellyttää potentiaalijohden siirtämistä suoraan viivaan.

Maan vastuksen parantaminen

Maan vastusta voidaan parantaa vähentämällä maaperän vastuskykyä tai lisäämällä johtimen pinta-ala. Joitakin yleisiä tapoja parantaa maan vastusta ovat:

• Lisäämällä suolaa tai muita liukenneita aineita maanjäristysjohteen ympärille lisätäksesi maaperän johtavuutta elektrolyysin avulla.

• Lisäämällä puupuutavia tai muita kosteudenpidättäviä aineita maanjäristysjohteen ympärille pitääksesi maaperän kosteena koko vuoden.

• Käyttämällä useita johtimia yhdistettyinä rinnakkaan lisätäksesi kokonaismäärää pinta-alaa, joka on yhteydessä maaperään.

• Käyttämällä pidempiä tai syvempää johtimia saadaksesi alemman maaperän kerroksen, jolla on pienempi vastuskyky.

• Käyttämällä johtimia, joilla on suurempi poikkileikkaus-ala tai tyhjiä muotoja vähentääksesi johtimen vastusta.

• Käyttämällä johtimia, joilla on erityiset peitetyt tai allianssit, estääksesi korroosion ja lisätäksesi yhteyshintaa.

Suositellaan, että maan vastus mitataan säännöllisesti (vuosittain tai puolivuosittain) ja tehdään tarvittavat toimet, jos se ylittää halutun arvon sovellukselle.

Yhteenveto

Maan vastus on tärkeä parametri maanjohtojärjestelmien suunnittelussa ja ylläpidossa. Se perustuu useisiin tekijöihin, kuten maaperän vastuskyky, johtimen koko, muoto, syvyys, materiaali jne. On olemassa useita menetelmiä sen mittaamiseksi olemassa olevissa järjestelmissä, kuten potentiaalin pudotusmenetelmä, klemmamenetelmä, liitetyn salkun menetelmä, tähti-deltamenetelmä, kuoliiksi maan menetelmä ja kaltevuusmenetelmä. 

Maan vastusta voidaan parantaa lisäämällä suolaa, puupuutavia tai muita aineita maanjäristysjohteen ympärille, käyttämällä useita johtimia, käyttämällä pidempiä tai syvempää johtimia, käyttämällä suurempia tai tyhjiä johtimia tai käyttämällä erityisiä peitteitä tai alliansseja johtimille. Maan vastus tulisi mitata säännöllisesti ja pitää hyväksyttävissä rajoissa turvallisuuden ja suorituskyvyn vuoksi.