Maan vastus: Määritelmä tekijät ja mittausmenetelmät
Maan vastus määritellään maanjäristyksen tarjoamana vastustukseksi sähkövirtaan, joka virtaa maahan. Se tunnetaan myös nimellä maavastus tai maanjäristysvastus. Maan vastus on tärkeä parametri, kun suunnitellaan ja ylläpidetään maanjäristyssysteemejä, sillä se vaikuttaa sähköjärjestelmien turvallisuuteen ja toimintaan.
Mikä on maanjäristyselectrodi?
Maanjäristyselectrodi on metallipalkki tai -levy, joka on upotettu maaperään ja yhdistetty sähköjärjestelmän maajohdintaan. Se tarjoaa alhaisen vastuksen polun virhevirtauksille ja salamavyöryille, jotta ne voidaan levittää maahan. Se auttaa myös vakauttamaan järjestelmän jännitettä ja vähentämään sähkömagneettista häiriötä.
Maanjäristyselectrodi voi olla valmistettu kuparista, teräksestä, kromattuun teräksestä tai muista materiaaleista, joilla on hyvä johtavuus ja korrosiiviresistenssi. Maanjäristyselectrodin koko, muoto, pituus ja syvyys riippuvat maaperän olosuhteista, virtasäädöstä ja maanjäristyssysteemin sovelluksesta.
Mitä tekijöitä vaikuttaa maan vastukseen?
Maan vastus riippuu pääasiassa maaperän vastuksen arvosta electrodin ja nollapotentialin pisteen (ääretön maa) välillä. Maaperän vastuksen arvoon vaikuttavat useat tekijät, kuten:
Maaperän sähköjohtavuus, joka on pääasiassa electrolyysisen vuoksi. Veden, suolan ja muiden kemiallisten komponenttien pitoisuus maaperässä määrää sen johtavuuden. Kostealla maaperällä, jossa on paljon suolapitoisuuksia, on alempi vastus kuin kuivalle maaperälle, jossa on vähän suolapitoisuuksia.
Maaperän kemiallinen koostumus, joka vaikuttaa sen pH-arvoon ja korroosioominaisuuksiin. Hapan tai alkaliinen maaperä voi korroosoida maanjäristyselectrodeja ja lisätä niiden vastusta.
Maaperän partikkelien koko, yhtenäisyys ja pakkaus vaikuttavat sen porositteihin ja kosteuden säilyttämiselle. Tarkka-graininen maaperä, jolla on tasainen jakautuminen ja tiivis pakkaus, on pienempää vastusta kuin karkea-graininen maaperä, jolla on epäsäännöllinen jakautuminen ja löyhä pakkaus.
Maaperän lämpötila, joka vaikuttaa sen termisen laajenemisen ja jäätymispisteen. Korkea lämpötila voi lisätä maaperän johtavuutta lisäämällä ionien liikkuvuutta. Alhaiset lämpötilat voivat vähentää maaperän johtavuutta jääden sen vesisisältöä.
Maan vastus riippuu myös electrodin vastuksen ja kontaktivastuksen väliltä electrodin pinnan ja maaperän välillä. Nämä tekijät ovat kuitenkin yleensä merkityksettömiä verrattuna maaperän vastuksen arvoon.
Kuinka mitata maan vastus?
On olemassa erilaisia menetelmiä mitata maan vastus olemassa olevissa systeemeissä. Joitakin yleisiä menetelmiä ovat:
Potentiaalin pudotusmenetelmä
Tätä kutsutaan myös kolme pisteen menetelmäksi tai potentiaalin pudotusmenetelmäksi. Siihen tarvitaan kaksi testielectrodeja (virtaelectrodi ja potentiaalelectrodi) ja maan vastusmittari. Virtaelectrodi asetetaan olemassa olevan maanjäristyselectrodin etäisyydelle syvyydelle, joka on sama kuin sen syvyys. Potentiaalelectrodi asetetaan niiden välille sopivaan etäisyyteen, jolloin se on niiden vaikutusalueiden ulkopuolella (vastusalueet). Mittari tuottaa tunnetun sähkövirran virtaelectrodin kautta ja mittailee jännitettä potentiaalelectrodin ja olemassa olevan maanjäristyselectrodin välillä. Maan vastus lasketaan käyttäen Ohmin lakia:
Missä R on maan vastus, V on mittaustuloksena saatava jännite, ja I on tuotettu sähkövirta.
