Мостовой метод

Из теории электротехники известно, что при равенстве сопротивлений электрического моста (рис. 5) R₁ и R₂ и соответственно R_з и R_х ток, протекающий через гальванометр G, будет равен нулю.

Изменяя сопротивление R_з, можно добиться такого положения, что ток, протекающий через гальванометр, будет равен нулю. Тогда величина R₃, будет равна величине исследуемого сопротивления R_x.

Рис. 5. Мостовая схема измерения сопротивлений:

R₁ и R₂ – резисторы, имеющие одинаковое сопротивление; R_х – исследуемое сопротивление; R_з – резистор с переменным сопротивлением

На этом методе основывается работа таких измерительных приборов, как МС-08, М416, Ф-4103М1 и др. Эти приборы содержат прецизионные резисторы и источник переменного тока (электронный генератор), получающие питание от гальванических элементов (М 416, Ф-4103М1) либо от генератора, приводимого во вращение рукой оператора (МС-08). Процесс проведения измерений рассмотрим на примере прибора М416.

Перед проведением измерений необходимо разместить зонд и вспомогательный электрод по схеме, изображенной на рис. 6. Затем соединительные проводники подключаются к соответствующим клеммам прибора. Питание М416 получает от трех элементов типа А373.

Прибор позволяет измерять сопротивление в широких пределах: 0, 1...1000 Ом.

 

Рис. 6. Схема измерения прибором М416:

1 – соединительные клеммы; 2 – перемычка; 3 – измерительная шкала; 4 – стрелка индикатора; 5 – кнопка включения; 6 – ручка потенциометра; 7 – переключатель поддиапазонов

Порядок проведения измерений:

1. Установить переключатель 7 в положение «контроль 5 W”, нажать кнопку 5ивращением ручки 6 добиться установления стрелки индикатора 4 на нулевую отметку. При этом на шкале 3 должно быть показание 5±0, 3 Ом, что свидетельствует об исправности источника питания. Отпустить кнопку 5.

2. Переключатель 7 установить в положение «х1».

3. Нажать кнопку 5 и, вращая ручку 6, установить стрелку индикатора 4 на нуль. При невозможности установления перейти на другой поддиапазон измерения. Снять показания со шкалы 3 прибора (с учетом переводного коэффициента).

В результате коррозии металла сопротивление растеканию тока заземляющих контуров со временем увеличивается. Обычно в целях экономии средств не меняют целиком весь контур, а увеличивают площадь уже существующего путем добавления к нему новых электродов (одиночных заземлителей).

Если измеренное на стенде сопротивление выше нормы, необходимо определить дополнительное число одиночных заземлителей, подключенных параллельно существующему контуру.

Сопротивление дополнительной ветви можно определить, исходя из соотношения:

(1)

где r_h – нормируемое сопротивление растеканию тока. Ом; R_изм – измерительное сопротивление, Ом; R_доп – дополнительное сопротивление, Ом.

Зная R_доп, можно определить количество дополнительных электродов по формуле (9)

Расчет заземляющего устройства сводится к определению числа вертикальных заземлителей и длины соединительной полосы. Для упрощения расчета примем, что одиночный вертикальный заземлитель представляет собой стержень, либо трубу малого диаметра.

1. Сопротивление одиночного вертикального заземлителя:

(2)

где L и D – длина и диаметр стержня соответственно, м; r_экв эквивалентное удельное сопротивление грунта, Ом× м; Т – заглубление электрода (расстояние от поверхности земли до середины электрода), м.

Студенты неэлектротехнических специальностей могут определить сопротивление одиночного вертикального заземлителя по формуле:

^* (3)

или по упрощенной формуле:

^* (4)

Примечание: здесь и далее знаком (*) обозначаются формулы для расчетов, которые проводят студенты неэлектротехнических специальностей. Формулы, не отмеченные данным знаком, общие для студентов всех специальностей.

Величина эквивалентного удельного сопротивления грунта r_экв для студентов неэлектротехнических специальностей задается преподавателем из табл. 2.

Эквивалентным удельным сопротивлением грунта r_экв неоднородной структурой называется такое удельное сопротивление земли с однородной структурой, в которой сопротивление заземляющего устройства имеет то же значение, что и в земле с неоднородной структурой. Если грунт двухслойный, эквивалентное удельное сопротивление определяется из выражения:

r_экв = Yr₁r₂L/[r₁(L – H + t] + r₂(H – t), (5)

где Y – коэффициент сезонности (по табл. 2 – для стержневых зазелителей); r₁ – удельное сопротивление верхнего слоя грунта, Ом× м; r₂ – удельное сопротивление нижнего слоя грунта Ом× м; Н – толщина верхнего слоя грунта, м; t – заглубление полосы, м.

Одиночный заземлитель должен полностью пронизывать верхний слой грунта и частично нижний.

Таблица 1

Эквивалентное удельное сопротивление грунтов

Грунт	Удельное сопротивление Rэкв, Ом× м
пределы колебаний	при влажности грунта 10...12%
Чернозем	9...53
Торф	9...53
Глина	8...70
Суглинок	40...150
Супесь	150...400
Песок	400...700

Заглубление полосы t принимается равным 0, 7 м – это глубина траншеи (рис. 2). Величина удельного сопротивления грунта непостоянна и зависит от его влажности. Степень влажности грунта определяется в основном количеством выпавших осадков и процессами их высушивания. Поверхностные слои грунта подвержены значительным изменениям влажности. Вследствие этого сопротивление заземлителя

Таблица 2

Значения расчетных климатических коэффициентов сезонности

сопротивления грунта

Заземлитель	Климатическая зона
I	II	III	IV
Стержневой	1, 8...2, 0	1, 6...1, 8	1, 4...1, 5	1, 2...1, 4
Полосовой	4, 5…7, 0	3, 5…4, 5	2, 0…2, 5	1, 5…2, 0

будет тем стабильнее, чем глубже он расположен в грунте. Для уменьшения влияния климатических условий на сопротивление заземления верхнюю часть заземлителя размещают в грунте на глубину не менее 0, 7 м. Следовательно, заглубление стержня можно определить по формуле:

T = (L/2) + t. (6)

2. Определяем ориентировочное количество вертикальных заземлителей без учета сопротивления соединительной полосы:

n₀ = R₀/R_н, ^* (7)

где r_h – нормируемое сопротивление растеканию тока заземляющего устройства согласно ПУЭ, Ом;

Для студентов электротехнических специальностей:

n₀ = R₀Y/R_н. (8)

Коэффициент сезонностиY второй климатической зоны (средняя температура января от –15 до –10°С, июля – от +18 до +22°С) принимается равным 1, 6...1, 8.

Таблица 3

Нормируемые значения величины сопротивления растеканию тока заземляющих устройств (для электроустановок напряжением до 1000 В)

Вид заземления	Напряжение сети, В
220/127	380/220	660/380
нормируемое сопротивление Rн, Ом
Рабочее заземление нулевой точки трансформатора (генератора)
Повторное заземление нулевого провода на вводе в объект
Повторное заземление нулевого провода на воздушной линии

Величины, приведенные в табл. 3, справедливы при эквивалентном удельном сопротивлении грунта 100 Ом× м и менее. Если эквивалентное удельное сопротивление грунта более 100 Ом× м, необходимо эти величины умножить на коэффициент k_з=r_экв/100. Коэффициент k_з не может быть меньше 1 и больше 10 (даже при больших удельных сопротивлениях грунта).

3. Определяем сопротивление растеканию тока соединительной полосы:

, (9)

где L_п, b – длина и ширина соединительной полосы, м; t – заглубление соединительной полосы; Y_п – коэффициент сезонности для полосы (по табл. 2 – для полосовых заземлителей); h_п – коэффициент использования полосы (табл. 4).

Формула для приближенного расчета:

* (10)

Длину полосы можно определить по предварительному количеству вертикалъных заземлителей. Если принять что они размещены в ряд, то длина полосы составит:

L_п = K(n₀ – 1), (11)

где К – расстояние между соседними вертикальными заземлителями, м,

4. Определяем сопротивление вертикальных заземлителей с учетом сопротивления растеканию тока соединительной полосы (для студентов электротехнических специальностей):

R_в = R_пR_н(R_п – R_н). (12)

5. Определяем окончательное количество заземлителей (для студентов электротехнических специальностей):

n = R_o/R_вh_с, (13)

где h_с – коэффициент использования вертикальных заземлителей.

Так как токи, растекающиеся с параллельно соединенных одиночных заземлителей, оказывают взаимное влияние, возрастает общее сопротивление заземляющего контура, которое тем больше, чем ближе расположены вертикальные заземлители друг к другу. Это явление учитывается коэффициентом использования вертикальных заземлителей, величина которого зависит от типа и количества одиночных заземлителей, их геометрических размеров и взаимного расположения в грунте.

Таблица 4

Коэффициент использования вертикальных заземлителей h_с

и соединительной полосы h_п

Число заземлителей	Заземлители размещены в ряд	Заземлители размещены по замкнутому контуру
hс	hп	hс	hп
	0, 91	–	–	–
	0, 83	0, 89	0, 78	0, 55
	0, 77	0, 82	0, 73	0, 48
	0, 74	0, 75	0, 68	0, 40
	0, 70	0, 65	0, 65	0, 36
	0, 67	0, 56	0, 63	0, 32
	–	0, 40	0, 58	0, 29

Примечание. Значения коэффициентов даны с учетом того, что отношение длины заземлителей к расстоянию между ними равно двум.

Найденное количество заземлителей округляем до ближайшего большего целого числа.

4*. Определяем сопротивление одиночного заземлителя с учетом коэффициента использования:

R_сп = R₀/h_с.* (14)

5*. Определяем общее сопротивление вертикальных заземлителей с учетом сопротивления соединительной полосы:

R_в = R_пR_н/R_п – R_н. (15)

6*. Определяем окончательное количество заземлителей:

n = R_сп/R_в. (16)

Вычисленное количество заземлителей округляем до ближайшего большего целого числа.

По данным расчета составляем эскиз контура заземления (план размещения заземлителей в грунте – вид сверху, с нанесением размеров) и эскиз одиночного вертикального заземлителя (рис. 2).

Таблица 5

Результаты измерений

Метод измерения	Напряжение, В	Ток, А	Сопротивление, Ом	Заключение
измеренное	допустимое
«Амперметр-вольтметр»
М 416

Контрольные вопросы

 

1. Объясните сущность защиты от поражения, если корпус электрооборудования оказался под напряжением.

2. Как выполняется контур заземления?

3. Объясните назначение коэффициентов использования и сезонности.

4. Каковы допустимые значения сопротивления растеканию тока для электроустановок напряжением 380/220 В?

5. Какими методами и когда необходимо измерять сопротивления растеканию тока?

6. Что необходимо предпринять, если сопротивление растеканию выше нормативных значений?

7. Почему измерения по методу «амперметра-вольтметра» выполняются на переменном токе?

8. Можно ли при измерениях по методу «амперметра-вольтметра» использовать в качестве источника питания автотрансформатор?

Приложение 1

 

Электроизмерительная лаборатория   Наименование лаборатории	Предприятие ___________________ ______________________________ Объект ________________________ ______________________________ Дата проверки «___»_______20__ г.