Jakie jest oporność Ziemi?
Jaka jest oporność ziemi?
Definicja oporności ziemnej
Elektroda ziemna to metalowy pręt lub płyta zakopana w gruncie i połączona z terminalem ziemnym systemu elektrycznego. Zapewnia ona niską oporność ścieżki dla prądów uszkodzeniowych i przepięć spowodowanych uderzeniami piorunów. Pomaga również stabilizować napięcie systemu i zmniejsza interferencję elektromagnetyczną.
Elektrody ziemne mogą być wykonane z materiałów takich jak miedź, stal lub żelazo galwanizowane, wybranych ze względu na ich przewodność i odporność na korozję. Wielkość, kształt, długość i głębokość elektrody zależą od warunków gleby, klasy prądowej oraz specyfiki zastosowania systemu ziemnego.
Czynniki wpływające na oporność ziemną
Oporność ziemna zależy głównie od rezystywności gleby między elektrodą a punktem o potencjale zero (nieskończona ziemia). Rezystywność gleby jest wpływana przez wiele czynników, takich jak:
Przewodność elektryczna gleby, która jest głównie wynikiem elektrolizy. Stężenie wody, soli i innych składników chemicznych w glebie określa jej przewodność. Wilgotna gleba o wysokim stężeniu soli ma niższą rezystywność niż sucha gleba o niskim stężeniu soli.
Skład chemiczny gleby, który wpływa na jej wartość pH i właściwości korozji. Kwasowa lub zasadowa gleba może koroziować elektrody ziemne i zwiększać ich oporność.
Rozmiar, jednolitość i zagęszczenie cząstek glebowych wpływają na jej porowatość i zdolność do utrzymywania wilgoci. Gleba drobnoziarnista o jednolitym rozkładzie i zwartej strukturze ma niższą rezystywność niż gleba gruboziarnista o nierównomiernym rozkładzie i luźnej strukturze.
Temperatura gleby, która wpływa na jej termiczne rozszerzenie i punkt zamarzania. Wysoka temperatura może zwiększyć przewodność gleby poprzez zwiększenie ruchliwości jonów. Niskie temperatury mogą zmniejszyć przewodność gleby poprzez zamrażanie zawartej w niej wody.
Oporność ziemna zależy również od oporności samej elektrody i oporu kontaktowego między powierzchnią elektrody a gruntem. Jednak te czynniki są zwykle zaniedbywalne w porównaniu z rezystywnością gleby.
Pomiar oporności ziemnej
Istnieje wiele metod pomiaru oporności ziemnej w istniejących systemach. Niektóre z popularnych metod to:
Metoda spadku potencjału
Ta metoda, zwana również trzyelektrodową lub metodą spadku potencjału, wymaga dwóch elektrod testowych (prądowej i potencjalnej) oraz miernika oporności ziemnej. Elektroda prądowa jest umieszczona na odległości od elektrody ziemnej, odpowiadającej jej głębokości. Elektroda potencjalna jest umieszczona między nimi, poza obszarami oporności. Miernik wstrzykuje znany prąd przez elektrodę prądową i mierzy napięcie między elektrodą potencjalną a elektrodą ziemną. Oporność ziemna jest następnie obliczana za pomocą prawa Ohma:
Gdzie R to oporność ziemna, V to zmierzone napięcie, a I to wstrzyknięty prąd.
Ta metoda jest prosta i dokładna, ale wymaga odłączenia wszystkich połączeń z elektrodą ziemną przed pomiarem.
Metoda z klempkami
Ta metoda, znana również jako pomiar indukcyjny lub metoda bez elektrod, nie wymaga żadnych elektrod testowych ani odłączania połączeń z elektrodą ziemną. Używa dwóch klemp, które są umieszczane wokół istniejącej elektrody ziemnej. Jedna klempa indukuje napięcie do elektrody, a druga klempa mierzy prąd płynący przez nią. Oporność ziemna jest obliczana za pomocą prawa Ohma:
Gdzie R to oporność ziemna, V to indukowane napięcie, a I to zmierzony prąd.
Ta metoda jest wygodna i szybka, ale wymaga sieci ziemnej równoległej z wieloma elektrodami.
Metoda przyłączonego pręta
Ta metoda wymaga jednej elektrody testowej (prądowej) i miernika oporności ziemnej. Elektroda prądowa jest podłączona do elektrody ziemnej za pomocą przewodu. Miernik wstrzykuje znany prąd przez przewód i mierzy napięcie między przewodem a elektrodą ziemną. Oporność ziemna jest następnie obliczana za pomocą prawa Ohma:
Gdzie R to oporność ziemna, V to zmierzone napięcie, a I to wstrzyknięty prąd.
Ta metoda nie wymaga odłączania żadnych połączeń z elektrodą ziemną, ale wymaga dobrego kontaktu między przewodem a elektrodą prądową.
Metoda trójkątna
Ta metoda używa trzech elektrod testowych (prądowych) ustawionych w trójkąt równoboczny wokół istniejącej elektrody ziemnej. Miernik oporności ziemnej wstrzykuje znany prąd przez każdą parę elektrod testowych kolejno i mierzy napięcie między każdą parą elektrod testowych kolejno. Oporność ziemna jest obliczana za pomocą praw Kirchhoffa:
Gdzie R to oporność ziemna, VAB, VBC, VCA to zmierzone napięcia między każdą parą elektrod testowych, a I to wstrzyknięty prąd.
Ta metoda nie wymaga odłączania żadnych połączeń z elektrodą ziemną, ale wymaga większej liczby elektrod testowych niż inne metody.
Metoda martwej ziemi
Ta metoda używa dwóch elektrod testowych (prądowych) połączonych szeregowo z miernikiem oporności ziemnej. Jedna elektroda testowa jest włożona w pobliżu istniejącej elektrody ziemnej, a druga elektroda testowa jest włożona daleko od niej. Miernik wstrzykuje znany prąd przez obie elektrody testowe do gruntu i mierzy napięcie między nimi. Oporność ziemna jest obliczana za pomocą prawa Ohma:
Gdzie R to oporność ziemna, V to zmierzone napięcie, a I to wstrzyknięty prąd.
Ta metoda nie wymaga odłączania żadnych połączeń z istniejącą elektrodą ziemną, ale wymaga bardzo długiego przewodu między obiema elektrodami testowymi.
Metoda nachylenia
Ta metoda używa jednej elektrody testowej (potencjalnej) i miernika oporności ziemnej. Elektroda potencjalna jest przesuwana wzdłuż prostej linii oddalającej się od istniejącej elektrody ziemnej w regularnych odstępach. Miernik wstrzykuje znany prąd przez istniejącą elektrodę ziemną do gruntu i mierzy napięcie między nią a elektrodą potencjalną w każdym odstępie. Wykres napięcia w funkcji odległości jest sporządzany i ekstrapolowany, aby znaleźć przecięcie z osią napięcia. Oporność ziemna jest obliczana za pomocą prawa Ohma:
Gdzie R to oporność ziemna, V0 to przecięcie z osią napięcia, a I to wstrzyknięty prąd.
Ta metoda nie wymaga odłączania żadnych połączeń z istniejącą elektrodą ziemną, ale wymaga przesuwania elektrody potencjalnej wzdłuż prostej linii.
Poprawa oporności ziemnej
Oporność ziemna może zostać poprawiona poprzez zmniejszenie rezystywności gleby lub zwiększenie powierzchni elektrody. Niektóre z popularnych sposobów poprawy oporności ziemnej to:
Dodawanie soli lub innych rozpuszczalnych substancji wokół elektrody, aby zwiększyć przewodność gleby poprzez elektrolizę.
Dodawanie węgla drzewnego lub innych substancji zatrzymujących wilgoć wokół elektrody, aby utrzymać glebę wilgotną przez cały rok.
Używanie wielu elektrod połączonych równolegle, aby zwiększyć całkowitą powierzchnię stykającą się z glebą.
Używanie dłuższych lub głębszych elektrod, aby dotrzeć do niższych warstw gleby o niższej rezystywności.
Używanie elektrod o większych przekrojach lub pustych kształtach, aby zmniejszyć opór elektrody.
Używanie elektrod z specjalnymi powłokami lub stopami, aby zapobiec korozji i zwiększyć opór kontaktowy.
Zaleca się okresowe pomiary oporności ziemnej (rocznie lub co pół roku) i podejmowanie niezbędnych działań, jeśli przekracza ona pożądane wartości dla danego zastosowania.
Podsumowanie
Oporność ziemna jest ważnym parametrem przy projektowaniu i konserwacji systemów ziemnych. Zależy ona od wielu czynników, takich jak rezystywność gleby, rozmiar, kształt, głębokość i materiał elektrody itp. Istnieje wiele metod jej pomiaru w istniejących systemach, takich jak metoda spadku potencjału, metoda z klempkami, metoda przyłączonego pręta, metoda trójkątna, metoda martwej ziemi i metoda nachylenia.
Oporność ziemną można poprawić dodając sól, węgiel drzewny lub inne substancje wokół elektrod, używając wielu elektrod, używając dłuższych lub głębszych elektrod, używając większych lub pustych elektrod, lub używając specjalnych powłok lub stopów dla elektrod. Oporność ziemna powinna być okresowo mierzona i utrzymywana w akceptowalnych granicach ze względów bezpieczeństwa i efektywności.
