DESIGNING AN EARTH ELECTRODE FOR DISTRIBUTION SUBSTATIONS A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa In partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science In Electrical Installation by P. P.B. SAMARASEKARA Supervised by: Prof. Ranjith Perera Department of Electrical Engineering University of Moratuwa, Sri Lanka 2009 93945 Abstract In electrical engineering, the term ground or earth has several meanings depending on the specific application areas. Ground is the reference point in an electrical circuit from which other voltages are measured, a common return path for electrical current ( earth return or ground return), or a direct physical connection to the earth. Electrical circuits may be connected to ground (earth) for several reasons. In a power circuit, a connection to ground is done for safety purposes to protect people from the effects of faulty insulation on electrically powered equipment. A connection to ground helps limit the voltage built up between power circuits and the earth, protecting circuit insulation from damage due to excessive voltage. There are several types of earthing in the world. They are TT system, TN system and IT system. But in Sri Lanka most common method is the TT system. That means both the consumer and the source end should separately be earthed. Those earth electrodes should have less resistance and non corrosive perfect bonding. In the power distribution system in Sri Lanka normally the main source is -the CEB transformer. According to the TT system, the. substation should be earthed properly. If not it will affect the consumers by creating neutral leakage current, unbalancing voltage" voltage fluctuations and poor lightning protection etc. As a result transformer can be damaged, customer's electrical equipment and installation can be damaged .Life of humans and animals are in danger as the step and touch voltages have high values. Generally CEB distribution substation has two earth electrodes: one for neutral and the other for lightning arrestor and the body. According to the CEB rules and IEE regulations the earth resistance of those electrodes should be less than 10 Ohms. During last 20 years, CEB has used different types of earth electrodes for distribution substations. That is 10 feet long cast iron pipes, 6 feet long GI pipes, 1 m long copper plated steel rod with concrete mesh etc. But according to my investigations most of distribution substations of CEB have the resistance of around 100 Ohms. Hence I decided to select this topic as a project. Therefore the aim of this project is to design an earth electrode with high performance for distribution substations. This electrode can be used at consumer end too. First , an electrode was designed for a better surface area. The electrode was a combination of a rod and a semi sphere. According to the soil type, the length of the rod can be varied. However to reduce the resistivity of the surrounding soil, a special mixture was prepared with a resistivity of around 4 ohm m 'and it was used to back fill the electrode. , An Aluminum or Galvanized barrel was used to avoid mixing that solution with the soil. As a result, the resistance of the electrode was reduced. I have designed eight types of electrodes for different soil types. However, the electrode- type D, that is 3m rod and a radius of O.75m barrel can be used at the most of areas since the resistivity is below 650 Ohm m in Sri Lanka Therefore we can maintain the level of earth resistance below 10 ohms easily. D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n , e x c e p t w h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d f o r a n y o t h e r d e g r e e . ~ ( ( 3 ' . ' - L . . . . . . . . . . . . . . . , P . P . B . S a m a r a s e k a r a D a t e : 3 0 . 1 1 . 2 0 0 9 I e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e . -t\~-~ r;~rkr~;~;~ S u p e r v i s o r C O N T E N T S P a g e N o . D e c l a r a t i o n C o n t e n t s A b s t r a c t A c k n o w l e d g e m e n t L i s t o f T a b l e s L i s t o f F i g u r e s C h a p t e r 1 - I n t r o d u c t i o n C h a p t e r 2 - R e q u i r e m e n t o f t h e e a r t h i n g s y s t e m 2 . 1 2 . 2 / . . , ~·-' 2 . 4 E a r t h c o n d u c t o r s E a r t h E l e c t r o d e s C o r r o s i o n C o r r o s i o n S u s c e p t i b i l i t y o f M e t a l s C h a p t e r 3 - E a r t h E l e c t r o d e T y p e s 1 1 l V V l V l l V l l l 4 4 4 4 5 6 3 . 1 R o d T y p e 6 3 . 1 . 1 I n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f a n e a r t h r o d 7 3 . 1 . 2 I n c r e a s i n g t h e r a d i u s o f a n e a r t h r o d 1 0 3 . 2 P l a t e T y p e 1 0 3 . 3 H e m i s p h e r e T y p e 1 1 3 . 4 C o n d u c t o r o r S t r i p T y p e 1 2 3 . 5 R e l a t i v e A d v a t a g e a n d D i s a d v a v a t a g e s o f t h e p r i n c i p a l t y p e s o f e a r t h E l e c t r o d e s 1 2 3 . 6 P r o p o s e d d e s i g n f o r a n E a r t h e l e c t r o d e 1 3 C h a p t e r 4 - P e r f o r m a n c e o f E a r t h E l e c t r o d e 4 . 1 4 . 1 . 1 4 . 1 . 2 4 . 1 . 3 4 . 1 . 4 C o n n e c t i o n b e t w e e n t h e e a r t h c o n d u c t o r a n d t h e e a r t h e l e c t r o d e M e c h a n i c a l C o n n e c t i o n B r a z e d c o n n e c t i o n s E x o t h e r m i c j o i n t s W e l d e d c o n n e c t i o n s C h a p t e r 5 - S o i l R e s i s t i v i t y 5 . 1 5 . 2 E f f e c t s o f s o i l r e s i s t i v i t y o n g r o u n d E l e c t r o d e R e s i s t a n c e M e a s u r e m e n t o f s o i l r e s i s t i v i t y C h a p t e r 6 - F a c t o r s A f f e c t i n g S o i l R e s i s t i v i t y 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 7 1 8 1 8 1 8 2 1 1 1 6 . 1 6 . 2 E f f e c t o f m o i s t u r e c o n t e n t o n s o i l r e s i s t i v i t y E f f e c t o f T e m p e r a t u r e o n s o i l r e s i s t i v i t y 6 . 3 E f f e c t o f s a l t c o n t e n t o n s o i l r e s i s t i v i t y C h a p t e r 7 - C r i t i c a l C y l i n d e r 7 . 1 R e p l a c i n g s o i l i n t h e I n t e r f a c i n g H e m i s p h e r e ( I H ) C h a p t e r 8 - B a c k f i l l i n g 8 . 1 B a c k f i l l i n g M a t e r i a l 8 . 2 O t h e r B a c k f i l l i n g M a t e r i a l 8 . 2 . 1 B e n t o n i t e 8 . 2 . 2 M c n t o n i t e C h a p t e r 9 - M e a s u r i n g E a r t h R e s i s t a n c e 9 . 1 9 . 1 . 1 9 . 1 . 2 M a i n t e n a n c e o f e a r t h i n g s y s t e m I n s p e c t i o n E x a m i n a t i o n C h a p t e r 1 0 - C a l c u l a t i o n 1 0 . 1 T y p e A 1 0 . 2 T y p e B 1 0 . 3 T y p e C 1 0 . 4 T y p e D 1 0 . 5 T y p e E 1 0 . 6 T y p e F 1 0 . 7 T y p e G 1 0 . 8 T y p e H C h a p t e r 1 1 - C o n c l u t i o n A p p e n d i x 1 - D i s t r i b u t i o n E a r t h i n g S y s t e m A P 1 . 1 A P 1 . 2 A P 1 . 2 . 1 A P 1 . 2 . 2 A P 1 . 2 . 3 A P 1 . 3 A P I A R e f e r e n c e s I T s y s t e m T N s y s t e m T N - C S y s t e m T N - S s y s t e m T N - C - S S y s t e m T T S y s t e m C E B S y s t e m 2 1 2 2 P a g e N o 2 3 2 4 2 4 2 7 2 9 " ! _ , _ 3 2 3 2 3 4 3 7 3 7 3 7 3 8 4 1 4 3 4 5 4 7 4 9 5 1 5 2 5 4 5 7 5 9 6 0 6 1 6 1 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 1 1 1 A C K N O W L E D G E M E N T T h a n k s a r e d u e f i r s t t o m y s u p e r v i s o r . P r o f e s s o r R a n j i t P e r e r a . f o r h i s g r e a t i n s i g h t s , p e r s p e c t i v e s , g u i d a n c e a n d s e n s e o f h u m o r . M y s i n c e r e t h a n k s g o t o t h e o f f i c e r s i n P o s t G r a d u a t e O f f i c e . F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a , S r i L a n k a f o r h e l p i n g i n v a r i o u s w a y s t o c l a r i f y t h e t h i n g s r e l a t e d t o m y a c a d e m i c w o r k s i n t i m e w i t h e x c e l l e n t c o o p e r a t i o n a n d g u i d a n c e . S i n c e r e g r a t i t u d e i s a l s o e x t e n d e d t o t h e p e o p l e w h o s e r v e i n t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g o f f i c e . I a l s o e x t e n d m y s i n c e r e t h a n k s t o M r . P . N . J . P e i r i s ( D G M T r a i n i n g ) i n C E B f o r g i v i n g t h i s v a l u a b l e p r o j e c t p r o p o s a l a n d e n c o u r a g e d m e t o c o n d u c t t h i s t e s t i n g s u c c e s s f u l l y . I w o u l d l i k e t o t a k e t h i s o p p o r t u n i t y t o e x t e n d m y s i n c e r e t h a n k s t o M r . W . E . S i l v a ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C o n s t r u c t i o n W P S - 1 ) a n d h i s s t a f f , M r . R a n a t u n g a ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C o n s t r u c t i o n W P S - 1 ) a n d h i s s t a f f , M r . P r i y a n k a r a ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C o n s t r u c t i o n W P S - 1 ) , M r D . R . M A r i y a r a t h n e ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C o m m e r c i a l W P S - 1 ) , M r . S . U . H e w a g a m a ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C o m m e r c i a l W P S - 1 ) , M r . G u n a w a r d a n a ( E l e c t r i c a l S u p e r i n t e n d e n t C S C F u l l e r t o n ) a n d h i s s t a f f o f C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d w h o g a v e t h e i r c o - o p e r a t i o n t o c o n d u c t t h e t e s t i n g w o r k s s u c c e s s f u l l y . I t i s a g r e a t p l e a s u r e t o r e m e m b e r t h e k i n d c o - o p e r a t i o n e x t e n d e d b y t h e c o l l e a g u e s i n t h e p o s t g r a d u a t e p r o g r a m m e , f r i e n d s a n d s p e c i a l l y m y w i f e a n d f a m i l y m e m b e r s w h o h e l p e d m e t o c o n t i n u e t h e s t u d i e s f r o m s t a r t t o e n d . V I r T a b l e N u m b e r I 1 T a b l e 3 . 1 i ! T a b l e 8 . 1 ! j T a b l e 1 0 . 1 i I T a b l e I 0 . 2 I 1 T a b l e 1 0 . 3 I T a b l e 1 0 . 4 I T a b l e 1 0 . 5 I T a b l e 1 0 . 6 I i T a b l e 1 0 . 7 ' I T a b l e 1 0 . 8 I T a b l e 1 1 . 1 ' I T a b l e 1 1 . 2 I L i s t o f T a b l e s D e s c r i p t i o n R e l a t i v e A d v a t a g e a n d D i s a d v a v a t a g c s o f t h e p r i n c i p a l j t y p e s o f e a r t h E l e c t r o d e s . i T y p i c a l r e s i s t i v i t i e s o f v a r i o u s s o i l t y p e s N o . o f A t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f B t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f C t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f D t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f E t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f F t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f G t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f H t y p e e l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l N o . o f E l e c t r o d e r e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h e s o i l c o n d i t i o n N o . o f E l e c t r o d e r e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h e s o i l c o n d i t i o n I V l l L i s t o f F i g u r e s \ F i g u r e N u m b e r D e s c r i p t i o n [ I I r ~ F i g u r e 1 . 1 1 D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n l I F i g u r e 2 . 1 F i g u r e 3 . 1 ! 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F i g u r e 5 . 1 F i g u r e 5 . 2 F i g u r e 5 . 3 , F i g u r e 6 . 1 I I C o r r o s i o n S u s c e p t i b i l i t y o f m e t a l s R o d T y p e E l e c t r o d e M e t h o d o f i n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f a r o d t y p e e l e c t r o d e V o l t a g e d i s s i p a t i o n o f a r o d t y p e e l e c t r o d e l R e s i s t a n c e V s r o d l e n g t h i n u n i f o r m s o i l R e s i s t a n c e V s r o d l e n g t h i n m u l t i l a y e r s o i l E q u i p o t e n t i a l p a t t e r n o f a r o d e l e c t r o d e E a r t h r e s i s t a n c e V s r a d i u s o f a n e a r t h r o d D i f f e r e n t P l a t e t y p e e l e c t r o d e s A H e m i s p h e r e t y p e e l e c t r o d e R e s i s t a n c e V s R a d i u s o f t h e H e m i s p h e r e i n u n i f o r m s o i l V o l t a g e d i s t r i b u t i o n o f t h e p r o p o s e d e a r t h e l e c t r o d e / l . . c : i -~ P r o p o s e d e a r t h e l e c t r o d e · ! 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T h e b a r r e l w h i c h i s u s e d f o r b a c k f i l l i n g B a c k f i l l i n g m e t h o d b y a d d i n g c h e m i c a l s A f t e r 6 m o n t h s E a r t h r e s i s t a n c e V s t i m e B e n t o n i t e E a r t h E l e c t r o d e i n a r o c k M a r c o n i t e M e a s u r i n g t h e E a r t h r e s i s t a n c e M e t h o d o f m e a s u r i n g t h e e a r t h r e s i s t a n c e E f f e c t o f o v e r l a p p i n g r e s i s t a n c e a r e a s E a r t h r e s i s t a n c e V s D i s t a n c e b e t w e e n E l e c t r o d e a n d p r o b e V o l t a g e D i s s i p a t i o n o f t h e E l e c t r o d e V o l t a g e D i s s i p a t i o n o f t h e E l e c t r o d e ( P l a n v i e w ) T y p e A E l e c t r o d e ' c o ; ; - I I l X ! F i o u r e 1 0 4 I b . ; l - ' i g u r e 1 0 . 5 1 F i g u r e 1 0 . 6 I : F i g u r e 1 0 . 7 F i g u r e 1 0 . 8 i F i u u r e 1 0 . 9 i ~ : F i g u r e 1 0 . 1 0 ! F i g u r e A P 1 . 1 I \ F i g u r e A P 1 . 2 I \ F i g u r e A P 1 . 3 I F i g u r e A P 1 . 4 I F i g u r e A P 1 . 5 F i g u r e A P 1 . 6 I T y p e B E l e c t r o d e T y p e C E l e c t r o d e I T y p e D E l e c t r o d e \ T y p e E E l e c t r o d e T y p e f E l e c t r o d e I T y p e G E l e c t r o d e T y p e I I E l e c t r o d e b a s i c c o m p o n e n t s o f a d i s t r i b u t i o n s y s t e m I T S y s t e m T N - C S y s t e m T N - S S y s t e m T N - C - S S y s t e m T T S y s t e m X C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n E a r t h i n g i s t h e s u b j e c t o f a d o p t i n g m e t h o d s o f c o n n e c t i n g t o e a r t h t h e c o m p o n e n t s o f a n e l e c t r i c a l s y s t e m a n d m e t a l w o r k a s s o c i a t e d w i t h e q u i p m e n t a p p a r a t u s a n d a p p l i a n c e s f o r l i m i t i n g p o t e n t i a l w i t h r e s p e c t t o t h e g e n e r a l m a s s o f e a r t h i n o r d e r t o e n s u r e s a f e t y . E a r t h i n g a l s o c o v e r s t h e p r o b l e m o f c o n d u c t i o n o f e l e c t r i c i t y s u r g e s a n d f a u l t c u r r e n t s i n t o e a r t h . A l t h o u g h t h e e a r t h p r o v i d e s a l o w i m p e d a n c e r e t u r n p a t h f o r f a u l t c u r r e n t s , i t m a i n l y s e r v e s t o f i x t h e v o l t a g e o f t h e s y s t e m n e u t r a l s . A l s o n e u t r a l t o e a r t h c o n n e c t i o n s i m p r o v e s e r v i c e c o n t i n u i t y a n d a v o i d s d a m a g e t o e q u i p m e n t a n d d a n g e r t o h u m a n l i f e . I n a n y p o w e r d i s t r i b u t i o n s y s t e m e v e n i f a s p e c i f i c e a r t h i n g a r r a n g e m e n t i s n o t p r o v i d e d t h e Y o l t a g e l e v e l s o f v a r i o u s e q u i p m e n t a n d m e t a l w o r k w i t h r e s p e c t t o t h e e a r t h w o u l d s t a b i l i z e a s d e t e r m i n e d b y t h e v a r i o u s l e a k a g e p a t h s f o r e l e c t r i c c u r r e n t s a c c o r d i n g t o t h e i n s u l a t i o n r e s i s t a n c e p r e s e n t . B u t i t i s a l w a y s a d v i s a b l e a n d a d v a n t a g e o u s t o p r o v i d e a s p e c i f i c m e t h o d o f e a r t h i n g o f e q u i p m e n t a n d m e t a l w o r k f o r t h e f o l l o w i n g r e a s o n s . i ) D e f i n i t e l e a k a g e p a t h s f o r c u r r e n t s w o u l d o p e r a t e a n d t h e s e w o u l d d e t e r m i n e d e f i n i t e v o l t a g e l e v e l s w i t h r e s p e c t t o e a r t h f o r e q u i p m e n t a n d m e t a l w o r k w h e r e i n s u l a t i o n r e s i s t a n c e c a n b e r e c o m m e n d e d t o p r e v e n t u n w a n t e d c u r r e n t l e a k a g e p a t h s . i i ) A d e f i n i t e p l a n c a n b e f o l l o w e d i n p r o v i d i n g f o r t h e s a f e t y o f p e r s o n n e l h a n d l i n g e q u i p m e n t a n d u s i n g t h e m . i i i ) I n t h e e v e n t o f v o l t a g e / c u r r e n t s u r g e s u n d e r s w i t c h i n g c o n d i t i o n s a s w e l l a s l i g h t n i n g c o n d i t i o n s a d e f i n i t e p l a n f o r t h e s a f e t y o f e q u i p m e n t a s w e l l a s t h e s a f e t y o f p e o p l e c a n b e d e v i s e d b y i n t r o d u c i n g s p e c i a l e a r t h i n g e q u i p m e n t a n d s p e c i a l p r o t e c t i v e d e v i c e s . i v ) E a s y l e a k a g e p a t h s c a n b e p r o v i d e d f o r l e a k a g e c u r r e n t s u n d e r f a u l t c o n d i t i o n s , f i r s t l y f a c i l i t a t i n g t h e o p e r a t i o n o f p r o t e c t i v e d e v i c e s a n d s e c o n d l y p r o v i d i n g t h e s a f e t y o f e q u i p m e n t a n d p e o p l e . I n a n e l e c t r i c i t y d i s t r i b u t i o n s y s t e m , e a r t h i n g c a n b e d i v i d e d i n t o t w o d i s t i n c t s e c t i o n s . i e , t h e e a r t h i n g o f t h e H i g h V o l t a g e S y s t e m a n d e a r t h i n g o f L o w V o l t a g e D i s t r i b u t i o n s y s t e m . T h e m e t h o d s o f t h e H V s y s t e m p r o t e c t i o n t e c h n i q u e s a r e d i f i e r e n t f r o m t h e L V a n d t h e t w o e a r t h i n g s y s t e m s s h o u l d b e s e p a r a t e a n d s h o u l d n o t b e c o m b i n e d . I n t h i s p r o j e c t m a i n l y c o v e r s t h e L V D i s t r i b u t i o n f r o m 3 3 k V / 4 0 0 a n d l l k V / 4 0 0 s u b s t a t i o n s a n d a s s o c i a t e d e a r t h i n g s y s t e m s . L V d i s t r i b u t i o n s y s t e m e a r t h i n g t o o c a n b e d i v i d e d i n t o f o l l o w i n g t h r e e c a t e g o r i e s , a ) E a r t h i n g a t D i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n s b ) E a r t h i n g o f D i s t r i b u t i o n L i n e s - S y s t e m E a r t h i n g c ) E a r t h i n g o f C o n s u m e r I n s t a l l a t i o n - E q u i p m e n t E a r t h i n g E a r t h i n g o f c o n s u m e r i n s t a l l a t i o n s i n v o l v e . a ) C o n s u m e r n e u t r a l e a r t h i n g ( i f a n y ) b ) E q u i p m e n t a p p a r a t u s & a p p l i a n c e e a r t h i n g F a r t h i n g a r r a n g e m e n t o f a d i s t r i b u t i o n S u b s t a t i o n w a s a n a l y z e d i n t h i s p r o j e c t . H e n c e i t c a n b e u s e d f o r , e a r t h i n g o f d i s t r i b u t i o n l i n e s a n d e a r t h i n g o f c o n s u m e r i n s t a l l a t i o n . A c c o r d i n g t o t h e C E B r u l e s e a r t h i n g o f d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s h o u l d h a v e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s . 1 . N e u t r a l o f t h e t r a n s f o r m e r s h a l l b e c o n n e c t e d t o o n e e a r t h e l e c t r o d e . 1 i . T r a n s f o r m e r t a n k , L i g h t n i n g A r r e s t e r s a n d a l l o t h e r m e t a l p a r t s s h a l l b e s e p a r a t e l y e a r t h e d . • S e p a r a t i o n o f m i n i m u m 3 m e t e r t o b e m a i n t a i n e d b e t w e e n a b o v e t w o e l e c t r o d e s . • T h e e a r t h r e s i s t a n c e o f e a c h e l e c t r o d e s h o u l d b e l e s s t h a n 1 o n . B u t t h e e a r t h r e s i s t a n c e o f e a r t h e l e c t r o d e i n t h e m o s t o f l o c a t i o n s o f C E B i s m o r e t h a n 7 5 O h m . A c c o r d i n g t o t h e s i t e c o n d i t i o n , i t i s v e r y d i f f i c u l t t o i n s t a l l e a r t h e l e c t r o d e s p r o p e r l y i n s o m e p l a c e s . T h e r e f o r e t h e s i z e a n d s h a p e s h o u l d b e v a r i e d a c c o r d i n g t o t h e s i t e s o i l c o n d i t i o n . l l o \ \ c v e r i t s h o u l d h a v e l e s s t h a n 1 0 O h m o f e a r t h r e s i s t a n c e e v e r y w h e r e . l - I e n e e t h e a i m o f m y p r o j e c t i s t o d e s i g n a b e t t e r e a r t h e l e c t r o d e w h i c h h a s t h e e a r t h r e s i s t a n c e o f l e s s t h a n 1 0 n . 2 C h a p t e r 2 R e q u i r e m e n t s o f t h e E a r t h i n g S y s t e m T h e f u n c t i o n o f t h e e a r t h i n g s y s t e m i s t w o - f o l d . T o p r o v i d e a l o w e n o u g h i m p e d a n c e p a t h , v i a t h e e a r t h c o n d u c t o r s , b a c k t o t h e s u p p l y s o u r c e s o t h a t i n t h e e v e n t o f a f a i l u r e t o e a r t h o f a l i v e c o n d u c t o r , s u f f i c i e n t c u r r e n t w i l l f l o w s a f e l y a l o n g a p r e d e t e r m i n e d r o u t e t o e n a b l e t h e c i r c u i t p r o t e c t i v e t o o p e r a t e . . T o l i m i t t h e p o t e n t i a l r i s e o n a l l m e t a l w o r k t o w h i c h p e r s o n s a n d a n i m a l s n o r m a l l y h a v e a c c e s s , t o a s a f e l y v a l u e u n d e r n o r m a l a n d a b n o r m a l c i r c u i t c o n d i t i o n s . 2 . 1 E a r t h C o n d u c t o r s M a i n e q u i p o t e n t i a l b o n d i n g c o n d u c t o r s w h i c h i n t e r c o n n e c t t o g e t h e r a n d t o e a r t h , e x p o s e d c o n d u c t i v e p a r t s w h i c h d o n o t n o r m a l l y c a r r y c u r r e n t , b u t c o u l d d o s o u n d e r a f a u l t c o n d i t i o n . T h e r e f o r e b o n d i n g a n d e a r t h c o n d u c t o r s w i t h i n e l e c t r i c i t y s u b s t a t i o n s n e e d t o b e o f s u f f i c i e n t s i z e t h a t t h e y c a n c a r r y a c e r t a i n a m o u n t o f f a u l t c u r r e n t f o r t h r e e s e c o n d s , w i t h o u t d a m a g e . H e n c e w h e n c o n s i d e r i n g t h e m a t e r i a l o f t h e c o n d u c t o r s , c o p p e r c o n d u c t o r s a r e b e t t e r t h a n t h e A l u m i n u m a n d t h e o t h e r m a t e r i a l s f o r d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s a n d o t h e r p l a c e s a s t h e y h a v e g o o d c o n d u c t i v i t y . 2 . 2 E a r t h E l e c t r o d e s T h e e a r t h e l e c t r o d e i s t h e c o m p o n e n t o f t h e e a r t h i n g s y s t e m w h i c h i s i n d i r e c t c o n t a c t w i t h t h e g r o u n d a n d t h u s p r o v i d e s a m e a n s o f r e l e a s i n g o r c o l l e c t i n g a n y e a r t h l e a k a g e c u r r e n t s . I n e a r t h e d s y s t e m s i t w i l l n o r m a l l y b e r e q u i r e d t o c a r r y q u i t e a l a r g e f a u l t c u r r e n t f o r a s h o r t p e r i o d o f t i m e a n d s o w i l l n e e d t o h a v e a c r o s s s e c t i o n a l a r e a l a r g e e n o u g h t o b e a b l e t o c a r r y t h i s s a f e l y . E l e c t r o d e s m u s t h a v e a d e q u a t e m e c h a n i c a l a n d e l e c t r i c a l p r o p e r t i e s t o c o n t i n u e t o m e e t t h e d e m a n d s o n t h e m o v e r a r e l a t i v e l y l o n g p e r i o d o f t i m e , d u r i n g w h i c h a c t u a l t e s t i n g o r i n s p e c t i o n i s d i f f i c u l t . T h e m a t e r i a l s h o u l d h a v e g o o d e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y a n d s h o u l d n o t c o r r o d e i n a w i d e r a n g e o f s o i l c o n d i t i o n s . M a t e r i a l s u s e d i n c l u d e c o p p e r , g a l v a n i z e d s t e e l , S t a i n l e s s s t e e l a n d c a s t i r o n . A l u m i n u m i s s o m e t i m e s u s e d f o r a b o v e g r o u n d " b o n d i n g " , b u t m o s t o f s t a n d a r d s f o r b i d i t s u s e a s a n e a r t h e l e c t r o d e d u e t o t h e r i s k o f a c c e l e r a t e d c o r r o s i o n . T h e c o r r o s i v e p r o d u c t - a n o x i d e l a y e r - i s n o n c o n d u c t i v e , s o c o u l d r e d u c e t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e e a r t h i n g . 2 . 3 C o r r o s i o n E l e c t r i c i t y s u p p l i e s a r c r e q u i r e d i n a l l a r e a s o f t h e c o u n t r y , w h i c h i n c l u d e r u r a l a r e a s , c i t y c e n t e r s a n d i n d u s t r i a l a r e a s . E a r t h i n g s y s t e m c o m p o n e n t s a r e i n s t a l l e d a b o v e a n d b e l o w g r o u n d a n d i n b o t h s i t u a t i o n s m u s t c o p e w i t h a w i d e r a n g e o f e n v i r o n m e n t s . I n a i r , t h e r e m a y b e s m o k e f r o m 4 l p r o c e s s p l a n t s , o r r a i n w a t e r w h i c h h a s d i s s o l v e d a i r b o r n e m a t e r i a l . U n d e r g r o u n d , t h e m o i s t e m i r o n m e n t m a y i n c l u d e n a t u r a l l y o c c m T i n g m i n e r a l s , c h e m i c a l s ( f e r t i l i z e r s e t c . ) o r c o n t a m i n a t e d s u b s t a n c e s w h i c h h a v e b e e n b u r i e d . A s m e n t i o n e d p r e v i o u s l y , t h e e a r t h i n g s y s t e m i s a c r i t i c a l p a r t o f t h e e l e c t r i c i t y s u p p l y s y s t e m a n d n e e d s t o p e r f o r m , n o r m a l l y u n s e e n , o v e r a c o n s i d e r a b l e p e r i o d o f t i m e . T h e s e c u r i t y r e q u i r e d c a n b e a s s u r e d b y c a r e f u l s e l e c t i o n o f m a t e r i a l . 2 . - t C o r r o s i o n S u s c e p t i b i l i t y o f M e t a l s 1\·~~u:t :~:u::;ceptib 1,~ , . L 1 I ' ~~ : : : : a . : : : t n o o : 2 . } L e a : = : t ~:u:>c~ptib 1~ {i\~l(le n o b l e ) 1 \ > h g n e s r u m a n d ~-~; a l l o y s Z i n c a n d i t s a l l o y s . . o . J u r n r n i u r n a n d i t s a i i · J : i S C a d r r 1 i u r n S t a i n l e s s s t e e l , 13'~<, C r {acti\'c~) L e a d - t i n sc.JcL~r, . 5 0 / . 5 0 .~ . I I 1 , . , · - 3 - ' . . , J t a r n e s : o s t e e , o / ' 0 t y p e . U 4 ' , a c t r - / e , ' S t a i n l e s : o : : : b e l . . 18/8/31'·,-~~otype 3 1 6 {act~/e!' L e a d T i n B r a s s e s G u n m e t a l s A l u m i n i u m b r o n z e s C o p p e r C o p p e r - n i c k e l a l l o y s 1'Y~1018I T i t a n i u m a n d i t s a I l o i s S t a i n 1~~:::~: : : : t e e I : : : ( p a s s i \ i e } s : i r - / e r ( : J o l d F ' l a t i n u r n " ' F i g u r e 2 . 1 C o r r o s i o n S u s c e p t i b i l i t y o f M e t a l s [ 1 ] A c c o r d i n g t o t h e a b o v e t a b l e c o p p e r i s t h e b e s t m a t e r i a l b y c o n s i d e r i n g m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s a n d t h e c o s t o f t h e m a t e r i a l . M a n y o f a p p l i c a t i o n s o f c o p p e r a n d i t s a l l o y s r e l y o n g o o d c o r r o s i o n r e s i s t a n c e , p a r t i c u l a r l y i n m a n y a q u e o u s , c h e m i c a l a n d u n d e r g r o u n d e n v i r o n m e n t s . T h e r e f o r e c o p p e r c a n b e s e l e c t e d a s a n e n g i n e e r i n g m a t e r i a l f o r e a r t h i n g p u r p o s e s . 5 ~~ C h a p t e r 3 E a r t h E l e c t r o d e T y p e s E a r t h r e s i s t a n c e d e p e n d s o n t h e c o n f i g u r a t i o n o f t h e e a r t h e l e c t r o d e . T o d e c r e a s e t h e v a l u e o f e a r t h r e s i s t a n c e , t h e c o n t a c t a r e a o f t h e e l e c t r o d e a n d t h e s o i l s h o u l d b e h i g h . T h e r e a r e v a r i o u s t y p e s o f e a r t h e l e c t r o d e s a n d s o m e o f t h e m a r e r o d t y p e , p l a t e t y p e , h e m i s p h e r e t y p e a n d s t r i p o r c o n d u c t o r t y p e d e s c r i b e d a s f o l l o w s . , ; 3 . 1 R o d t y p e T h e s e g e n e r a l l y o f f e r t h e c h e a p e s t a n d m o s t c o n v e n i e n t m e a n s o f i n s t a l l i n g a n e l e c t r o d e . E a r t h r o d s a r e c o m m o n l y m a d e f r o m e i t h e r s o l i d c o p p e r , s t a i n l e s s s t e e l o r s t e e l w i t h c o p p e r b o n d i n g . C o p p e r b o n d e d e a r t h i n g r o d s o r c o p p e r b o n d e d G r o u n d i n g r o d s a r e c o m m o n l y u s e d d u e t o s t r e n g t h . c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a n d c o m p a r a t i v e l y l o w c o s t . S o l i d c o p p e r a n d s t a i n l e s s s t e e l r o d s o f f e r a v e r y h i g h l e v e l o f c o r r o s i o n r e s i s t a n c e a t t h e e x p e n s e o f l o w e r s t r e n g t h a n d h i g h e r c o s t . L L t o 2 L F i g u r e 3 . 1 R o d t y p e E l e c t r o d e s [ 5 ] W h e n t h e s i n g l e e a r t h r o d , s t r i p o r p l a t e w i l l n o t a c h i e v e t h e d e s i r e d r e s i s t a n c e a l o n e , w e c a n i n c r e a s e t h e n u m b e r o f e l e c t r o d e s i n s t a l l e d . N o r m a l l y t h e s e p a r a t i o n d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o e l e c t r o d e s s h o u l d b e e q u a l o r m o r e t h a n t h e d r i v e n d e p t h f o r r o d e l e c t r o d e s . T h e e a r t h r e s i s t a n c e o f a n e l e c t r o d e i s v a r i e d a c c o r d i n g t o i t s s h a p e a n d s i z e . I f w e c o n s i d e r e d a r o d t y p e e l e c t r o d e i t s e a r t h r e s i s t a n c e w i l l v a r y a c c o r d i n g t o i t s b u r i e d l e n g t h a s f o l l o w s . 6 , ~:\ 3 . 1 . 1 I n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f a n e a r t h r o d ~(·"·""'""' l i l l i l l l l l l l l l i l l . . I~ . . . I . : , / - - - T l , . - . : " l l - · 1 I . i t p l i . 1 · - . . . . - - " " " [~1 ~I ,~ '~!,· · ' ···~ ' i l l _ t - - - P . . t - F i g u r e 3 . 2 M e t h o d o f i n c r e a s i n g t h e l e n g t h o f t h e r o d t y p e E l e c t r o d e [ 6 ] I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I \ ; , ' ' · - . . - ' - - ~ . . . ~- - F i g u r e 3 . 3 V o l t a g e d i s s i p a t i o n o f a r o d t y p e E l e c t r o d e W e c a n i n c r e a s e t h e l e n g t h o f t h e r o d b y c o n n e c t i n g o n e b y o n e a s a b o v e . H e n c e t h e v o l t a g e d i s s i p a t i o n o f t h e r o d i s a s f i g u r e 3 . 3 . T h e r e f o r e w e c a n u n d e r s t a n d w h e n t h e l e n g t h o f t h e r o d i s i n c r e a s i n g t h e e a r t h r e s i s t a n c e w i l l d e c r e a s e , a s t h e o u t e r s u r f a c e a r e a o f t h e r o d i s i n c r e a s e d . B u t a c t u a l l y i t w i l l h a p p e n a s f o l l o w s . 7 [ 3 0 0 2 5 0 . . - . . . . . . l ' f j E 2 0 0 . J : : . 1 0 · - · ~ " 1 5 0 ! : ~ . . . . . . / : / ) I ' J j ~ " 1 0 0 5 0 \ I 1 · - . . . . . . -. . . - - - . . . . . . . , _ _ _ _ . . . . . S o i I R e s i s t i v i t v i . . . . . . . . . . . . . . · 1 0 O h r n - n 1 - - - - - - 1 0 0 O h m - n 1 1 0 0 0 C ) h n l - r n S r n E a r t h R o d T o p o f R o d 0 . 6 n 1 D e e p R a d i u s = 0 . 0 0 7 3 5 _ _ _ _ _ _ , ~ 0 I · - - - - - - - . 0 7 . , _ s 5 F i g u r e 3 . 4 " 1 0 " 1 5 2 0 7 5 - · E a r t h R o d l e n g t h ( m ) R e s i s t a n c e V s R o d l e n g t h i n u n i f o r m s o i l [ 1 ] i.~ :;~ .-:~ ~~ , , ~~- F r o m t h e a b o v e g r a p h w e c a n u n d e r s t a n d i f t h e s o i l r e s i s t i v i t y i s h i g h , t h e e a r t h r e s i s t a n c e i s r e d u c e d q u i c k l y a s t h e l e n g t h o f t h e r o d i n c r e a s e s . B u t w h e n t h e r o d r e a c h e s a b o u t 1 5 m l e n g t h , g r a d u a l l y t h e f a l l i n g o f r e s i s t a n c e g e t s l o w . T h e r e f o r e i t i s n o t n e c e s s a r y t o i n c r e a s e t h e l e n g t h o f t h e r o d u n n e c e s s a r i l y , t o i m p r o v e t h e e a r t h r e s i s t a n c e i n a u n i f o r m s o i l . T h e r e i s a n e f f e c t i v e l e n g t h a c c o r d i n g t o t h e s o i l r e s i s t i v i t y f o r a n e a r t h r o d . 8 "'~l) . ) l - 1 4 0 - 1 2 0 . - . I J ) i - 1 0 0 0 - 0 , ) u 8 0 c ~ . . . . . . . • ' J l S o i l T y p e 3 L a y e r S o i l - - - - - 5 0 C ) h n l - r n 3 L a v e r S o i l S t r u c t u r e I 2 n 1 o f _ 2 0 0 C ) h n 1 - n 1 S o i I 4 r 1 1 o f 1 0 0 0 C ) h n 1 - n 1 S o i I t h e n 5 0 C ) h n l - n l S o i l • ' J l Q . i 6 0 T o p o f R o d b u r i e d 0 . 6 n 1 d e e p ~ 4 0 . . . . . . . . . , L . . . . . _ , . , _ 0 I - . . . . . --~..... - - - - - - - 0 ~ - ~ , . . 5 - 1 0 1 5 2 0 R o d L e n g t h ( m ) F i g u r e 3 . 5 R e s i s t a n c e V s R o d l e n g t h i n m u l t i l a y e r s o i l 1 1 1 . - ) r : : - L Y I n s o m e s o i l c o n d i t i o n s . p a r t i c u l a r l y w h e r e t h e r e i s a l i m i t e d a r e a a v a i l a b l e , u s e o f v e r t i c a l r o d s m a y p r o v e t o b e t h e m o s t e f f e c t i v e o p t i o n , b u t i t d o e s d e p e n d o n t h e s o i l s t r u c t u r e . f i n a l l y , i t i s i m p o r t a n t t o n o t e t h a t v e r t i c a l r o d s g i v e a d e g r e e o f s t a b i l i t y t o t h e i m p e d a n c e o f a n e a r t h i n g s y s t e m . N o r m a l l y t h e y s h o u l d b e o f s u f f i c i e n t l e n g t h t h a t t h e y a r e i n o r n e a r t h e w a t e r t a b l e ( i r i t e x i s t s a t r e a s o n a b l e d e p t h a t t h e l o c a t i o n ) a n d b e l o w t h e f r e e z i n g l i n e . T h i s m e a n s t h a t t h e i m p e d a n c e s h o u l d b e l e s s i n f l u e n c e d b y s e a s o n a l v a r i a t i o n s i n w a t e r c o n t e n t o r t e m p e r a t u r e . 3 . 1 . 2 I n c r e a s i n g t h e r a d i u s o f a n e a r t h r o d F o l l o w i n g f i g u r e s h o w s t h e b e n e f i t t h a t c a n b e a c h i e v e d i n s o i l s o f d i f f e r e n t r e s i s t i v i t y b y i n c r e a s i n g t h e r a d i u s o f t h e r o d . T h e r e i s a r a p i d r e d u c t i o n i n t h e b e n e f i t p e r u n i t i n c r e a s e i n 9 3 0 d i a m e t e r o n c e t h i s e x c e e d s 0 . 0 5 m , e x c e p t i n s o i l o f h i g h r e s i s t i v i t y w h e r e t h e s a m e e f f e c t i s n o t i c e d a t a b o u t 0 . 2 m d i a m e t e r . N o r m a l l y t h e r e i s l i t t l e t o b e g a i n e d h y e x t e n d i n g t h e r a d i u s o f e a r t h e l e c t r o d e s b e y o n d t h a t n e c e s s a r y t o d e a l w i t h t h e m e c h a n i c a l a n d c o r r o s i o n r e q u i r e m e n t s . . . - . . . ' J . E . . c I " " , ' - " c . . I . ! ! : : 1 ' 1 : ) . . . ' / ' i " ' . . . Q = : ; 2 0 0 ' 1 6 0 1 2 0 a o 4 0 F i g u r e 3 . 6 ~- ' - . - - . . . . . . . ~ . - . - - ' , \ f I f-~) I \ I \ _ , I I ' · -~- , - - ' / / E q u i p o t e n t i a l p a t t e r n o f a r o d e l e c t r o d e S o i l R e s i s t i v · i t y . . . . . . . . . . . . . 1 0 O h m - m - - - - - - 1 0 0 O h m - r n 1 0 0 0 O h r n - r n · · - . . . _ S m E a r t h R o d ····-,_·~ T o p o f R o d b u r i e d 0 . 6 n 1 ·--~--------....__ D e e p - - - - . . ~---------~------­ ~----------- ··-·--~-~~-------..-----~-- --~---------- - - - ( ) t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - · 0 . - . • . £ . . . 0 . 4 0 . 6 R o d R a d i u s ( m ) F i g u r e 3 . 7 R e s i s t a n c e V s t h e r a d i u s o f a n e a r t h r o d [ 1 ] 3 . 2 P l a t e T y p e 0 , - , . 0 T h e p l a t e t y p e e l e c t r o d e s c a n b e u s e d t o d e a l w i t h g r e a t e r c u r r e n t s b y i n c r e a s i n g t h e p l a t e d i m e n s i o n s . T h e f a u l t c u r r e n t e a s i l y c a n b e a b s o r b e d t o t h e e a r t h a s t h e o u t e r s u r f a c e i s l a r g e r t h a n t h e r o d s . B u t t h i s t y p e h a s s o m e d i s a d v a n t a g e s . F o r e x a m p l e , t h e y g e n e r a l l y r e q u i r e m a n u a l o r m e c h a n i c a l e x c a v a t i o n a n d s o t h e i n s t a l l a t i o n c o s t c a n b e q u i t e h i g h . T o r e d u c e t h e a m o u n t o f e x c a v a t i o n r e q u i r e d , p l a t e s a r e n o r m a l l y i n s t a l l e d i n t h e v e r t i c a l p l a n e a b o u t 0 . 5 m e t e r s b e l o w t h e s u r f a c e . I t i s e a s i e r t o p a c k t h e s o i l t h o r o u g h l y a g a i n s t t h e p l a t e w h e n b a c k f i l l i n g , i f t h e y a r e 1 0 1 · : \ i n s t a l l e d v e r t i c a l l y . A n o t h e r d i s a d v a n t a g e i s d u e t o t h e l o c a t i o n s c h o s e n f o r e a r t h p l a t e s . O f t e n t h e y a r e p o s i t i o n e d t o o c l o s e t o e a c h o t h e r a n d t h e n t h e i r z o n e s o f i n f l u e n c e o v e r l a p . F i g u r e 3 . 8 D i f f e r e n t p l a t e t y p e e l e c t r o d e s [ 5 ] 3 . 3 H e m i s p h e r e T y p e \ , ~ ) / - · - - . . . / --.._______~-----/ . ' " I I I J I ( ' I I / . . I / / / ' \ \ , · , , ' · · , , - - - , . · · - . · - - - - - - - - - - - . F i g u r e 3 . 9 A H e m i s p h e r e T y p e E l e c t r o d e T h e e a r t h r e s i s t a n c e o f a h e m i s p h e r e i s a s f o l l o w s . R = p I 2 1 T r T h e h e m i s p h e r e t y p e e l e c t r o d e s c a n a l s o b e u s e d f o r l a r g e f a u l t c u r r e n t , a s w e c a n i n c r e a s e t h e o u t e r s u r f a c e b y i n c r e a s i n g t h e d i a m e t e r o f t h e h e m i s p h e r e . T h e b a c k f i l l i n g c o s t i s s o m e w h a t l e s s t h a n f o r t h e p l a t e t y p e e l e c t r o d e . I f w e u s e c o p p e r p l a t e d s t e e l , w e c a n i n c r e a s e t h e r e s i s t a n c e f o r c o r r o s i o n a n d c a n r e d u c e t h e t o t a l c o s t . 1 1 1 ' I 3 S O O 3 0 0 0 E . c 2 S O O 0 < l J u 2 0 0 0 c r o . . . . . . : c l S O O V l < l J e x : . . c 1 0 0 0 . . . . . , . _ r o U J s o o 0 1 2 3 4 s 6 7 s 9 1 0 1 1 1 2 R < 1 d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ( e m ) F i g u r e 3 . 1 0 R e s i s t a n c e V s r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e i n u n i f o r m s o i l ( p = 2 0 0 O h m m ) A c c o r d i n g t o t h e a b o v e g r a p h w e c a n u n d e r s t a n d d e c r e a s e i n r e s i s t a n c e i s l o w b e y o n d a c e r t a i n r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e . T h e r e f o r e i t i s n o t n e c e s s a r y t o i n c r e a s e t h e r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e t o o m u c h t o r e d u c e t h e e a r t h r e s i s t a n c e . 3 . 4 C o n d u c t o r o r S t r i p T y p e W e c a n u s e t h i s t y p e a t t h e p l a c e s w h e r e i s i t d i f f i c u l t t o e x c a v a t e s . T h e c o n d u c t o r o r t h e s t r i p s h a v e t o b e b u r i e d u n t i l i t a c h i e v e s t h e r e q u i r e d r e s i s t a n c e . C o p p e r , A l l u m i n i u m , S t a i n l e s s S t e e l , G a h a n i z c S t e e l a r e t h e l o w c o s t a n d s u i t a b l e m a t e r i a l s f o r t h e s e t y p e s o f e l e c t r o d e s . 3 . 