Застосування методу еквівалентування багатошарового ґрунту при визначенні нормованих параметрів заземлювального пристрою - Коліушко, Денис Георгійович; Руденко, Сергій Сергійович; Вевенко, Віталій Олександрович (Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", 2025)
Нормовані параметри заземлювального пристрою, такі як напруга дотику та опір, є критично важливими для за безпечення електричної безпеки та надійності роботи електростанцій та підстанцій. Складність багатошарової структури ґрунту створює проблеми для визначення вказаних параметрів. Це обумовлено тим, що реальні ґрунти на території енер гооб’єктів України мають три і більше шарів, а нормовані параметри визначаються програмними засобами з двошаровими розрахунковими моделями. Тому необхідність еквівалентування багатошарових геоелектричних структур у двошарові моделі для практичного застосування є актуальною задачею. Мета. Визначення меж застосування методу еквівалентування багатошарових ґрунтів на основі аналізу результатів розрахунку нормованих параметрів заземлювального пристрою. Методологія. У дослідженні розглянуто тришарову модель для чотирьох типів ґрунту (A, H, Q, K), поширених в Україні. Розрахунки виконано за допомогою програмного комплексу LiGro, який базується на методі інтегро-диференційних рівнянь, застосованому для аналітичного вирішення задачі про потенціал електричного поля точкового джерела струму в тришаровому провідному напівпросторі. В якості критерію можливості застосування методу еквівалентування обрано величну відносної похибки в 10 % при визначенні нормованих параметрів заземлювального пристрою заданої топології та типу ґрунту. При визначенні похибки за істинне значення приймались результати розрахунку у вихідній тришаровій структурі ґрунту для заданої топології заземлювального пристрою. Результати демонструють, що ефективність методу еквівалентування суттєво залежить від типу ґрунту та площі системи заземлення. Зокрема, для ґрунту типу А заміна верхнього та середнього шару еквівалентним першим шаром (нижнього – другим), забезпечує меншу похибку розрахунків опору заземлення, ніж представлення верхнього шару в якості першого, а середнього та нижнього – другого. При цьому спостерігається тенденція до зменшення похибки від –14,6 % до –2,6 % зі зростанням площі об’єкту від 225 м2 до 14400 м2. Оригінальність. Вперше представлено результати оцінки похибки методу еквівалентування багатошарових ґрунтів різних типів при розрахунку нормованих параметрів заземлювальних пристроїв. Практична значимість. Визначення умов та меж застосування методу еквівалентування при розрахунку нормованих параметрів заземлювальних пристроїв програмними комплексами може бути використано при проєктуванні нових або реконструкції існуючих енергооб’єктів України.

Normalized parameters of the grounding system, such as touch voltage and resistance, are critically important for ensuring electrical safety and reliability of power plants and substations. The complexity of the multi-layered soil structure makes it difficult to determine mentioned parameters. This is due to the fact that real soils on the territory of energy facilities of Ukraine have three or more layers, and the specified parameters are determined by software with two-layer calculation models. Therefore, the need to provide multilayer geoelectric structures into equivalence two-layer models for practical application is an urgent task. Goal. Determination of the application limits of the multilayer soils equivalence method based on the calculating results analysis of the grounding system normalized parameters. Methodology. The study considered a three-layer model for four soil types (A, H, Q, K) common in Ukraine. The calculations were performed using the LiGro software package, which is based on the method of integro-differential equations, applied to the analytical solution of the problem of the electric field potential of a point current source in a three-layer conducting half-space. As a criterion for the possibility of applying the equivalence method, a relative error value of 10 % was chosen when determining the normalized parameters of a grounding system of the given topology and soil type. When determining the error, the calculation results in the original three-layer soil structure for the given topology of the grounding system were taken as the true value. The results show that the effectiveness of equivalent technique significantly depends on the type of soil and the area of the grounding system. In particular, for soil type A, replacing the upper and middle layers with the equivalent first layer (the lower layer with the second) provides a smaller error in the calculations of the grounding resis tance than representing the upper layer as the first, and the middle and lower layers as the second equivalent layer. At the same time, there is a tendency for the error to decrease with increasing area of the object: from 225 m2 to 14400 m2, for the first case, the error decreased from –14.6 % to –2.6 %, and for the second case, it changed from –9.3 % to 14.6 %, respectively. Originality. For the first time, the results of the methodical error evaluation of the equivalence techniques of multilayered soils of different types when calculating the normalized parameters of grounding system are presented. Practical value. Determination of the conditions and limits of the use of the equivalence method when calculating the normalized parameters of grounding system by software complexes can be used in the design of new or reconstruction of existing energy facilities of Ukraine.
Application of the multilayer soil equivalence method in determining the normalized parameters of the grounding system
Keywords: заземлювальний пристрій; напруга дотику; опір заземлювального пристрою; метод еквівалентування; багатошаровий ґрунт; grounding system; touch voltage; resistance of grounding; method of equivalence; multi-layered soil