Tämä menetelmä on yksinkertainen ja tarkka, mutta vaatii kaikkien yhteyksien irrottamisen maanjäristyselectrodista ennen mittauksen suorittamista.
Pinnoitustesti
Tätä kutsutaan myös induktoidun taajuuden testiksi tai pinnoitustestiksi. Sitä ei tarvitse testielectrodeja tai yhteyksien irrottamista maanjäristyselectrodista. Se käyttää kahta pinnoitusta, jotka asetetaan olemassa olevan maanjäristyselectrodin ympärille. Yksi pinnoitus tuottaa jännitteen electrodille ja toinen pinnoitus mittailee virtaa, joka kulkee sen kautta. Maan vastus lasketaan käyttäen Ohmin lakia:
Missä R on maan vastus, V on induktoidun jännitteen, ja I on mittaustuloksena saatu sähkövirta.
Tämä menetelmä on kätevä ja nopea, mutta vaatii rinnakkaisen maaverkon useilla electrodilla.
Liitetyn palkin menetelmä
Tämä menetelmä käyttää yhtä testielectrodeja (virtaelectrodi) ja maan vastusmittaria. Virtaelectrodi kiinnitetään olemassa olevan maanjäristyselectrodin kanssa johtolla. Mittari tuottaa tunnetun sähkövirran johtoa kautta ja mittailee jännitettä johtoa ja olemassa olevan maanjäristyselectrodin välillä. Maan vastus lasketaan käyttäen Ohmin lakia:
Missä R on maan vastus, V on mittaustuloksena saatava jännite, ja I on tuotettu sähkövirta.
Tämä menetelmä ei vaadi yhteyksien irrottamista maanjäristyselectrodista, mutta vaatii hyvän yhteyden johtoon ja virtaelectrodin välillä.
Tähti-deltamenetelmä
Tämä menetelmä käyttää kolmea testielectrodeja (virtaelectrodit), jotka on järjestetty tasasivuisessa kolmiossa olemassa olevan maanjäristyselectrodin ympärille. Maan vastusmittari tuottaa tunnetun sähkövirran kunkin testielectrodin parin kautta vuorotellen ja mittailee jännitettä kunkin testielectrodin parin välillä vuorotellen. Maan vastus lasketaan käyttäen Kirchhoffin lakeja:
Missä R on maan vastus, VAB, VBC, VCA ovat mittaustuloksena saadut jännitteet kunkin testielectrodin parin välillä, ja I on tuotettu sähkövirta.
Tämä menetelmä ei vaadi yhteyksien irrottamista olemassa olevan maanjäristyselectrodista, mutta vaatii enemmän testielectrodeja kuin muut menetelmät.
Kuolleman maan menetelmä
Tämä menetelmä käyttää kahta testielectrodeja (virtaelectrodit), jotka on yhdistetty sarjassa maan vastusmittariin. Yksi testelectrodi asetetaan lähelle olemassa olevaa maanjäristyselectrodia, ja toinen testelectrodi asetetaan kaukana siitä. Mittari tuottaa tunnetun sähkövirran molemmista testelectrodeista maahan ja mittailee jännitettä niiden välillä. Maan vastus lasketaan käyttäen Ohmin lakia:
Missä R on maan vastus, V on mittaustuloksena saatava jännite, ja I on tuotettu sähkövirta.
Tämä menetelmä ei vaadi yhteyksien irrottamista olemassa olevan maanjäristyselectrodista, mutta vaatii hyvin pitkän johtojänne molempien testelectrodeiden välillä.
Kaltevuusmenetelmä
Tämä menetelmä käyttää yhtä testielectrodeja (potentiaalelectrodi) ja maan vastusmittaria. Potentiaalelectrodi siirretään suoraan linjassa pois olemassa olevasta maanjäristyselectrodista säännöllisin väliajoin. Mittari tuottaa tunnetun sähkövirran olemassa olevan maanjäristyselectrodin kautta maahan ja mittailee jännitettä sen ja potentiaalelectrodin välillä jokaisessa väliä. Jännitteen ja etäisyyden välinen kuvaaja piirretään ja jatketaan löytääksesi jännitteen akselin leikkauspiste. Maan vastus lasketaan käyttäen Ohmin lakia:
