Способ прогнозирования электрических характеристик заземляющей системы Советский патент 1993 года по МПК G01V3/08 

Изобретение относится к способам прогнозирования, т.е. априорного определения на этапе предпроектных изысканий электрических характеристик(сопротивления заземления и распределения токов стекания с электродов) многоэлектродных систем на переменном токе и может найти применение в геологоразведке (например, в электро- магнитныхзондированиях с МГД-генератором), а также при проектировании энергосистем и средств связи.

Целью изобретения является повышение производительности труда и снижение затрат при прогнозировании систем на переменном токе,

На чертеже изображена схема установки для реализации способа: положение контура 1 и электродов 2 проектируемой заземляющей системы, контур 3 равновеликого дискового заземлителя, измеритель 4 кажущегося удельного сопротивления земли, измеритель 5 напряженности естественного электромагнитного поля, магнитная антенна 6, переключатели 7 и 8, АВ и MN - соответственно питающая АВ и приемная MN линии установки вертикального электрического зондирования с центром О; длина L, диаметр d и глубина t заложения электродов, их эффективный радиус to, наибольшая диагональ контура заземляющей системы.

00

о ел

Јь го

00

D. радиус дискового заземлителя гэф, равновеликого площади ее контура, разнос I АВ питающей линии в методе ВЭЗ.

Сущность способа заключается в учете влияния на электрические характеристики заземляющей системы глубинных слоев земли при ограниченных разносах питающей линии вертикального электрического зондирования путем определения эффективного удельного сопротивления по величинам компонент естественного электромагнитного поля, а также в непосредственном использовании результатов измерений, трансформированных в значения кажущегося удельного сопротивления для двухполюсной установки на заданной частоте.

Известно, что в сетях переменного тока целесообразно использование заземлите- лей, характерные размеры которых не превышают эффективной толщины скин-слоя в земле, поскольку при больших размерах наблюдается практически пропорциональное им возрастание сопротивления потерь.. Такие заземлители при расчете сопротивления растеканию можно считать эквипотенциальными, а их характеристики в случае однородного полупространства - частотно-независимыми. Для определения величины сопротивления заземления R и закона распределения тока стекания (токовых коэффициентов) с электродов эквипотенциального заземлителя, со- держащего п электродой, необходимо решить систему (п+1) уравнений:

..

п

I

«k Rki R

«k Rk2 R

«k Rkm R

«k Rkm R

тдек 1,2,...,m,...n- порядковый номер электрода, «k - отношение тока, стекающего с электрода k, к суммарному току заземлителя {токовый коэффициент); Rkm - взаимное сопротивление электродов k и т; если k т. то Rkm Rkk - собственное сопротивление электрода.

Взаимное и собственное сопротивления вычисляются в предположении постоянства плотности тока стекаиия вдоль электродов методом средних потенциалов. В частности для заземляющей системы, состоящей из параллельных горизонтальных электродов длиной Ц значения Rkm и Rkk определяются выражениями:

10

i/г

Rkm

(2)

15 Rkk

(3)

где г- Y(x-z)2-i-y2

20

r -YCx-.+ rfc.,

30

35

50

55

у - расстояние между электродами k и т; го - эффективный радиус электрода для за- 25 глубленного электрода, гь vrJt x,2 - переменные интегрирования. .

Кажущееся сопротивление среды РИ(Г) для двухполюсной Остановки с разносом г св язано с кажущимся сопротивлением ри(0 установки вертикального электрического

зондирования с разносом 1 соотношением:

х / , pw(r) r/r- iildl. .(4)

Причем в случае переменного тока под /Oi(r)

и pk(l) понимаются синфазные с током компоненты их гери (г) и ге/Зи (I).

Из (1)-() видно, что для прогнозирования характеристик заземляющей системы

д« необходимы измерения/ (I) при изменении

I от го до Iniax . Неопределенность lmax

.является основной трудностью реализации

способов прогнозирования электрических

. характеристик заземляющих систем. Расче4с ты-электрического поля точечного источника тока, и сопротивления растеканию различных заземлителей над слоистыми средами показали следующее. Значения Pk на постоянном и переменном токе при малых разносах установки совпадают. С увеличением разноса ри на переменном токе стремятся, осциллируя с затуханием, к асимптоме. соответствующей эффективному удельному сопротивлению среды р, которое получается над данным разрезом в дальней зоне источника и определяется по величине поверхностного импеданса среды. Ограниченность и практическое постоянство значений pk даже для бесконечно большого удельного сопротивления основа-,,

ния разреза при I- со отражает конечную величину эффективной глубины.проникновения электромагнитного поля и позволяет оценить требуемое значение Imax. Последнее зависит от параметров геоэлектриче- ского разреза частоты, размеров и конструкции заземляющей системы. Теоретическая оценка Imax проведена для дисковых заземлителей, сопротивление растеканию которых в сравнении с другими заземлителями заданной площади контура в, наибольшей степени зависит от свойств глубинных частей разреза и, вследствие этого, пригодна для плоских заземляющих систем произвольной конструкции. При этом принято во внимание, что в слоистых средах сопротивление растеканию дискового заземлителя определяется некоторым эффективным значением удельного сопротивления среды, численно равным кажуще- муся сопротивлению (г) двухполюсной установки с разносом, не превышающим, как правило 0,6гЭф. Поэтому величина Imax определена из условия, обеспечивающего практическое (с точностью не хуже 5%) сов- падение значений /9и(г) для ,6гэф, рассчитанный непосредственно по формуле (4) и в результате интерполяции значений

/Ok На Промежутке/Omax р при 1тах( Ртах.

- значение /Ok при Нтах). Указанная оценка выполнена также с учетом того, что на практике вертикальное электрическое зондирование выполняется, как правило, на постоянном токе, а импедансные измерения естественного электромагнитного поля носят обычно амплитудный характер.

Последовательность операций при осуществлении способа следующая. В месте предполагаемого размещения проектируемой заземляющей системы с помощью из- мерителя 5 проводят на заданной частоте f амплитудные или амплитудно-фазовые измерения взаимно-ортогональных горизонтальных электрической (Еа) и магнитной (1-у компонент естественного электромагнит- ного поля, источником которого являются грозовые разряды, линии электропередач, радиостанции и другие источники, заведомо удаленные от пункта наблюдения на расстояние, в 3-4 раза превышающее эф- фективную толщину скин-слоя в земле. (Компоненту Е2 определяют по величине напряжения на выходе приемной линии MN. которая может располагаться как в одном, так и в нескольких пунктах участка. Компоненту Но измеряют либо непосредственно по величине напряжения на. выходе магнитной антенны, либо определяют по измеренной величине вертикальной

электрической компоненты Ez. По результатам измерений рассчитывают величины р или эффективную толщину скин- слоя д3ф в соответствии с известными формулами:

р i - - (

Ег

/5

Hi)

1,8 , Ег

10

ю

f sin 2 уз Ha

№) 1°

ю

(5) (6)

(7)

где р- фазовый сдвиг между Ег и Не.

Измерения рь методом вертикального электрического зондирования выполняют на заданной или более низкой частоте, либо на постоянном токе с помощью измерителя кажущегося сопротивления 4, включающего источник и измеритель тока в питающей линии АВ, а также измеритель напряжения в приемной линии MN. При измерении на переменном токе принимают меры, исключающие взаимные емкостные и индуктивные влияния между питающей и приемной линиями.

Измерения /Ok методом ВЭЗ начинают при разносе питающей линии, не меньшем эффективного радиуса электродов заземляющей системы г0, первоначальный максимальный разнос питающей линии I ограничивается радиусом дискового электрода, равновеликого площади контура заземляющей системы гэф и составляет (0,6-1)гЭф. По соотношению между эффективным сопротивлением р , под которым понимается его модуль или реальная часть, и значениями рь , полученными при наибольших первоначальных разносах питающей линии (pi) и с учетом размеров контура заземляющей системы устанавливают максимальный разнос установки Imax.

В случае плохопроводящего основания (/3 ) и ничтожно малых размеров заземляющей системы в сравнении с эффективной толщиной скин-слоя, таких, что удовлетворяется неравенство:

о,о7Афа/,„Ј,

(8),

справедливы законы постоянного тока и максимальный разнос определяется соотношением: .

1тах 32гэф1пД (9)

При размерах заземляющей системы, соот- ветствующих неравенству:

0,07 дэф Ј1 гэф А /oi , р -TZTV -n Ј± ° 7 W Vln Ј- (10)

ШД/рТ - р разнос определяют по формуле:

/°1

&

,84

Гэф(5эфр1 ln-Ј

дЕсли радиус гэф превышает глубину залегания основания и приближается к эффективной толщине скин-слоя:

,(12)

то максимальный разнос не зависит от размеров заземляющей системы и определяется величиной (5Эф:

(13)

max:

0,.

В случае хорошо проводящего основания 0 РО и малых .размеров заземляющей системы:

гэф 0,16 (5 эф/0-Д)

максимальный разнос не зависит от частотных параметров разреза и соответствует неравенству:

(1- Ј) . . (15) а при больших ее размерах:

,(1-Ј )(16)

определяется эффективной толщиной скин- слоя:

, Эф.(17) После определения Imax продолжают при необходимости измерения рь методом ВЭЗ до установленного разноса питающей линии. Затем интерполируют значенияри в интервале ртаг +р. Практически эта операция сводится к соединению прямыми точек на логарифмическом бланке с координатами ртах, Imax, р Ja. Причем

la 0,7 6 эф Прир pi

la 4lmax прир р J (18)

По полученной зависимости pk (I) рассчитывают кажущееся удельное сопротивление для двухслойной установки рн(г) с использованием формулы (4). которая при конечном числе интервалов интегрирования выражается суммой:

.- Mr) +

J

i-M

(11)

(14)

(19)

-р -ll

In

li + 1

)+Ј

где 1,2,3,..., i 1, - число элементарных интервалов, на которые разбивается промежуток г-На: р. - значения ру и I для интервала i.

После определения ри (г) рассчитывают собственные и взаимные сопротивления электродов проектируемой заземляющей системы, например по формулам (2), (3), а затем

5 путем решения уравнения (1) - ее электрические характеристики: сопротивление растеканию R и токовые коэффициенты с.

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с базовым объ10 ектом, характеризующим уровень техники и совпадающим в данном случае с выбранным прототипом, заключается в существенном снижении затрат труда, времени реализации способа, материалов, в расши15 рении области применения способа вследствие использования дешевой и портативной аппаратуры при прогнозировании электрических характеристик зазем- ляющих систем с большой площадью

20 контура на переменном токе. Это, в свою очередь, приводит к значительному (в десятки раз) уменьшению затрат и увеличению производительности труда, либо позволяет . с малыми затратами выявлять участки, в

25 принципе неприемлемые для реализации способа.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Способ прогнозирования электрических характеристик заземляющей системы.

30 включающий измерение кажущегося электрического сопротивления Земли методом вертикального электрического зондирования, определение параметров геоэлектрического разреза и расчет электрических

35 характеристик заземляющей системы, от л и- чающийся тем, что, с целью повышения производительности труда и снижения затрат при прогнозировании систем на переменном токе, предварительно измеряют взаимно о р40 тогональные горизонтальные, электрическую и магнитную компоненты естественного электромагнитного поля на частоте f эксплуатации заземлителя, по измеренным величинам определяют эффек45 тивное р удельное сопротивление земли, измерение кажущегося ри электрического сопротивления земли проводят в диапазоне разносов от эффективного радиуса электрода до радиуса дискового электрода гэфф ,

50 равновеликого площади контура заземляТо- щей системы, после чего на основе вычис- ленных величин отношений кажущегося сопротивления pi на максимальном разносе и эффективного сопротивления р lp , a

55

также отношения радиуса дискового электрода Гэфф к эффективной толщине скин-слоя

(5ЭФФ .определяют величину максимального разноса вертикального

электрического зондирования (макс, причем в случае плохо проводящего основания при

Гэфф . 0,07 р соотношении Ј-- 9г макси Зэфф р.щЈ

мальный разнос определяют по формуле

1макс 3,2 Гэфф1пЈ , При

0.07 Р1 гзфф n 7

пб формуле .84 х

у гэфф -рэфф p X |, рг

а при / 0,7 чй по формуле ; р

1макс 0,7 дэфф. cL , а в случае проводящего при соотношении гэфф/ максимальный разнос опреоснования/л ° 1б

/ОэффЬ . PI

деляют по формуле 1Макс 5- гэфф( ), а

при

Гэфф 0,16

ФФ ТГЖ

P

ПО формуле 1макс 0,8

эфф , продолжают зондирование до установленного разноса, определяют кажущееся сопротивление земли на частоте эксплуатации

заземлителя для двухполюсной установки в диапазоне изменения разноса от эффективного радиуса электрода заземляющей системы до максимальной диагонали контура, на основе которого осуществляют расчет электрических характеристик заземляющей системы.

Использование: при проектировании энергосистем и средств связи и в электроразведке. Сущность изобретения: электрические характеристики заземляющей системы определяют априорно на основе измерения импеданса естественно электромагнитного поля на рабочей частоте заземляющей системы и проведения вертикального электрического зондирования, причем величина максимального разноса зондирования рассчитывается исходя из соотношения эффективного сопротивления, полученного из результатов измерения естественного электромагнитного поля.и кажущегося сопротивления, полученного на разносе, равном радиусу дискового эле.кт- рода, равновеликого площади контура заземляющей системы, а также отношения размера заземляющей системы к толщине скин-слоя на ее рабочей частоте, На основе кривой вертикального электрического зондирования, интерполированной в области бесконечно больших разносов на основе полученного эффективного сопротивления, рассчитываются значения кажущегося сопротивления для двухполюсной установки, а по ним электрические характеристики заземляющей системы. 1 ил. ел с