5 R e l a t i v e A d v a n t a g e s a n d D i s a d v a n t a g e s o f t h e p r i n c i p a l t y p e s o f e a r t h E l e c t r o d e s . : T y p e A d v a n t a g e s D i s a d v a n t a g e s V e r t i c a l R o d s S i m p l e d e s i g n . E a s y t o i n s t a l l i n H i g h i m p e d a n c e . H a r d t o g o o d s o i l s . H a r d w a r e r e a d i l y i n s t a l l i n r o c k y s o i l . S t e p a v a i l a b l e . C a n b e e x t e n d e d t o r e a c h v o l t a g e o n e a r t h s u r f a c e c a n t h e w a t e r t a b l e . b e h i g h u n d e r l a r g e f a u l t c u r r e n t s o r d u r i n g a d i r e c t l i g h t n i n g s t r i k e . P l a t e s C a n a c h i e v e l o w r e s i s t a n c e c o n t a c t M o s t d i f f i c u l t t o i n s t a l l . I i n l i m i t e d a r e . S h o u l d b e i n s t a l l e d v e r t i c a l l y . I I H o r i z o n t a l d a r e L o w i m p u l s e i m p e d a n c e . G o o d R F S u b j e c t t o r e s i s t a n c e " " " s ( r a d i a l s ) c o u n t e r p o i s e w h e n l a i d 1 1 1 s t a r f l u c t u a t i o n s w i t h s o i l s p a t t e r n . d r y i n g . N o t r e c o m m e n d e d w i t h u n s t a b l e s o i l s . 1 2 1 : I I n c i d e n t a l e l e c t r o d e s C a n a c h i e v e v e r y l o w r e s i s t a n c e i n L i t t l e o r n o c o n t r o l o v e r ( w a t e r p i p e s , u f e r c e r t a i n a p p l i c a t i o n s . f u t u r e a l t e r n a t i o n s . M u s t b e g r o u n d s . b u r i e d e m p l o y e d w i t h o t h e r t a n k s ) e l e c t r o d e s , n o t a s s o l e I e l e c t r o d e . ~ground S t r a i g h t f o r w a r d d e s i g n . E a s y t o P r o b l e m s w i t h a s p h a l t a n d ' i n s t a l l a r o u n d e x i s t i n g f a c i l i t y . 1 c o n c r e t e a r o u n d t h e 1 I L _ I H a r d w a r e r e a d i l y a v a i l a b l e . V e r y I f a c i l i t y ? N o t d e s i r a b l e j e f f i c i e n t d u e t o v o l u m e . w h e r e l a r g e r o c k s a r e n e a r I I s u r f a c e . T a b l e 3 . 1 R e l a t i v e A d v a n t a g e s a n d D i s a d v a n t a g e s o f t h e p r i n c i p a l t y p e s o f e a r t h E l e c t r o d e s [ 1 2 ] 3 . 6 P r o p o s e d d e s i g n f o r a n E a r t h e l e c t r o d e C o n s i d e r i n g t h e a b o v e t y p e s o f e l e c t r o d e s a n e w e l e c t r o d e i s d e s i g n e d a s s h o w n i n t h e f i g u r e 3 . 1 1 a n d i t i s a c o m b i n a t i o n o f a r o d a n d a h e m i s p h e r e . I I · ' I I I I I J I i I I I I .~ I I I I I I I ' I I I I I I I I I I I I I t I I ' , ' · / i ~ \ { \ \ ~ . . . \ \ \ . . , . . . . . ' \ 1 . \ . \ " ' \ . ' \ \ I . . " - . \ / J ' I I · · ' , . . f J t ) / , • ' / ~ l / . . . /~ - . . . _ \ I ' \ ~ i i 1 1 • l ' , ( i I 1 . i · : I l i i , . ' I I I . . i \ ' / , . . i 1 , ·~ _ , . / \ - - - . E l e c t r o d e · , , , . . . · · , . . c . . - · / " · · · - . - - - · . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - - · · , F i g u r e 3 . 1 1 V o l t a g e d i s t r i b u t i o n o f t h e p r o p o s e d e a r t h e l e c t r o d e 1 3 1 . , l · . J , . , . , " F i g u r e 3 . 1 2 P r o p o s e d e a r t h e l e c t r o d e I t i s m a d e f r o m s t e e l a n d p l a t e d c o p p e r t o p r o t e c t f r o m c o r r o s i o n . D u e t o t h e h e m i s p h e r e p a r t t h e h i g h f a u l t c u r r e n t a l s o c a n b e a b s o r b t o t h e e a r t h e a s i l y a n d t h e o u t e r s u r f a c e a r e a c a n b e i n c r e a s e d t h a n t h e r o d . T h e r e f o r e T o t a l r e s i s t a n c e o f t h i s e l e c t r o d e i s l e s s t h a n t h e i n d i v i d u a l o f t h e s e t y p e s a s t h e y a r e i n p a r a l l e l . , I ; , ; i , . , . F i g u r e 3 . 1 3 P r o p o s e d e a r t h e l e c t r o d e 1 4 t C h a p t e r 4 P e r f o r m a n c e o f e a r t h e l e c t r o d e T o d e s i g n a b e t t e r e a r t h i n g s y s t e m i t s h o u l d b e s a t i s f i e d t w o t a s k s . T h e y a r e t o a c h i e v e a r e q u i r e d i m p e d a n c e v a l u e a n d t o e n s u r e t h a t t o u c h a n d s t e p p o t e n t i a l s a r e s a t i s f a c t o r y . T h e r e f o r e i t i s n e e d e d t o r e d u c e t h e a b o v e v a l u e s t o d e s i g n a n e a r t h e l e c t r o d e . W h e n c o n s i d e r i n g i m p e d a n c e t h e r e a r e t w o i n f l u e n c i n g f a j : t o r s . T h e y a r e t h e p h y s i c a l d i m e n s i o n s a n d a t t r i b u t e s o f t h e e a r t h e l e c t r o d e s y s t e m a n d s o i l c o n d i t i o n s ( c o m p o s i t i o n . w a t e r c o n t e n t e t c . ) . T h e e a r t h i n g s y s t e m c o n s i s t s o f c o n d u c t i v e m a t e r i a l a b o v e g r o u n d ( b o n d i n g c o n d u c t o r s e t c ) , m e t a l e l e c t r o d e s w i t h i n t h e s o i l a n d t h e s u r r o u n d i n g s o i l i t s e l f . E a c h o f t h e s e w i l l c o n t r i b u t e t o w a r d s t h e o v e r a l l i m p e d a n c e v a l u e . t 1 C o n n e c t i o n b e t w e e n t h e e a r t h c o n d u c t o r a n d t h e e a r t h e l e c t r o d e T h e i m p e d a n c e o f t h e m e t a l e l e c t r o d e m a t e r i a l i s u s u a l l y r e l a t i v e l y s m a l l , c o n s i s t i n g o f t h e l i n e a r i m p e d a n c e o f t h e r o d a n d / o r h o r i z o n t a l c o n d u c t o r s . B u t t h e m o s t i m p o r t a n t p l a c e i s t h e j o i n t w h i c h i s a t t h e e a r t h e l e c t r o d e r o d a n d t h e e a r t h c o n d u c t o r . T h e r e a r e s e v e r a l j o i n t i n g m e t h o d s u s e d i n c l u d e m e c h a n i c a l , b r a z e d , e x o t h e r m i c a n d w e l d e d e t c . - t . l . l M e c h a n i c a l C o n n e c t i o n : - T h e s e a r e c o m m o n l y u s e d a n d c a n b e m e c h a n i c a l ( b o l t e d c o n n e c t i o n ) o r h y d r a u l i c ( c o m p r e s s i o n ) . T h e c o n n e c t i o n m u s t m e e t t h e r e q u i r e m e n t o f t h e a p p l i c a b l e s t a n d a r d s . I f t h e r e a r e a n y l o o s e c o n n e c t i o n t h e r e s i s t a n c e o f t h e j o i n t w i l l b e h i g h . T h i s m e t h o d o f j o i n t i n g i s c l e a r l y n o t s u i t e d t o d e a l w i t h t h e h i g h e r v a l u e s o f f a u l t c u r r e n t . 4 . 1 . 2 B r a z e d c o n n e c t i o n s : - B r a z i n g i s w i d e l y a p p l i e d t o c o p p e r a n d c o p p e r a l l o y s . T h i s m e t h o d h a s t h e a d v a n t a g e o f p r o v i d i n g a l o w r e s i s t a n c e j o i n t w h i c h w i l l n o t c o r r o d e . B u t a g o o d j o i n t c a n b e d i f f i c u l t t o m a k e o n s i t e p a r t i c u l a r l y w h e r e l a r g e c r o s s s e c t i o n a l a r e a s a r e i n v o l v e d . C l e a n f 1 a t s u r f a c e s a r e e s s e n t i a l a s b r a z i n g m a t e r i a l s a r e g e n e r a l l y n o t f r e e f l o w i n g l i k e s o l d e r . 4 . 1 . 3 E x o t h e r m i c j o i n t s : - T h e s e a r e m a d e v i a g r a p h i t e m o u l d w h i c h i s d e s i g n e d t o f i t t h e s p e c i f i c t y p e o f j o i n t a n d c o n d u c t o r s i z e s . A p o w d e r m i x o f c o p p e r o x i d e a n d a l u m i n i u m i s i g n i t e d u s i n g a f l i n t g u n a n d t h e s u b s e q u e n t r e a c t i o n f o r m s a v i r t u a l l y p u r e c o p p e r j o i n t a r o u n d t h e c o n d u c t o r s . T h e h i g h t e m p e r a t u r e r e a c t i o n t a k e s p l a c e w i t h i n t h e c o n f i n e s o f t h e g r a p h i t e m o u l d . E a c h m o u l d , i f 1 5 p r o p e r l y m a i n t a i n e d , c a n b e u s e d f o r b e t w e e n 5 0 a n d 7 0 j o i n t s . B e n e f i t s c l a i m e d f o r t h i s t y p e o f j o i n t a r c t h a t i t : - • p r o v i d e s a c o r r o s i o n r e s i s t a n t , l o w r e s i s t a n c e , p e r m a n e n t j o i n t . • u s e s r e l a t i v e l y u n s k i l l e d j o i n t i n g t e c h n i q u e s . • c a n o p e r a t e a t h i g h t e m p e r a t u r e s , p o s s i b l y e n a b l i n g t h e c o n d u c t o r s i z e t o b e d e c r e a s e d . T h e j o i n t o f e x o t h e r m i c w e l d i n g i s s h o w n i n f o l l o w i n g f i g u r e . . I F i g u r e 4 . 1 A J o i n t o f E x o t h e r m i c W e l d i n g 1 6 F i g u r e 4 . 2 E x o t h e r m i c w e l d i n g m o u l d . 4 . 1 . 4 W e l d e d c o n n e c t i o n s : - C o p p e r c a n b e j o i n t e d b y b r o n z e w e l d i n g o r g a s s h i e l d a r c w e l d i n g . B r o n z e w e l d i n g i s a n e f f e c t i v e . l o w c o s t j o i n t i n g t e c h n i q u e , u s e d p r i m a r i l y t o m a k e o n s i t e j o i n t s . W h e n h e a v i e r g a u g e c o p p e r c o m p o n e n t s n e e d t o b e j o i n t e d , t h e n g a s s h i e l d e d a r c w e l d i n g i s u s e d . 1 7 C h a p t e r 5 S o i l R e s i s t i v i t y T h e m o s t i m p o r t a n t r e m a i n i n g f a c t o r i n f l u e n c i n g t h e i m p e d a n c e o f t h e e a r t h i n g s y s t e m i s t h e i m p e d a n c e o f t h e m e d i u m i n w h i c h t h e e a r t h e l e c t r o d e s a r e s i t u a t e d . i . e t h e s o i l . 5 . 1 E f f e c t s o f s o i l r e s i s t i v i t y o n g r o u n d E l e c t r o d e R e s i s t a n c e A c c u r a t e d e s i g n o f a g r o u n d i n g s y s t e m r e q u i r e s a n a c c u r a t e ; : t s s e s s m e n t o f t h e s i t e ' s s o i l c o n d i t i o n s , s i n c e t h e v a l u e o f t h e r e s i s t a n c e o f t h e e l e c t r o d e i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e s o i l r e s i s t i v i t y . I I o w e v e r , e v e n a s m a l l s i t e w i l l o f t e n h a v e w i d e l y v a r y i n g s o i l r e s i s t i v i t y f r o m o n e s p o t t o a n o t h e r . T h e r e f o r e i t i s v e r y i m p o r t a n t t o m e a s u r e t h e s o i l r e s i s t i v i t y a c c u r a t e l y . T h e s o i l c o m p o s i t i o n , m o i s t u r e c o n t e n t a n d t e m p e r a t u r e a l l i m p a c t t h e s o i l r e s i s t i v i t y . S o i l i s r a r e l y h o m o g e n e o u s a n d t h e r e s i s t i v i t y o f t h e s o i l w i l l v a r y g e o g r a p h i c a l l y a n d a t d i f f e r e n t s o i l d e p t h s . M o i s t u r e c o n t e n t c h a n g e s s e a s o n a l l y , v a r i e s a c c o r d i n g t o t h e n a t u r e o f t h e s u b l a y e r s o f e a r t h . a n d t h e d e p t h o f t h e p e r m a n e n t w a t e r t a b l e . 5 . 2 M e a s u r e m e n t o f s o i l r e s i s t i v i t y T h e t e s t i s t r a d i t i o n a l l y c a r r i e d o u t b y W e n n e r f o u r p o i n t m e t h o d , i . e . u s i n g a f o u r - t e r m i n a l e a r t h t e s t e r . f o u r s p i k e s a r c d r i v e n i n t o t h e g r o u n d a s s h o w n i n t h e d i a g r a m . C 1 P 1 P 2 C 2 ? < ? q q . / / / / , ' , . · ( . _ a . . ( 4 - a . . ( L _ t e s t s p i k e I - l . _ a . . 1 - 1 J [ [ F i g u r e 5 . 1 C o n n e c t i n g m e t h o d o f t e s t s p i k e s f o r m e a s u r e m e n t o f s o i l r e s i s t i v i t y . [ 7 ] 1 8 F i g u r e 5 . 2 d · H < L . r r ;'vHJflt~ ; " t i \ f J ~·, . \ ~: · t ;-."~ . ' . 1 . 1 1 ' ' ' ·~ ; . - ' l M e a s u r e m e n t o f s o i l r e s i s t i v i t y / T 1 i 3 a 1 1 7 1 T h e f o u r r o d s n e e d n o t b e i n s a m e d i a m e t e r b u t s h o u l d b e f o r c e d i n t o t h e s o i l t o a p p r o x i m a t e l y t h e s a m e d e p t h i n a t t h e s o i l s u r f a c e . T h e r o d s s h o u l d b e i n s t r a i g h t l i n e , u n i f o r m l y s e p a r a t e a p a r t · a · . S p a c i n g s h o u l d b e a t l e a s t t h r e e , p r e f e r a b l y f o u r t i m e d e p t h . B u t v e r y w i d e s p a c i n g n e e d a l a r g e t e s t c u r r e n t a n d a f a i r l y h i g h s u p p l y v o l t a g e f o r a c c u r a c y . A c u r r e n t i s d r i v e n b e t w e e n t h e t \ \ O o u t e r m o s t r o d s a n d m e a s u r e d . T h e r e s u l t i n g v o l t a g e b e t w e e n t h e i n n e r p a i r o f r o d s i s m e a s u r e d . T h e n c a l c u l a t e a s f o l l o w s : S o i l R e s i s t i v i t y ( o h m m e t e r ) = 2 x n x s p a c i n g i n m e t e r s ( a ) x R e s i s t a n c e ( O h m ) ( R ) T h e t e r m · ' a p p a r e n t r e s i s t i v i t y " i s u s e d s i n c e t h e a b o v e f o r m u l a a s s u m e s t h a t t h e s o i l i s u n i f o r m t o a d e p t h ' " a " m e t e r s b e l o w t h e c e n t r e p o i n t o f t h e m e a s u r e m e n t t r a v e r s e . T h e Y o l t m e t c r m u s t b e a h i g h r e s i s t a n c e t y p e , a t l e a s t 2 0 t i m e s t h e r e s i s t a n c e o f t h e s o i l b e t w e e n t h e p a i r o f e l e c t r o d e s . T o a v o i d e r r o r s d u e t o e x t r a n e o u s e a r t h c u r r e n t s o r e l e c t r o - c h e m i c a l p o t e n t i a l s . t a k e t h e m e a n o f m e a s u r e m e n t s w i t h r a p i d c u r r e n t r e v e r s a l s , o r u s e a n a l t e r n a t i n g 5 0 T 1 7 s u p p l y c u r r e n t . 1 9 " . . . , . . . . . . . ~ . . . . . . . : . J ' i ~J W e a r e a b l e t o o b t a i n i n f o r m a t i o n a b o u t t h e a c t u a l s o i l l a y e r i n g b y t a k i n g a s e r i e s o f r e a d i n g s , w i t h . . a " b e i n g i n c r e a s e d b y l m s t e p s u p t o 6 m s e p a r a t i o n , t h e n 6 m s t e p s u p t o t y p i c a l l y 3 0 m s e p a r a t i o n . A c u r v e o f r e s i s t i v i t y a g a i n s t s e p a r a t i o n s h o u l d b e d r a w n d u r i n g t h e m e a s u r e m e n t e x e r c i s e . T h i s w i l l p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e g e n e r a l s t r u c t u r e o f t h e s o i l i n t h e l o c a l i t y , i d e n t i f y , r o u g h r e a d i n g s a n d h e l p i n d e c i d i n g h o w m a n y m e a s u r e m e n t s a r e r e q u i r e d . A p p a r e n t s o i l r e s i s t i v i t y p l o t t e d a g a i n s t t e s t s p i k e s e p a r a t i o n - r e l a t i v e l y u n i f o r m s o i l . r " " ; • . 1 ' • . . . e l l ' a ) E E . . . : : 1 : 1 ; ? ; I J 7 0 ~· 6 1 J :~ . . . . ' " " ' • . I ' • e l l " ' - c : : 1 1 . . . ( 1 ) Q . . 0 . . . ' , ( ] . o t - - 4 1 ) I I I ~ I r I I I ~ t I . I I A I . A l . . I L • • I 1 M e a s u r e d R e s u l t s - - - - - - - C o m p u t e . r R e s u l h 1 • . : : I • I • . . . . · - - - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - - - . I • . . I ) ' - - - - - - - - - - - - - - - - - 0 1 C l 2 0 3 0 E l e c t r o d e S P r l c i n g ( m e t e r s ) F i g u r e 5 . 3 A G r a p e o f s o i l r e s i s t i v i t y V s E l e c t r o d e s p a c e [ 1 ] 2 0 I ~\ , . J C h a p t e r 6 F a c t o r s A f f e c t i n g s o i l R e s i s t i v i t y f o l l c m i n g f a c t o r s a r c a f f e c t i n g s o i l r e s i s t i v i t y . • m o i s t u r e C o n t e n t • t e m p e r a t u r e • s a l t C o n t e n t . . . 6 . 1 E f f e c t o f m o i s t u r e c o n t e n t o n s o i l r e s i s t i v i t y M o i s t u r e c o n t e n t i s o n e o f t h e c o n t r o l l i n g f a c t o r s i n s o i l r e s i s t i v i t y . F o l l o w i n g f i g u r e s h o w s t h e v a r i a t i o n o f r e s i s t i v i t y o f d i f f e r e n t s o i l s w i t h p e r c e n t a g e o f m o i s t u r e . T h e m o i s t u r e c o n t e n t i s e x p r e s s e d i n p e r c e n t b y w e i g h t o f t h e d r y s o i l . A c c o r d i n g t o t h e f i g u r e t h a t a b o v e a b o u t 2 0 p e r c e n t m o i s t u r e , t h e r e s i s t i v i t y i s v e r y l i t t l e a f f e c t e d , w h i l e b e l o w 2 0 p e r c e n t t h e r e s i s t i v i t y i n c r e a s e s v e r y a b r u p t l y w i t h t h e d e c r e a s e i n m o i s t u r e c o n t e n t . A d i f f e r e n c e o f a f e w p e r c e n t m o i s t u r e w i l l t h e r e f o r e , m a k e a v e r y m a r k e d d i f f e r e n c e i n t h e e f f e c t i v e n e s s o f e a r t h c o n n e c t i o n i f t h e m o i s t u r e c o n t e n t f a l l s b e l l o w 2 0 p e r c e n t . T h e n o r m a l m o i s t u r e c o n t e n t o f s o i l s r a n g e s f r o m I 0 p e r c e n t i n d r y s e a s o n s t o 3 5 p e r c e n t i n w e t s e a s o n s , a n d a n a p p r o x i m a t e a v e r a g e m a y b e p e r h a p s 1 6 t o 1 8 p e r c e n t . T ( ) : - : - -~ . . . ( _ ; ' ) C . · ' : • ' I J L ' U U < , I < j J . < , I d t J · < , .~:(J . < , , · ; ( ) < , _ \ \ \~:2" \ \ ' \ C b ' I \ \ , / · . . ~ ~\~ - - ~~~:.~;[~ . . ~., "'"''-----~~ \ - - 1 - - - · + . . . . . . . . . . . . + . - · · · - - - 1 - - - - f - - - - 1 u , . , c : I / , ' - ' d l J : : : : : . · ; 1 : 2 : · , f ' . / 1 0 1 S • J i . d : : B Y l 0 t : : I~C c I r . . ' : , . r . _ ; e : F i g u r e 6 . 1 T h e i n f l u e n c e o f m o i s t u r e c o n t e n t [ 2 1 2 1 l ; " i . . . j I t s h o u l d b e r e c o g n i z e d , h o w e v e r , t h a t m o i s t u r e a l o n e i s n o t t h e p r e d o m i n a n t f a c t o r i n t h e l o w r e s i s t i v i t y o f s o i l s . I f t h e w a t e r i s r e l a t i v e l y p u r e , i t w i l l b e h i g h r e s i s t i v i t y a n d u n l e s s t h e s o i l c o n t a i n s s u f f i c i e n t n a t u r a l e l e m e n t s t o f o r m a c o n d u c t i n g e l e c t r o l y t e , t h e a b u n d a n c e o f w a t e r w i l l n o t p r o v i d e t h e s o i l w i t h a d e q u a t e c o n d u c t i v i t y . T h e v a l u e o f h i g h m o i s t u r e c o n t e n t i n s o i l s i s a d Y a n t a g e o u s i n i n c r e a s i n g t h e s o l u b i l i t y o f e x i s t i n g n a t u r a l e l e m e n t s i n t h e s o i l , a n d i n p r o v i d i n g f o r t h e s o l u b i l i t y o f i n g r e d i e n t s w h i c h m a y b e a r t i f i c i a l l y i n t r o d u c e d t o i m p r o v e t h e s o i l c o n d u c t i v i t y . 6 . : 2 E f f e c t o f T e m p e r a t u r e o n s o i l r e s i s t i v i t y T I K t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t o f r e s i s t i v i t y f o r s o i l i s n e g a t i v e , b u ( i s n e g l i g i b l e f o r t e m p e r a t u r e a h o \ c f r e e z i n g p o i n t . A t a b o u t 2 0 ° C , t h e r e s i s t i v i t y c h a n g e i s a b o u t 9 p e r c e n t p e r d e g r e e C e l s i u s . B c l o \ \ O " C t h e w a t e r i n t h e s o i l b e g i n s t o f r e e z e a n d i n t r o d u c e , a t r e m e n d o u s i n c r e a s e i n t h e t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e n t , s o t h a t t h e t e m p e r a t u r e b e c o m e s l o w e r t h e r e s i s t i v i t y r i s e s e n o r m o u s l y . E ( ) I E _ c 0 - 2 - > - + - i f ) i f ) Q ) c : : : , _ _ < I · , . . I < : . ) . . ; _ 1 , J · I r · . r J , - ) f - ' , - , { - \ { - \ r . I · - , _ _ . . I , _ . , _ . , _ , , , r n . ( , - . r - v - · ( - 1 ( - \ , - ) . · - \ ~ , - , ; : , - \ , _ , I , _ ) I~-) , _ ~- · - - · • - ' - , _ . - + - - - - ~-~-----~~ ~ j:·~l ·~.(', .·~:~! ~ . . . . . I C E \ / ' · . / o t c r T c r T , p c r o t L J r c : , C F i g u r e 6 . 2 T h e i n f l u e n c e o f t e m p e r a t u r e [ 2 ] 2 2 \ J 6 . 3 E f f e c t o f s a l t c o n t e n t o n s o i l r e s i s t i v i t y T h e m i n e r a l c o n t e n t h a s t h e m o s t d r a m a t i c i n f l u e n c e , a s i l l u s t r a t e d b y t h e f o l l o w i n g f i g u r e . T h e h i g h e r m i n e r a l c o n t e n t a l s o r e d u c e s s o i l s e n s i t i v i t y t o m o i s t u r e c o n t e n t . I t i s t h e r e f o r e , o b v i o u s t h a t i n c r e a s i n g t h e m i n e r a l c o n t e n t i s t h e f i r s t s t e p t o b e c o n s i d e r e d i n s o i l c o n d i t i o n i n g . \ \ \ \ i 1 \ ~ ' " \~ ~ / " ' · y - - - - - - - - - - - - - I ~·I ~ . . ' " - . " " ' . . . . . . . ·,~ ~"-- · , - ) ~:,\_ 7 = = · : r l r = · . l : ' c \ = ! : - \ i ; : J S T J R [ h ' ' · . , ' . , - ] ( . 1 r - - - - . ----~--. F i g u r e 6 . 3 T h e i n f l u e n c e o f s a l t c o n t e n t [ 2 I 2 3 \ ) C h a p t e r 7 C r i t i c a l C y l i n d e r 7 . 1 R e p l a c i n g s o i l i n t h e I n t e r f a c i n g H e m i s p h e r e ( I H ) S i n 1 x a b o u t 9 5 % o f t h e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e o f a g i v e n e l e c t r o d e i s d e t e r m i n e d b y t h e c h a r a c t e r o f t h e s o i l w i t h i n t h e I n t e r f a c i n g H e m i s p h e r e , i t i s o b v i o u s t h a t r e p l a c i n g t h a t s o i l w i t h a m o r e c o n d u c t i v e s o i l c o u l d a c h i e v e t h e d e s i r e d o b j e c t i v e . H o w e v e r , t h a t a~tion m a y p r o v e i m p r a c t i c a l . A m o r e p r a c t i c a l a c t i o n m a y b e t o r e p l a c e o n l y t h a t p a r t o f t h e s o i l t h a t e x e r c i s e s t h e g r e a t e s t i n 1 l u c n c c o n t h e u l t i m a t e g r o u n d i n g r e s i s t a n c e a n d t o u s e t h e l o w e s t r e s i s t i v i t y s o i l a v a i l a b l e . F i g u r e 7 . I p r e s e n t s a p l o t d e m o n s t r a t i n g t h e i n f l u e n c e o f t h e s u r r o u n d i n g s o i l a s a f u n c t i o n o f t h e r a d i u s o f w h a t w e c h o o s e t o c a l l t h e " C r i t i c a l C y l i n d e r " ( t h a t i s , t h e a m o u n t o f b a c k f i l l t o b e p h t c l · d a r o u n d t h e g r o u n d i n g e l e c t r o d e ) . N o t i c e t h a t i f w e u s e a 1 0 f e e t r o d , 5 2 % o f t h e c o n n e c t i o n i s c o m p l e t e d b y a 1 2 - i n c h - d i a m e t e r C r i t i c a l C y l i n d e r , a n d 6 8 % o f t h a t c o n n e c t i o n i s c o m p l e t e d b y a 2 4 - i n c h C r i t i c a l C y l i n d e r . T h e m o s t p r o d u c t i v e o p t i o n i s t h e r e f o r e e x p e c t e d t o b e b e t \ \ c c n t h e s e t w o d i a m e t e r s . R I , / t . J H . I D 1 0 0 ~~ / 9 4 % , , s o 5 2 % 6 C I ~. - - 6 8 % 4 0 ? 0 2 5 % 0 . 1 0 . 5 L O 5 . 0 1 0 . 0 P , f F T F i g u r e 7 . 1 T h e i n f l u e n c e o f s o i l w i t h i n t h e c r i t i c a l c y l i n d e r . [ 2 ] T h l · • n c a s u r e d r e s i s t a n c e c h a n g e a s a f u n c t i o n o f d i s t a n c e f r o m t h e r o d a s f o l l o w s . 2 4 ~ ~-. } . . . 4 - ~\~ ~" "~ ~~ ? - + - - - + - - - - - + - - - 1 · · 1 J L ! l . ' I~ F i g u r e 7 . 2 P e r c e n t C h a n g e i n R e s i s t a n c e V s D i s t a n c e f r o m R o d 1 2 I A c c o r d i n g t o t h e a b o v e f i g u r e w e c a n u n d e r s t a n d t h a t t h e c h a n g e i n m e a s u r e d r e s i s t a n c e d e c r e a s e s e x p o n e n t i a l l y w i t h d i s t a n c e f r o m t h e r o d . H m v e v e r a t a b o u t 1 . 1 t i m e s t h e l e n g t h o f t h e r o d i n e a r t h , t h e c h a n g e i n r e s i s t a n c e b e c o m e s n e g l i g i b l e . T h i s i n d i c a t e s t h a t i t s c o n n e c t i o n t o e a r t h i s n e a r l y c o m p l e t e . A c t u a l l y , a b o u t 9 5 % ± 2 ° ! ( > o r t h e c o n n e c t i o n h a s b e e n c o m p l e t e d . / ' / / . . - - - /~ f . ; > f ' " __...--~ - - - - - . . . . . _ _ _ _ _ r~•·~""'-~-- . . i ' - - , ' - - - - . . I - - - " - - ~ \ F i g u r e 7 . 3 T h e I n t e r f a c i n g H e m i s p h e r e [ 2 1 2 5 \ . . . . r : " l 7 F r u m t h e s e d a t a , w e k n o w t h a t f o r e v e r y r o d d r i v e n i n t o e a r t h , a n i n t e r f a c i n g h e m i s p h e r e o f t h a t e a r t h i s r e q u i r e d t o c o m p l e t e t h e e l e c t r i c a l c o n n e c t i o n . T h e d i a m e t e r o f t h a t h e m i s p h e r e i s a p p r o x i m a t e l y 2 . 2 t i m e s t h e l e n g t h o f t h e r o d ( L ) i n e a r t h , a s i l l u s t r a t e d b y t h e a b o v e f i g u r e . W h e n m o r e t h a n o n e r o d i s r e q u i r e d , t h e y s h o u l d b e s p a c e d n o c l o s e r t h a n 2 . 2 t i m e s t h e l e n g t h o f t h a t r o d i n a n y d i r e c t i o n . I f m u l t i p l e r o d s a r e d r i v e n t o o c l o s e t o g e t h e r , t h o s e c o n n e c t i o n s a r e c o n s i d e r e d i n c o m p l e t e ; b e c a u s e a l l r o d s d o n o t h a v e a c o m p l e t e i n t e r f a c i n g h e m i s p h e r e , a n d t h e c l ' f c c t i v e n e s s o f t h o s e a d d i t i o n a l r o d s a r e r e d u c e d p r o p o r t i o n a t e l y a n d i n r e a l i t y , w a s t e d . " " , . " " " " " " " " ' · - - . . ·~·-·---------------·-·--·---····-------·····-·--·- /J'~--.._ ; ~---~ I ~ ~~ I ~~-~~I . . , . , " ' . . . . . . " · · ---·1'1-''-'1-11~+ + + ~ I ...-.-~'..,.v ' * ' - I I , ! _ _ _ , I ~ + • + • - I t ' ·~·~ -~ -~(~ · 1 • • • * • • ~- . o C . < ~~ * * " * L . L . . --~ . . . . . . . . . ~-- \ J o , " " , t F i g u r e 7 . 4 R o d s t o o c l o s e [ 2 I ~~-~-·--··-fr . ~ / ' / " . . . ---~~~ / ~r;~~)jx -~1·< + - 1 J _ ' I . i · - ~·· _ _ l . - / I • I 1 / 1 r 1 I ~ i ' 2 1 ! I I _ / I I ' - - ' I I . . . I \ i - · " / ~I····.····· '-~ / , - . . . . _ I '"'-.:;"--~ / / ~ / F i g u r e 7 . 5 C r i t i c a l C y l i n d e r [ 2 I ~ 2 6 \ 1 C h a p t e r 8 B a c k f i l l i n g A c c , 1 r d i n g t o t h e d a t a i n c h a p t e r 7 t h e s o i l i n t h e i n t e r f a c i n g h e m i s p h e r e s h o u l d h a v e l o w r e s i : - . t i Y i t y t o g e t a l o w e a r t h r e s i s t a n c e . N o r m a l l y , t h e r e s i s t i v i t y o f v a r i o u s t y p e o f s o i l i s a s f o l l u \ \ s . S o i l t y p e M a r s h y g r o u n d L o a m a n d c l a y C h a l k S a n d P e a t S a n d y g r a v e l R o c k T a b l e 8 . 1 ; T y p i c a l r e s i s t i v i t y O h m - m 2 - 2 . 7 4 - 1 5 0 6 0 - 4 0 0 9 0 - 8 , 0 0 0 2 0 0 u p w a r d s 3 0 0 - 5 0 0 1 , 0 0 0 u p w a r d s T y p i c a l r e s i s t i v i t i e s o f v a r i o u s s o i l t y p e s [ 5 ] P r c : - ; c n t l y C E B u s c c o p p e r p l a t e d s t e e l r o d w i t h a G I c a g e a s t h e e a r t h e l e c t r o d e a n d c o n c r e t e a s b a c k l i l l i n g m a t e r i a l . B u t i t s e a r t h r e s i s t a n c e i s o v e r 5 0 O h m . S o I c o n d u c t e d t h r e e t e s t s t o c l a n r : t h e r e s u l t . I n o r d e r t o d o t h e t e s t , t h r e e e l e c t r o d e s w e r e i n s t a l l e d a s f o l l o w s . O n e m e t h o d i s e a r t h r o d w i t h a G I c a g e ( P r e s e n t l y C E B u s e t h i s m e t h o d ) a n d t h e o t h e r o n e i s e a r t h r o d w i t h o u t t h e ( T l c a g e . F o r b o t h t e s t s . e q u a l v o l u m e o f c o n c r e t e w a s u s e d f o r b a c k f i l l i n g . F i n a l m e t h o d i s a n l ' i c c t r o d e r o d w i t h o u t G I c a g e a n d e x i s t i n g s o i l a s t h e b a c k f i l l i n g m a t e r i a l . T h e r e s u l t s w e r e a s ! ( l l l o w s . R c : - . I : - ; t i \ i t y o f t h c s o i l i s a r o u n d 8 5 0 O h m m . ~ll_d M e t h o d E a r t h R e s i s t a n c e ( O h m ) - - \ \ i t h o u t G l c a g e w i t h e x i s t i n g s o i l 7 5 0 ' R l ) d w i t h o u t G l c a g e w i t h c o n c r e t e 1 9 5 . R o d w i t h G I c a g e \Vith~oncrete 8 2 A c c u r d i n g t o t h a t r e s u l t w e c a n u n d e r s t a n d c o n c r e t e i s n o t a g o o d b a c k f i l l i n g m a t e r i a l . B u t n o w a d a \ " C E B u s e c o n c r e t e t o p r o t e c t t h e G I c a g e f r o m c o r r o s i o n . H o w e v e r e a r t h r e s i s t a n c e o f 1 0 o h m t a r g e t c a n n o t b e a c h i e v e d f r o m t h e s e m e t h o d s . 2 7 ~ ~\ - - . 7 / - , + -~'-';/:, F i g u r e 8 . 1 E a r t h e l e c t r o d e w i t h o u t G l c a g e F i g u r e 8 . 2 E a r t h e l e c t r o d e w i t h G I c a g e . ~ 1 2 8 8 . 1 B a c k f i l l i n g M a t e r i a l A c c o r d i n g t o t h e t a b l e 8 . 1 w e c a n u n d e r s t a n d t h e r e s i s t i v i t y o f t h e s o i l v a r i e s f r o m p l a c e t o p l a c e . T h e r e f o r e a t l e a s t t h e r e s i s t i v i t y o f t h e s o i l w h i c h i s i n t h e c r i t i c a l c y l i n d e r s h o u l d b e v e r y l o w t o g e t , t h e t t e r e a r t h r e s i s t a n c e r e a d i n g . T h e n i t w i l l b e c o m e i n d e p e n d e n t f r o m t h e s u r r o u n d i n g s o i l t y p l ' . S o s p e c i a l t y p e o f m i x t u r e w a s p r e p a r e d c o n s i d e r i n g f o l l o w i n g f a c t o r s A c u n · d i n g t o t h e c h a p t e r 6 s o m e p e r c e n t a g e o f m o i s t u r e s h o u l d b e i n t h a t m i x t u r e . T o k e e p t h e m o i s t u r e c o n t e n t f o r a l o n g p e r i o d , c o i r d u s t i s a v e r y g o o d m a t e r i a l . B u t i t i s v e r y d i f f i c u l t t o c o m p a c t i t p r o p e r l y . T h e r e f o r e c o i r d u s t i s m i x e d w i t h c l a y a n d p r e p a r e d a m i x t u r e . A f t e r t h a t c h a r c o a l d u s L c a r b o n p o w d e r w e r e c o l l e c t e d t o t h a t m i x t u r e a s c a r b o n i s a g o o d c o n d u c t i v e m a l l ' r i a l . I n a d d i t i o n t o t h a t . s a l t , g y p s u m a n d s o d i u m c a r b o n a t e (~ashing s o d a ) w e r e a d d e d f o r t h i s m i x t u r e . F i n a l l y t h a t m i x t u r e i s m i x e d w i t h w a t e r a n d m e a s u r e d t h e r e s i s t i v i t y . T h e n i t w a s a w u n d . . : J - O h m m . B u t ~lfkr C c w r a i n y d a y s t h e a r t i f i c i a l c h e m i c a l w h i c h w e a d d e d t o t h a t m i x t u r e w a s a b s o r b e d b y t i K e a r t h a n d t h e s o i l a r o u n d t h e e a r t h e l e c t r o d e b e c a m e n e u t r a l . T o o v e r c o m e t h a t p r o b l e m a b a r r l ' l \ v h i c h i s m a d e f r o m a l u m i n u m o r g a l v a n i z e d w a s u s e d a s f o l l o w s . H e n c e a l l c h e m i c a l s \ \ ! 1 1 1 . : 1 1 a r e i n t h a t m i x t u r e w i l l r e m a i n t h e r e . T h e n t h e m o i s t u r e c o n t e n t a l s o c a n b e m a i n t a i n e d \ \ i t h u u t a b s o r b i n g i t t o t h e e a r t h d u e t o t h a t b a r r e l . . ' ' ' · · · " . · . . . ·,::!~·~~:~:·;;~ F i g u r e 8 . 3 T h e b a r r e l w h i c h i s u s e d f o r b a c k f i l l i n g 2 9 ~ · ' l B a c k f i l l i n g m e t h o d b y a d d i n g c h e m i c a l s , , ' ' - - - - , ' - \ 3 , ' " / t ~>-! , , ~~ \ · ' \ - . ; ' · . . _ , F i g u r e 8 . 5 A f t e r 6 m o n t h s ~ ! - \ : j 3 0 I n i t i a l l y t h i s e l e c t r o d e w i l l t a k e s o m e w h a t h i g h e r v a l u e f o r t h e e a r t h r e s i s t a n c e . B u t a f t e r a f e w m o n t h s i t w i l l p r o p e r l y c o m p a c t a n d e a r t h r e s i s t a n c e w i l l b e r e d u c e d . A f t e r b a c k f i l l i n g , t h e e a r t h r e s i s t a n c e w a s m e a s u r e d m o n t h l y . N e x t t h e r e s u l t s w e r e t a b u l a t e d a s f o l l o w s . A c c o r d i n g t o t h e g r a p h t h e r e s i s t a n c e w i l l d r o p f r o m 5 7 t o 3 3 . T h e r e d u c t i o n p e r c e n t a g e i s 4 2 . 1 % . T h a t i s b e c a u s e o L n a t u r a l l y i t i s c o m p a c t e d a n d t h e c h e m i c a l s a r e p r o p e r l y m i x e d w i t h t h e s o i l . F i g u r e 8 . 5 i s t h e b t ' s l e x a m p l e f o r m a i n t a i n t h e m o i s t u r e c o n d i t i o n . A f t e r r a i n i n g t h e c o l l e c t e d w a t e r a r o u n d t h e e k c t r o d e w i l l n o t b e a b s o r b e d t o t h e g r o u n d d u e t o t h e b a r r e l . B u t b e c a u s e o f s u n r a y s t h a t w a t e r c a n h e v a p o r i z e d . H o w e v e r t h e m o i s t u r e l e v e l o f t h e s o i l i n t h e b a r r e l c a n b e m a i n t a i n e d a t a h i g h e r l e v e l t h a n t h e n o r m a l s o i l o f t h e g r o u n d b e c a u s e o f t h e c o i r d u s t i n t h e m i x e r . 6 0 E - ' = 5 0 0 s : : : : : 4 0 ~ 3 0 s : : : : : ~ 2 0 e n · ; ; ; 1 0 Q ) 0 : : : 0 T i m e i n R e s i s t a n c e J m o n t h i n O h m ( F i r s t d a y ) 0 5 7 1 4 8 2 4 0 3 3 6 4 3 4 5 3 3 ' 6 3 3 R e s i s t a n c e V a r i a n c e a c c o r d i n g t o t h e t i m e S e r i e s 2 ~~~~~-----~~ ~~~~--~~~----~~~ ~~-~~~---- ~ ~~~-~~--~-~ 2 3 4 5 6 7 T i m e i n m o n t h F i g u r e 8 . 6 E a r t h r e s i s t a n c e V s T i m e 1 h v r e s i s t i v i t y o f t h e s u r r o u n d i n g s o i l i s a r o u n d 4 0 0 O h m m . T h e l o w e s t m e a s u r e d o v e r a l l e a r t h r e s i s t a n c e i s a r o u n d 3 3 O h m a f t e r 6 m o n t h s . H e n c e t h e r e s i s t i v i t y o f t h e m i x t u r e c a n b e a s s u m e d a~ I 0 h m m a t t h a t t i m e . O t h e r w i s e i t i s v e r y d i f f i c u l t t o m e a s u r e t h e r e s i s t i v i t y o f t h e m i x t u r e i n 3 1 ~\ - · . ; ] t h e b a r r e l . T h a t i s b e c a u s e t h e s o i l i n t h e b a r r e l i s p r o p e r l y m i x e d w i t h t h e c h e m i c a l s a n d c o m p a c t e d p r o p e r l y . T h e t o t a l c o s t f o r t h i s e l e c t r o d e i s a r o u n d R s . 3 0 0 0 . 0 0 o n l y . T h e r e f o r e t h i s i s a v e r y l o w c o s t m e t h o d w h i c h i s n o t a v a i l a b l e i n t h e m a r k e t . T h e m a i n a d v a n t a g e o f t h i s e l e c t r o d e i s t h e v e r y l o w r e s i s t a n c e w h i c h e x i s t s f o r a l o n g e r p e r i o d 8 . 2 O t h e r B a c k f i l l i n g m a t e r i a l I n a d d i t i o n t o a b o v e t h e r e a r e s o m e c h e m i c a l s i n t h e m a r k e t t o r e d u c e t h e e a r t h r e s i s t i v i t y o f t h e s o i l a n d t h e y c a n b e u s e d f o r b a c k f i l l i n g a s d e s c r i b e d f o l l o w s . B u t i t i s v e r y e x p e n s i v e . 8 . 2 . 1 B e n t o n i t e ? B e n t o n i t e i s o n e o f c h e m i c a l w h i c h i s u s e d f o r b a c k f i l l i n g o f e a r t h e l e c t r o d e s . I t i s a n a t u r a l f o r m i n g . p a l e o l i v e b r o w n c l a y . I t c a n a b s o r b n e a r l y f i v e t i m e s i t s w e i g h t o f w a t e r a n d i n d o i n g s o . c a n s w e l l u p t o t h i r t e e n t i m e s i t s d r y v o l u m e . I t s c h e m i c a l n a m e i s s o d i u m m o n t m o r i l l o n i t e . \ \ h e n i n s i t u . i t c a n a b s o r b m o i s t u r e f r o m t h e s u r r o u n d i n g s o i l a n d t h i s i s t h e m a i n r e a s o n f o r u s i n g i t . , s i n c e t h i s p r o p e r t y h e l p s s t a b i l i z e t h e e l e c t r o d e i m p e d a n c e t h r o u g h o u t t h e y e a r . I t h a s I l l \ \ r e s i s t i v i t y a p p r o x i m a t e l y 5 O h m m e t e r s ( R e f l ) , a n d i s n o n - c o r r o s i v e . U n d e r e x t r e m e l y d r y c u n d i t i o n s , t h e m i x t u r e c a n c r a c k t h e r e b y a f f o r d i n g l i t t l e c o n t a c t t o e l e c t r o d e . F i g u r e 8 . 7 8 . 2 . 2 M a r c o n i t e ' " , . _ , , , - ' f o I J t I : .·~ f . r : ( ' 1 t~-.r , , , . L • . . . , f l l · - _ - " ' P f " d l • • ; • • • • • - 1~.,. 5 I : l , . , . . . . . . ~ " " · - ~·:J B e n t o n i t e ( 2 1 ) . \ l a r c o n i t e i s o n e o f c h e m i c a l w h i c h i s u s e f o r r e d u c e t h e e a r t h r e s i s t i v i t y o f t h e s o i l . B y a d d i n g 1 \ l c t r c o n i t e i n p l a c e o f s a n d a n d a g g r e g a t e , t o c e m e n t , a c o n d u c t i v e c o n c r e t e i s f o r m e d . T h i s c k c t r i c a l l y c o n d u c t i v e c o n c r e t e i s v e r y g o o d f o r u s e a s a b a c k f i l l i n g m a t e r i a l f o r e a r t h 3 2 ~ I e h t r o d c s . W h e n u s e d a s a b a c k f i l l f o r e a r t h e l e c t r o d e s , M a r c o n i t e i m p r e g n a t e d c o n c r e t e g r e a t l y i n c r L ' a s e s t h e e l e c t r o d e s s u r f a c e a r e a t h u s l o w e r i n g i t s r e s i s t a n c e t o e a r t h . 1 v t 1 1 n m i t e c o n t a i n s a c r y s t a l l i n e f o r m o f c a r b o n a n d t h e o v e r a l l m a t e r i a l h a s a l o w s u l p h u r a n d c h l ( l r i d e c o n t e n t . I t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t s o m e c o r r o s i o n o f f e r r o u s m e t a l a n d c o p p e r o c c u r e \ \ h i ] c ; t t h e M a r c o n i t e i s i n s l u r r y f o r m , b u t i t i s s u g g e s t e d t h a t a t h i n p r o t e c t i v e l a y e r f o r m s . W h e n t h L ' L · n n c r e t e h a s s e t , c o r r o s i o n i s s a i d t o c e a s e . M e t a l s h o u l d i d e a l l y b e p a i n t e d w i t h b i t u m e n o r a b i t u m a t i c p a i n t a s i t e n t e r s t h e M a r c o n i t e s t r u c t u r e t o p r e v e n t c o r r o s i o n a t t h i s p o i n t . A l u m i n i u m . t i n l ' O a t e d o r g a l v a n i z e d s t e e l s h o u l d n o t b e i n s t a l l e d i n M a r c o n i t e . N \ \ r m a l l y M a r c o n i t e i s c o n s i d e r e d a s h a v i n g a r e s i s t i v i t y o f 2 O m . W h e n i t i s m i x e d w i t h C l l i 1 L T c t e . i t s r e s i s t i v i t y c a n f a l l t o a s l o w a s 0 . 1 O h m - m e t e r ( R e f ' l ) . I t w i l l r e t a i n i t s m o i s t u r e l ' \ c 1 1 u n d e r q u i t e d r y c o n d i t i o n s , s o h a s b e e n u s e d i n t h e h o t t e r c l i m a t e s . : t v L 1 1 c o n i t e i s g o o d b a c k f i l l i n g m a t e r i a l f o r e a r t h e l e c t r o d e s w h i c h a r e i n r o c k s . I I e n c e w e c a n r e d u c e t h e r e s i s t a n c e o f e a r t h e l e c t r o d e b y i n c r e a s i n g t h e v o l u m e o f M a r c o n i t e . ~< ~ ~" l " l s ; t ~f£1-,~'[ - ' ~ . . 1~1 ·c~Jr r h : ; ! - - . L - . : l < S F i g u r e 8 . 8 E a r t h e l e c t r o d e i n a r o c k [ 2 1 ] F i g u r e 8 . 9 M a r c o n i t e [ 2 1 ] · . • ' 3 3 ~ . . ~"· ' 1 C h a p t e r 9 M e a s u r i n g E a r t h R e s i s t a n c e T h c r · l · a r e s e v e r a l m e t h o d s t o m e a s u r e t h e e a r t h r e s i s t a n c e o f a n e l e c t r o d e . B u t f a l l o f p o t e n t i a l n k · t h o d i s t h e m o s t p o p u l a r a n d t h e a c c u r a t e m e t h o d f o r t e s t t h e e a r t h r e s i s t a n c e . I t i s a s f o l l o w s . F i g u r e 9 . 1 E : . H t i l -i+'tl•lil~ ; • . , 1 : • • ~!:·~ l t i ! 1 > - l · A : d ; . ; . I . ' ' ' ; • . . o l . l , 4 , 1 1 2 1 " " ' ; ' · : \ " I I ' , . , ( • 1 1 1 8 1 ' ' ' ' · ' ' ' " " M e a s u r i n g t h e E a r t h r e s i s t a n c e [ 7 ] 1 1 r~t. t h e e a r t h e l e c t r o d e o f i n t e r e s t m u s t b e d i s c o n n e c t e d f r o m i t s c o n n e c t i o n t o t h e s i t e . S e c o n d , t h L · t e s t e r i s c o n n e c t e d t o t h e e a r t h e l e c t r o d e . T h e n f o r t h e 3 p o l e f a l l o f p o t e n t i a l t e s t , t w o e a r t h s t a h · s a r e p l a c e d i n t h e s o i l i n a d i r e c t l i n e a w a y f r o m t h e e a r t h e l e c t r o d e . N o r m a l l y , s p a c i n g o f . 