Зміст статті

5.5. Физическое моделирование заземлителей
Расчет заземляющего устройства оказывается возможным при наличии достаточно корректного описания отдельных заземлителей, их системы, свойств грунта /значения удельных сопротивлений грунта с привязкой этих значений к элементам объема грунта в ближней и удаленной по отношению к электродам зоне и возможного изменения сопротивлений грунта под воздействием стекающих с электродов в землю токов/ и использовании алгоритма метода расчета с учетом всех отмеченных факторов. Создание такого алгоритме в форме программы достаточно сложно и предполагает ряд допущений и упрощений, которые снижают точность результата, но облегчают сам расчет. Поэтому, несмотря на невысокие требования к расхождению результата расчета и принимаемому за истинное значение по данным измерения сопротивления физического объекта - заземлителя /допускается расхождение порядка 20%/ вопрос об упрощениях и допущениях при составлении расчетной модели заземлителя вполне обоснован.
Определенное обоснование упрощений и допущений можно получить путем физического моделирования заземлителей, которое может дать необходимый конечный результат для оценки заземлителей.
Использование модели при аналоговом моделировании должно быть более удобным для исследования, чем использование натурного объекта, Применительно к реальным крупногабаритным заземлителям геометрические размеры модельного заземлителя обычно существенно меньше. В основе моделирования заземлителя лежит соблюдение так называемых критериальных соотношений и геометрического подобия. Используются критериальные соотношения, общие с критериями подобия электромагнитных процессов:
.
Поскольку масштаб, например длины  и другие масштабы определяют корректность модели, должны выполняться сходные с основными критериями критериальные соотношения масштабов. В частности, для стационарного режима заземлителя
                                               /5.41/
где - масштаб сопротивления заэемлителя; масштаб соответственно удельной электрической проводимости грунта и линейный /геометрический/.
Соотношение /5.41/ позволяет дать несколько рекомендаций по практике физического моделирования заземлителей. Поскольку уменьшение геометрического размера заземлителя можно считать исходно целесообразным, соотношение сопротивления заземлителя и сопротивления грунта модели связаны прямо пропорционально. Этот вывод не создает проблем для моделирования, тем более, что снижение проводимости заземлителя позволяет использовать источники напряжения небольшой мощности. Сложнее вопрос с грунтом. Реальный грунт есть композиция твердых частиц, пылевидных масс, воздушных включений /пор/. Очевидно, переходное сопротивление с металлического электрода на грунт зависит от соотношения размеров поверхности электрода и фракций грунта, а с уменьшением масштаба модели заземлителя переходное сопротивление в общем случае возрастает в трудно определяемой степени.
Возможна постановка вопроса о моделировании самого грунта, что сложно в реализации. Частичное решение заключается в подмене грунта жидкой средой /электролитом/, как это сделано в электролитической ванне для моделирования
электрических и токовых полей. Такая подмена дает ожидаемый результат в определенных условиях, когда изменения свойств грунта от картины токов не проявляют себя. При физическом моделировании термических и импульсных /больших токов/ параметров заземлителя приходится использовать реальные грунты. Понижение погрешности из-за изменения отношения размера заземлителя к размеру фракций грунта возможно экстраполяцией результата моделирования по данным измерений на моделях, отличавшихся геометрическими размерами. Метод неоднократно использовался в исследованиях заземлителей, выполненных в ХПИ.
Электрод заземлителя в грунте является источником тока, т.е. плотности тока в грунте по мере удаления от поверхности электрода убывают. Ток нагревает грунт, перегрев грунта изменяет его электропроводность, обусловленную водными растворами /электролитом/. При определенных энергиях грунт подсыхает, и тогда рассматривается ситуация, при которой у поверхности электрода образуется подсушенная область грунта и сопротивление заземлителя вырастает вследствие его термического поражения. Изучение квазистационарного температурного поля в грунте также выполняется на физических моделях заземлителей.
Уравнение стационарного температурного поля имеет вид

где - температура перегрева относительно окружающей среды: Е -напряженность электрического поля; - удельная теплопроводность грунта; -удельное сопротивление /электрическое/ грунта.
Геометрическое подобие определяет аналогии: для аналог; для   Е    аналог. Тогда достаточный критерий подобия термического процесса
                                      /5.42/
Отсутствие в критерии характерного геометрического размера / заземлителя указывает на то, что при фиксированных и, температура  всегда пропорциональна квадрату воздействующего напряжения U2 независимо от геометрических размеров подобных заземлителей. Из выражения /5.42/ найдем при необходимости напряжение на заземлителе при задании температуры.
Изменение во времени воздействующего напряжения U определяет изменения и в тепловом режиме, поскольку состояние описывается выражением

где с - удельная теплоемкость; - коэффициент кинематической вязкости среды.
Критерий, характеризующий скорость изменения теплового поля, является относительной постоянной времени:

 


или с учетом выражения /5. 42/ для и при
                                                   /5.43/
t - текущее время;  - тепловая постоянная процесса.
При моделировании тепловых процессов с уменьшением размера модели по сравнению с натурой целесообразно сохранение одинакового в обоих случаях грунта, поэтому учет соотношения размеров заземлителя и фракций грунта сохраняет актуальность.
Контрольные вопросы
  • Особенности измерения сопротивления заземления.
  • Сферический и полусферический заземлители. Расчет электрических па
    раметров заземлителя в однородном и неоднородном грунтах при сферических
    поверхностях раздела сред /грунтов/.
  • Использование электростатической аналогии для расчета заземлителей.
  • Расчет линейного эквипотенциального вертикального заземлителя в однородном грунте.
  • Расчет неэквипотенциальности протяженного заземлителя.
  • Физическое моделирование режимов заземлителя.

Литература
Бургсдорф В.В., Якобе А.И. Заземляющие устройства электроустановок. -М.: Энергоатомиздат, 1987. - 480 с.
Заземляющие устройства электроустановок высокого напряжения. Учеб. пособие/Ю.В.Целебровский. - Новосибирск: Новосиб. электротехн. ин-т, 1987.-78 с.
Сидоров В.С.,Хохулш Б.К. Заземления електричних мереж.-К: I3MH, 19