2 1 1 m e t e r s ( 6 5 f e e t ) i s s u f f i c i e n t . A k n o w n c u r r e n t i s g e n e r a t e d b e t w e e n t h e o u t e r s t a k e ( a u x i l i a r y e a r t h s t a k e ) a n d t h e e a r t h e k c t r o d e , w h i l e t h e d r o p i n p o t e n t i a l i s m e a s u r e d b e t w e e n t h e i n n e r e a r t h s t a k e a n d t h e e a r t h e k l · t r o d e . U s i n g O h m ' s l a w ( V = I R ) , t h e t e s t e r a u t o m a t i c a l l y c a l c u l a t e s t h e r e s i s t a n c e o f t h e e a r t h c k l · t r o d c . ( , l l m c c t t h e g r o u n d t e s t e r a s s h o w n i n t h e a b o v e f i g u r e . P r e s s S T A R T a n d r e a d o u t t h e R F (r~.·~J-.;tancc) v a l u e . T h i s i s t h e a c t u a l v a l u e o f t h e g r o u n d e l e c t r o d e u n d e r t e s t . I f t h e g r o u n d ck~.:trode i s i n p a r a l l e l o r s e r i e s w i t h o t h e r g r o u n d r o d s , t h e R E v a l u e i s t h e t o t a l v a l u e o f a l l rl·~ 1 s t a n c e s . 3 4 ~ , . j · " > ' ~ · . . . . - - - . ·;~ •~ ~-'t I -~ I I , ' · e : - . :,:__~.::: · ' 0 - J i I . , \ i X ' - ' - - ! - ' - · · · · · · · l i ! ' L ! i : . , . . : l ~d. , i ' ' ' i ! ' : ~J : p ~!--'-,"·-~,:·-~~ f - • - l f ( · , y - . _ , n : _ i ! J . : _ l ( y . : r · : ! q ; ;::,c·~ . " ' - , . , \ \ \ I I v n · ! I I ~J ~ 4 • • ~ ; F i g u r e 9 . 2 M e t h o d o f m e a s u r i n g t h e e a r t h r e s i s t a n c e [ 7 ] 1 h h f i g u r e s h o w s t h e a r r a n g e m e n t o f s p i k e s . T h e n C 1 P 1 t e r m i n a l s m a y b e b r i d g e d a t t h e i n s t r u m e n t a n d c o n n e c t t o t h e e a r t h e l e c t r o d e w i t h a s i n g l e l e a d . T e r m i n a l s C 2 a n d P 2 a r e C l l ! l ! l e c t e d t o t e m p o r a r y s p i k e s w h i c h d r i v e n i n t o t h e g r o u n d , m a k i n g a s t r a i g h t l i n e w i t h t h e c k c t r o d e u n d e r t e s t . I t i s i m p o r t a n t t h a t t h e t e s t s p i k e s a r e f a r e n o u g h f r o m e a c h o t h e r a n d f r o m t h e l ' k c t r o d e u n d e r t e s t . I \ ) l ' n s u r e t h a t r e s i s t a n c e a r e a s d o n o t o v e r l a p , s e c o n d a n d t h i r d t e s t s a r e m a d e w i t h t h e e l e c t r o d e l 1 0 ° 1 o o f t h e X t o Y d i s t a n c e n e a r e r t o , a n d t h e n 1 0 % f u r t h e r f r o m X . I f t h r e e r e a d i n g s a r e s u b s t a n t i a l l y i n a g r e e m e n t , t h i s i s t h e r e s i s t a n c e o f e l e c t r o d e u n d e r t e s t . I f n o t , t e s t e l e c t r o d e Y a n d 1 m u s t b e m o v e d f u r t h e r f r o m X a n d t h e t e s t r e p e a t e d . 3 5 ~ · · ' · ? l ( i I · ' · - - 1 \ - - . · · - - - . . - - - - - - - - - - - - - - - - - - --~-- - - - - - . . . . . - - - - - . - - - - ! i _ _ _ _ _ _ _ _ } _ _ ----~- u u _ , , u X t _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ r _ _ _ _ _ _ . . _ _ _ \ ' , _ . , • i h p t : d . l r ! i , , 1 ! z.~ ' L . l ) , / ' . : : . . r t - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ·~ - - - - - - - - - - - - - . - - - - - 1 - - - - . . . . . ; . . - - - . . . - + - h : : u u u - " ~ . . " ' " ·~ " . . . . - . , . . . ~" , . , . . . , . , ~ . . . . . . . , . , . - - - . i _ - - u ------~~~---------T···-•··-~-- -~- - , · - ! : t · · r - - " " ' ' ' " ' ~w.o---·-- :_;.1.:~ : . ( • ' 1 " ~ ~: ! ~l · 1 ' 7 l ' ) F i g u r e 9 . 3 E f f e c t o f o v e r l a p p i n g r e s i s t a n c e a r e a s , 1 7 ] ( a ) r e s i s t a n c e s a r e a s n o t o v e r l a p p i n g ( b ) r e s i s t a n c e a r e a s o v e r l a p p i n g I l k ' a b o v e f i g u r e s h o w s t h e v a r i a n c e o f t h e v o l t a g e a c c o r d i n g t o t h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e s p i k e s . I h e n t h e e a r t h r e s i s t a n c e V s d i s t a n c e b e t w e e n t h e e l e c t r o d e s h o w s i n t h e f o l l o w i n g f i g u r e . ~-- : , ' • , . . ' i ' ~---- ~ r ' F : : : I •.::~ : : : - : - = - r : : = . 1 ; / · · ~---~--~- . . . . . . . . . . . ~ . . . - " ' ~· . . . / · 1 1 I ~ ~. = . . . I • F i g u r e 9 . 4 E a r t h r e s i s t a n c e V s D i s t a n c e b e t w e e n E l e c t r o d e a n d p r o b e [ 7 ] ·'~- 3 6 ~ : 0 . . ~; 9 . 1 M a i n t e n a n c e o f a n E a r t h i n g S y s t e m T h e f r e q u e n c y o f m a i n t e n a n c e a n d t h e r e c o m m e n d e d p r a c t i c e a t a n y i n s t a l l a t i o n d e p e n d u p o n t h e t y p e a n d s i z e o f t h e i n s t a l l a t i o n . A l l f o r m s o f i n s t a l l a t i o n s h o u l d b e s u b j e c t t o t w o t y p e s o f m a i n t e n a n c e . T h e y a r c i n s p e c t i o n a n d e x a m i n a t i o n . 9 . 1 . 1 I n s p e c t i o n : - l n s p e c t i o n o f t h e e a r t h i n g s y s t e m a t a n i n s t a l l a t i o n n o r m a l l y t a k e s p \ a c e i n a~~<'l·iation w i t h v i s i t s f o r o t h e r m a i n t e n a n c e w o r k . I t c o n s i s t s o f a v ) s u a l i n s p e c t i o n o n l y o f t h o s e p a r b o f t h e s y s t e m w h i c h c a n b e s e e n , p a r t i c u l a r l y l o o k i n g f o r e v i d e n c e o f d e c a y , c o r r o s i o n . \ a n d a l i s m o r t h e f t . F t 1 1 d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s i t i s r e q u i r e d r e g u l a r i n s p e c t i o n , t y p i c a l l y o n c e a y e a r , w i t h t h e c a n h m g a r r a n g e m e n t s b e i n g v i s i b l y i n s p e c t e d . W h e r e t h e l o w v o l t a g e n e t w o r k i s o v e r h e a d . t h e e a r t h m g s y s t e m o n t h e n e t w o r k i s c h e c k e d a s p a r t o f t h e r e g u l a r l i n e p a t r o l s . 9 . 1 . 2 E x a m i n a t i o n : - 1 - > u m i n a t i o n o f a n e a r t h i n g s y s t e m n o r m a l l y t a k e s p l a c e a s p a r t o f t h e e x a m i n a t i o n o f t h e w h o l e e k L · t r i c a l s y s t e m . T h e e x a m i n a t i o n c o n s i s t s o f a v e r y t h o r o u g h , d e t a i l e d i n s p e c t i o n o f t h e w h o l e e a r t h m g s y s t e m . A p a r t f r o m l o o k i n g f o r t h e o b v i o u s , t h e e x a m i n e r w i l l c h e c k w e t h e r t h e s y s t e m l 1 1 l ' l ' l s t h e c u r r e n t e a r t h i n g s t a n d a r d . I ( >~ . l d i s t r i b u t i o n s u b s t a t i o n s e x a m i n a t i o n i s c a r r i e d o u t l e s s f r e q u e n t l y - t y p i c a l l y o n c e e v e r y 5 o r ( ) ~·cars. J \ v e r y t h o r o u g h i n s p e c t i o n i s r e c o m m e n d e d , r e m o v i n g c o v e r s e t c . w h e r e a p p r o p r i a t e . T k l ' ' \ a m i n e r i s p a r t i c u l a r l y r e q u i r e d t o c h e c k t h a t t h e b o n d i n g o f a l l n o r m a l l y a c c e s s i b l e m e t a l \ \ 1 l l k . t r a n s f o r m e r t a n k , l i g h t n i n g a r r e s t o r c o n n e c t i o n s , n e u t r a l b u s h i n g c o n n e c t i o n e t c . I n a d d 1 t i o n t o t h a t t h e v a l u e o f e l e c t r o d e r e s i s t a n c e s h o u l d b e m e a s u r e d a n d c o m p a r e d w i t h i t s ck~ign v a l u e . T h i s m a y m e a n i s o l a t i n g t h e e a r t h e l e c t r o d e , a n d m a y t h u s r e q u i r e t h a t t h e s u p p l y i s S \ \ 1 t c h e d o f T d u r i n g t h e p e r i o d o f t h e t e s t . 3 7 ~ ~~ e _ : f I C h a p t e r 1 0 C a l c u l a t i o n C u n s i d e r i n g a b o v e d e t a i l s t o d e s i g n a l o w r e s i s t a n c e e l e c t r o d e , t h e o u t e r s u r f a c e s h o u l d b e m a x i m i z e a n d i n t e r f a c i n g h e m i s p h e r e s h o u l d h a v e l o w r s i s t i v i t y s o i l . T h e r e f o r e t h e e l e c t r o d e \ \ h i c h I w a s d e s i g n e d a n d d e s c r i b e d i n c h a p t e r 4 . 6 w a s u s e d f o r t h i s . A f t e r t h a t t h e s o l u t i o n w a s u s e d w i t h t h e b a r r e l w h i c h i s d e s c r i b e d i n c h a p t e r 9 . T h e n t h e e a r t h r e s i s t a n c e w a s c a l c u l a t e d a s f o l l o w s . . . . , . . y - - - , - 7 " I I ; ; 1 - - - r ; ; r , I I ; ! I I r 0 1 I I U I , , I ~f I I v~r~~~------L, I v t , I I I.~ ' ( j I I :~ I I j r l I I j~ I I 1 , - 1 I I I r j I I 1 ~ I ) 1 , _ . I I J v i I I r " I / . J / > ' · f : f I I y i I I I ~I I v ' l 1 : ~I t I l - ! 1 I I V i I I ~: \ I !.-~< \ I ~~ \ I " ' \ \ "'~.\ \ . . , . , . . . . . . . . . . _ \ " ' > ' ' \ ' 0 " \ ' ' 1 ; . _ , ~- I I ' < l A , , ' _ f / J I I - - - - t - t - - - - - ' , y~ \ I / / / . / 7 ) / _ , ' . . . . _ " y ) f I ; ' - - . / / :~ ( 0 \ \ ) \ ' , ~~ \ / i j i I > 1~ ' . t r : t ' I \ - > ' - I , - - . I • ' '~ " - _ . - - ; , ' I ' ~ , ~ . . . r - - - - - · ~ , c ; : ; : ' . I . . . . . _ . . t : r < " ' r ~ I ' ·~- - C " . L l _ I r ) . . " ' . - v _ , . ' / ; . . . . - - . . . . . r - . . . . . . . , _ , . . . • . . . . - · / " / ~ r --------~~,.... / ' d x : , l ! . , l o r G a l v e r n i z e B a r r e l E l e c t r o d e B a c f , f i l l i n o ; , l S o l u t i o n F i g u r e 1 0 . 1 V o l t a g e D i s s i p a t i o n o f t h e E l e c t r o d e ( C r o s s s e c t i o n ) 3 8 ~ - : ; . \ ;~~": ~-, ~ / ·~:olution . " . 1 • x G a l ' · / e m i z e c l B a t r e ! /~' / ' 1 / ' ~~-----~~ ~\ r ' . . . . . . . . . \ I . . . . - ~- - . , " \ < ' / / ~--. . . . . \ . / o • ~ / ~'-~-:;,J J I : ; r - ; _ · . . _ . \ _ _ . . - - - - - J . , : I ' r _ . . . . ~ • X \ c h \ / r A - . . . J . . r , . . . -~ . . . . , J ; > o . t . c : : : \ I I f)~; - ' 1 . - \ ' . \ ~ ·~ r , \ ( ~, !~~~G~-7-+---- \ ' t " _ . ; \ : . . . . . , 1 - - J . I , \ - . . t - - ' I \ \ ( ' " - - " " r--~r \ \ . , / . . . . . - - - - ' " ' · ' ' ' . ; - . , _ . . . - < . . , / \ . . . . "...:..""-L.l~;-' _ . / · / I : ; : : \ ' , , ~~----'~ ; I E l e c t r o d e \ . . . . . . ~ / / / ~ --.~-~~~,.., I ~ / ~ / ~~ _ / ~---------------~- F i g u r e 1 0 . 2 V o l t a g e D i s s i p a t i o n o f t h e E l e c t r o d e ( P l a n v i e w ) L e t I \ i s t h e r e s i s t a n c e o f t h e t o p p a r t o f t h e e l e c t r o d e ( i . e . r o d p o r t i o n ) a n d t h e R 2 i s t h e n . ' s J " t : m c c o f b o t t o m p a r t o f t h e e l e c t r o d e ( i . e . h e m i s p h e r e p o r t i o n ) . C u J J " J d c r i n g a s m a l l s t r i p a t a d i s t a n c e o f x f r o m t h e c e n t e r p o i n t a n d h a v i n g a w i d t h o f d x a s s i W \ \ 1 1 i n t h e f i g u r e . A s c - u : n c l l w l l ' S i s t i v i t y o f t h e s o l u t i o n i n t h e b a r r e l O u t " i d e s o i l r e s i s t i v i t y R a d i 1 1 s o f t h e r o d R a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e R a d i u s o f t h e b a r r e l P I P 2 r R y C o n . . , i d e r i n g t h e t o p p a r t o f t h e e l e c t r o d e ( r o d p o r t i o n ) R c - , J - , t a n c e o f t h e s t r i p i d R 1 · · d x _ · ; : c ~ 3 9 ~- '"~~~. 1~ . : t c r _ , : I I k · n c e t o t a l r e s i s t a n c e o f t h e r o d R 1 • ' , ' . . 4 : ! I ] . - : . . : 1 ~ - - : ! - , ; : ' = - - L , ? F o r t h e b o t t o m p a r t o f t h e e l e c t r o d e ( h e m i s p h e r e p o t i o n ) R L · s i s t a n c e o f t h e s t r i p l i e n e e t o t a l r e s i s t a n c e o f t h e h e m i s p h e r e I h c r e f c n e t o t a l r e s i s t a n c e o f t h e e l e c t r o d e i s R = R 1 / / R 2 R = ( R 1 x R 2 ) I ( R 1 + R 2 ) ( l ) n s i c l c r i n g v a r i e s t y p e o f s o i l a n d s i t e c o n d i t i o n s f o u r t y p e s o f e l e c t r o d e s w e r e d e s i g n e d a s ! ' u l l o w s . 4 0 ~ t \ :;,~: " ' ' I 1 0 . 1 T y p e A .\~the f i r s t t y p e 1 m l o n g r o d a n d 1 m d i a m e t e r b a r r e l w e r e s e l e c t e d . T h e r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e s e l e c t e d a s 1 0 e m b e c a u s e t h e r e i s n o u s e b y i n c r e a s i n g i t s r a d i u s t o o m u c h a c c o r d i n g t o t h e l ' i l d p t e r 3 . 3 . T h i s t y p e i s b e t t e r f o r t h e s i t e s w h i c h c a n n o t e x c a v a t e t o o m u c h d e e p . T h e n w e c a n J l ' h i e \ c o u r t a r g e t w h i c h i s 1 O Q e a r t h r e s i s t a n c e b y i n c r e a s i n g t h e n u m b e r o f e l e c t r o d e s . I h e n a s s u m e r = O . O l m , R = 0 . 1 m , 1 = 1 m , y = O . S m , P t = 4 O m . I h e n r e s i s t a n c e o f t h e r o d ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e b a r r e l ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e s o l u t i o n ) y 0 F i g u r e 1 0 . 3 T y p e A E l e c t r o d e = 0 . 6 4 X 3 . 9 1 - . ( - 0 . 1 1 ) = 2 . 5 + 0 . 1 1 J ' . • 1 \ ' ) l i 4 1 ~ ~~)\ ~·~: ~_,! I I R c : - , i s t a n c e o f t h e h e m i s p h e r e - r - = 0 . 6 3 7 X 8 + 0 . 3 1 8 · · ? = 5 . 0 9 + 0 . 3 1 8 R R t / / R 2 l k n e e f r o m a b o v e e q u a t i o n s w e c a n c a l c u l a t e t h e e a r t h r e s i s t a n c e f o r v a r i o u s s o i l t y p e s a n d c a n s e l e c t t h e n u m b e r o f e l e c t r o d e s r e q u i r e d a s f o l l o w s . p 2 R e s i s t i v i t y R l ( O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 1 0 0 1 3 . 5 3 6 . 8 9 9 . 8 1 1 0 0 - 2 2 0 2 6 . 7 7 5 . 0 5 1 9 . 6 2 - I 2 2 0 - 3 4 0 3 9 . 9 I 1 1 3 . 2 1 2 9 . 5 I 3 I I - 3 4 0 - 4 6 0 5 3 . 1 1 5 1 . 3 7 3 9 . 3 4 - 4 6 0 - 5 9 0 6 7 . 4 1 9 2 . 7 1 4 9 . 9 5 c 5 9 0 - 7 1 0 8 0 . 6 2 3 0 . 8 7 5 9 . 7 4 6 - 7 1 0 - 8 3 0 9 3 . 8 2 6 9 . 0 3 6 9 . 5 7 - 8 3 0 - 9 5 0 1 0 7 3 0 7 . 1 9 7 9 . 3 8 I I 9 5 0 - 1 0 8 0 1 2 1 . 3 3 4 8 . 5 8 9 . 9 9 1 0 8 0 - 1 2 0 0 1 3 4 . 5 3 8 6 . 6 9 9 . 7 1 0 - - - - - 1 2 0 0 - 1 3 2 0 1 4 7 . 7 4 2 4 . 8 1 0 9 . 6 1 1 T a b l e I 0 . 1 N o . o f t y p e A E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l 4 2 ~ ~i'. :;,~·: ~_.; / 1 1 1 . 2 T y p e B . \ - . s u m e r = 0 . 0 1 m , R = 0 . 1 m , I = 2 m , y = O . S m , P 1 = 4 O m . I h e n r e s i s t a n c e o f t h e r o d ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e b a r r e l ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e s o l u t i o n ) : : : : ; , ' \ / - . . . . _ _ _ _ _ . . . / 7 F i g u r e 1 0 . 4 T y p e B E l e c t r o d e = 0 . 3 1 8 X 3 . 9 1 - ( - 0 . 0 5 5 ) = 1 . 2 4 + 0 . 0 5 5 - 4 3 ~ A • . . . . . . ; • ·?~ ~~; I R~._'-,tstance o f t h e h e m i s p h e r e = 0 . 6 3 7 X 8 + 0 . 3 1 8 . . , . = 5 . 0 9 6 + 0 . 3 1 8 . R = R t / / R z I k n e e f r o m a b o v e e q u a t i o n s w e c a n c a l c u l a t e t h e e a r t h r e s i s t a n c e f o r v a r i o u s s o i l t y p e s a n d c a n ~l'kct t h e n u m b e r o f e l e c t r o d e s r e q u i r e d a s f o l l o w s . . p 2 R e s i s t i v i t y R l ( O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e I o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 1 9 0 1 1 . 6 9 6 5 . 5 9 . 9 1 - . 1 9 0 - 4 0 0 2 3 . 2 4 1 3 2 . 3 1 9 . 8 2 4 0 0 - 6 2 0 3 5 . 3 4 2 0 2 . 3 3 0 3 - - - - 6 2 0 - 8 3 0 4 6 . 8 9 2 6 9 3 9 . 9 4 - - · 8 3 0 - 1 0 4 0 5 8 . 4 4 3 3 5 . 8 4 9 . 7 5 1 0 4 0 - 1 2 5 0 6 9 . 9 9 4 0 2 . 6 5 9 . 6 6 1 2 5 0 - 1 4 7 0 8 2 . 1 4 7 2 . 6 6 9 . 9 7 I a b l e 1 0 . 2 N o . o f t y p e B E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l ~- t~~~ ~:.~,; / 4 4 H U T y p e C . \ : - - - , u m c r = O . O l m , R = O . l m , I = 2 m . y = 0 . 7 5 m , P I = 4 O m . I ! 1 c n r e s i s t a n c e o f t h e r o d ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e b a r r e l ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e s o l u t i o n ) " C J F i g u r e 1 0 . 5 T y p e C E l e c t r o d e = 0 . 3 1 8 X 4 . 3 1 7 - ( - 0 . 0 2 3 ) = 1 . 3 7 3 + 0 . 0 2 3 ~- : ! ' , _ - : : . \ 4 5 ~~; I R e s i s t a n c e o f t h e h e m i s p h e r e = 0 . 6 3 7 X 8 . 6 6 + 0 . 2 1 2 .~ · = 5 . 5 1 6 + 0 . 2 1 2 R = R 1 / / R z I p 2 R e s i s t i v i t y R l ( O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 4 2 0 1 1 . 0 9 4 . 6 9 . 8 1 4 2 0 - 9 0 0 2 2 . 1 1 9 6 . 3 1 9 . 8 2 ' - I I 9 0 0 - 1 3 5 0 3 2 . 4 2 9 1 . 7 2 9 . 2 3 I 1 3 5 0 - 1 8 5 0 4 3 . 9 3 9 7 . 7 3 9 . 5 4 - T a b l e 1 0 . 3 N o . o f t y p e C E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l ~' \.~::. 1~· ~: 4 6 , . . . . 1 l O . . t T y p e D / ' \ s s u m e r = 0 . 0 1 m , R = 0 . 1 m , I = 3 m , y = 0 . 7 5 m , P I = 4 O m . I h e n r e s i s t a n c e o f t h e r o d ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e b a r r e l ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e s o l u t i o n ) \ : " ) " F i g u r e 1 0 . 6 T y p e D E l e c t r o d e ~- . , _ . . . . . . ,.~ ·~~ · • 4 7 ~ ~; I = 0 . 2 1 2 X 4 . 3 1 8 - ( - 0 . 0 1 5 ) = 0 . 9 1 5 + 0 . 0 1 5 R e s i s t a n c e o f t h e h e m i s p h e r e . . j = 0 . 6 3 7 X 8 . 6 7 + 0 . 2 1 2 . = 5 . 5 2 + 0 . 2 1 2 R R 1 / / R 2 l R l ( R 2 p 2 R e s i s t i v i t y O h m ) ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 6 5 0 1 0 . 6 1 4 3 . 3 9 . 9 1 6 5 0 - 1 3 5 0 2 1 . 1 2 9 1 . 7 2 1 9 . 7 2 1 3 5 0 - 2 0 0 0 3 0 . 9 4 2 9 . 5 2 8 . 8 3 2 0 0 0 - 2 8 0 0 4 2 . 9 5 9 9 . 1 2 4 0 4 - 2 8 0 0 - 3 5 0 0 5 3 . 4 7 4 7 . 5 4 9 . 8 5 I a b l e 1 0 . 4 N o . o f t y p e D E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l ~\ ; ? ; . - : : . . . \ ~~; I 4 8 1 0 . 5 T y p e E I 1 1 r o c k y a r e a i t i s v e r y d i f f i c u l t t o e x c a v a t e t o o m u c h d e e p . T h e r e f o r e w e c a n n o t u s e a b o v e t y p e L ' k c t r o d e f o r t h o s e a r e a s . T h e n w e a r e u s i n g M a c o n i t e w i t h c o n c r e t e a s b a c k f i l l i n g m a t e r i a l . f t s t l ' " t s t i v i t y i s a r o u n d 0 . 1 O h m m a n d e l e c t r o d e r e s i s t a n c e i s a s f o l l o w s . \ ' " l i i 1 1 C r = O . O l m , R = O . l m , I = l m , y = 0 . 2 5 m , P 1 = O . l O m . i l i l ' n r e s i s t a n c e o f t h e r o d 0 F i g u r e 1 0 . 7 T y p e E E l e c t r o d e ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e c o n c r e t e c y l i n d e r ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e M a r c o n i t e C o n c r e t e ) = 0 . 0 ) 5 9 X 3 . 2 2 - ( - 0 . 2 2 ) = 0 . 0 5 1 + 0 . 2 2 1 \ , ' - , t s t a n c e o f t h e h e m i s p h e r e 4 9 ~' :f'~~ . . , . ~ ~-:~ I = 0 . 0 1 5 9 X 6 + 0 . 6 3 6 = 0 . 0 9 5 4 + 0 . 6 3 6 R = R 1 / / R 2 p 2 R e s i s t i v i t y R l ( O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 6 0 1 3 . 2 5 3 8 . 2 6 9 . 8 1 6 0 - 1 2 0 2 6 . 4 7 6 . 4 1 9 . 6 2 1 2 0 - 1 8 0 3 9 . 6 1 1 4 . 6 2 9 . 5 3 I 1 8 0 - 2 4 0 5 2 . 8 5 1 5 2 . 7 3 9 . 2 6 4 2 4 0 - 3 0 0 6 6 1 9 0 . 8 9 4 9 . 1 5 - 3 0 0 - 3 6 0 7 9 . 2 5 2 2 9 . 1 5 8 . 8 6 - 3 6 0 - 4 2 0 9 2 . 4 5 2 6 7 . 2 6 8 . 6 7 - 4 2 0 - 4 8 0 1 0 5 . 6 5 3 0 5 . 3 7 7 8 . 5 8 4 8 0 - 5 4 0 1 1 8 . 8 5 3 4 3 . 5 8 8 . 3 9 - 5 4 0 - 6 0 0 1 3 2 3 8 1 9 8 1 0 ~---~ I a b l e 1 0 . 5 N o . o f t y p e E E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l ~- t ' . : _ . \ 5 0 · : : , - ; ·~ ' j 1 0 . 6 T y p e F \ ' ' - l l l 1 1 C r = O . O l m , R = O . l m . 1 = l m , y = O . S m , P 1 = O . l n m . 1 l i l ' l l r e s i s t a n c e o f t h e r o d ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e c o n c r e t e c y I i n d e r ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e M a r c o n i t e C o n c r e t e ) \.~7 F i g u r e 1 0 . 8 T y p e F E l e c t r o d e = 0 . 1 5 9 X 3 . 9 1 - ( - 0 . 1 1 ) = 0 . 6 2 2 + 0 . 1 1 1 < l'"i~tance o f t h e h e m i s p h e r e ~' t,.":=~\ - - 5 1 ~ ~:· I = 0 . 1 5 9 X 3 + 0 . 3 1 8 = 0 . 4 7 7 + 0 . 3 1 8 R = R 1 / / R 2 R l ( R 2 R N o . o f p 2 R e s i s t i v i t y O h m ) ( O h m ) ( O h m ) E l e c t r o d e o f s o i l O h m m R e q u i r e d U p t o 1 0 0 1 2 . 7 3 5 . 4 9 . 3 1 1 0 0 - 2 4 0 2 7 7 6 . 7 1 9 . 9 2 2 4 0 - 3 6 0 4 0 . 2 2 1 1 4 . 9 2 9 . 7 3 ~---- 3 6 0 - 4 8 0 5 3 . 4 1 5 3 . 1 3 9 . 6 4 - - 4 8 0 - 6 0 0 6 6 . 6 i 1 9 1 . 2 I 4 9 . 4 5 6 0 0 - 7 2 0 7 9 . 8 2 2 9 . 4 5 9 . 2 6 - - - 7 2 0 - 8 5 0 9 4 . 1 I 2 7 0 . 7 I 6 9 . 8 7 T a b l e 1 0 . 6 N o . o f t y p e F E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l 1 0 . 7 T y p e G . 1 \ . s s u m e r = O . O l m , R = O . l m , I = 0 . 5 m , y = 0 . 5 m , P I = O . l n m . ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e c o n c r e t e c y l i n d e r ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e M a r c o n i t e C o n c r e t e ) ~- ~'-~\ : · . . , - 5 2 ~ • ; · ! I h e n r e s i s t a n c e o f t h e r o d = 0 . 0 3 1 8 X 3 . 9 1 - = 0 . 1 2 4 + 0 . 2 2 1 \ L ' S i s t a n c c o f t h e h e m i s p h e r e R ' i - ; --~-~ = 0 . 0 1 5 9 X 3 + = 0 . 0 4 7 7 + 0 . 3 1 8 = R 1 / / R 2 \ v . . F i g u r e 1 0 . 9 T y p e G E l e c t r o d e 5 3 ~- ~..-: . . . \ ~ ·.~ . 1 p 2 R e s i s t i v i t y R l ( O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) o f s o i l O h m m I i I I I U p t o 7 0 1 5 . 5 2 2 . 3 9 . 1 7 0 - 1 5 0 3 3 . 1 4 7 . 7 4 1 9 . 5 1 5 0 - 2 3 0 5 0 . 7 7 3 . 2 2 9 . 9 2 3 0 - 3 0 0 6 6 . 1 9 5 . 4 3 9 3 0 0 - 3 8 0 8 3 . 7 1 2 0 . 8 8 I 4 9 . 4 3 8 0 - 4 6 0 1 0 1 . 3 1 4 6 . 3 5 9 . 8 4 6 0 - 5 3 0 1 1 6 . 7 1 6 8 . 6 6 8 . 9 5 3 0 - 6 1 0 1 3 4 . 3 1 9 4 7 9 . 3 - - - - - I a b l e 1 0 . 7 N o . o f t y p e G E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l 1 0 . 8 T y p e H \ - , s u m c r = O . O l m , R = O . l m , 1 = 0 . 7 5 m , y = 0 . 5 1 1 1 , P I = O . I r 2 m . ( r a d i u s o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e h e m i s p h e r e ) ( l e n g t h o f t h e r o d ) ( r a d i u s o f t h e c o n c r e t e c y l i n d e r ) ( r e s i s t i v i t y o f t h e M a r c o n i t e C o n c r e t e N o . o f E l e c t r o d e R e q u i r e d 1 2 3 4 5 6 7 8 i 5 4 ~' ~--::_.\ l ~; . ! \~~ , , F i g u r e 1 0 . 1 0 T y p e F E l e c t r o d e ! ' h e n r e s i s t a n c e o f t h e r o d = 0 . 0 2 1 - ( - 0 . 1 4 7 ) = 0 . 0 2 1 + 0 . 1 4 7 R e s i s t a n c e o f ' t h e h c m i s p h e r e = 0 . 1 5 9 X 8 + 0 . 3 1 8 = 1 . 2 7 2 + 0 . 3 1 8 ~ : , A - ~:.:__.\ '~ . . , ?-~r_,: 5 5 / R = R 1 / / R 2 ~ R l ( p 2 R e s i s t i v i t y O h m ) R 2 ( O h m ) R ( O h m ) N o . o f E l e c t r o d e o f s o i l O h m m - - R e q u i r e d - ~~ U p t o 9 0 1 3 . 2 5 2 9 . 9 9 . 1 1 I 9 0 - 1 9 0 2 7 . 9 6 1 . 6 1 9 . 2 2 1 9 0 - 2 9 0 4 2 . 6 9 3 . 5 2 9 . 3 3 i I 2 9 0 - 3 9 0 5 7 . 3 5 1 2 5 . 3 3 9 . 3 4 3 9 0 - 4 9 0 7 2 1 5 7 4 9 . 3 5 4 9 0 - 5 9 0 8 6 . 7 1 1 8 8 . 9 5 9 . 4 6 5 9 0 - 6 9 0 1 0 1 . 5 2 7 0 . 7 6 9 . 5 7 - T a b l e 1 0 . 8 N o . o f t y p e H E l e c t r o d e r e q u i r e d f o r v a r i o u s t y p e o f s o i l ~- , - : " : : _ . . · : '~~' ~·, 5 6 , . . I C h a p t e r 1 1 C o n c l u s i o n I i r c m o s t i m p o r t a n t p a r t o f a d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r i s t h e e a r t h i n g s y s t e m . A b e t t e r e a r t h i n g " \ - ; t c m h e l p s t o a v o i d i m b a l a n c e v o l t a g e s , v o l t a g e f l u c t u a t i o n s , e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y . t ! L ' l l t r a l l e a k a g e c u r r e n t a n d l i g h t n i n g e t c . A n e l e c t r o d e w i t h t h e r e s i s t a n c e b e l o w 1 O f t p r o v i d e a h l ' l t c r e a r t h i n g s y s t e m . · · \ , · c n r d i n g t o t h e a b o v e r e s u l t t y p e D e l e c t r o d e i s t h e b e s t s o l u t i o n t o g e t t h e b e t t e r e a r t h r e a d i n g . 1 1 \ l \ \ e v e r D t y p e s i n g l e e a r t h r o d g i v e s t h e e a r t h r e s i s t a n c e o f 1 0 O h m i n t h e s o i l w h i c h i s t h e ' l ' " I s t i v i t y i s l e s s t h a n 6 5 0 O h m m . N o r m a l l y m o s t o f a r e a s s o i l r e s i s t i v i t y i s l e s s t h a n 5 0 0 O h m · • 1 T h e r e f o r e t h i s t y p e e l e c t r o d e c a n b e i n s t a l l e d a t a n y w h e r e w i t h o u t m e a s u r i n g t h e s o i l · l · . . , , s t i v i t y t o g e t t h e h i g h p e r f o r m a n c e . 1 c m a i n d i s a d v a n t a g e o f t h i s t y p e e l e c t r o d e i s , i t c a n n o t i n s t a l l i n r o c k y a r e a s a s i t n e e d a 1 . 5 m l u m c t c r a n d 3 m d e p t h c y l i n d r i c a l p i t . I f i t i s n o t p o s s i b l e t o e x c a v a t e a p i t l i k e t h a t w a y . t h e , 1 h e r t y p e s o f e l e c t r o d e c a n b e u s e d a s f o l l o w s . P 2 ~esistivity T y p e T y p e T y p e T y p e 0 f s o i l O h m m A B c D J p t o l 0 0 l l l l l 0 0 - 1 9 0 2 l l l - 1 9 0 - 2 2 0 2 2 l l 2 2 0 - 3 4 0 3 2 1 l 3 4 0 - 4 0 0 4 2 l 1 4 0 0 - 4 6 0 4 3 2 1 4 6 0 - 5 9 0 5 3 2 1 I 5 9 0 - 6 5 0 6 3 2 1 - 6 5 0 - 8 3 0 7 4 2 2 , 3 3 0 - 9 0 0 8 5 2 2 : o o - 1 0 4 0 9 5 3 2 - I a b l e 1 1 . 1 N o . o f E l e c t r o d e r e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h e s o i l c o n d i t i o n 5 7 ~; · " ; . · - : ; _ \ :~. B u t f o r r o c k a r e a w e c a n n o t u s e t h e s e t y p e s o f e l e c t r o d e s a s i t i s v e r y d i f f i c u l t t o e x c a v a t e t o o d e e p . T h e r e f o r e w e c a n u s c M a r c o n i t e m i x e d c o n c r e t e f o r b a c k f i l l i n g i n r o c k a r e a s . H e n c e t h e e a r t h r e s i s t a n c e c a n b e r e d u c e d a s t h e s u r f a c e a r e a i s i n c r e a s e d d u e t o M a r c o n i t e c o n c r e t e . T h e n a s d i s c u s s e d i n c h a p t e r 1 0 . 5 , 1 0 . 6 , 1 0 . 7 a n d 1 0 . 8 l i k e t y p e E , F , G a n d H v a r i o u s t y p e s o f e l e c t r o d e s c a n b e u s e d a c c o r d i n g t o t h e s i t e c o n d i t i o n . B u t t h e y a r e v e r y e x p e n s i v e . T h e n u m b e r s o r e l e c t r o d e s r e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h e s o i l r e s i s t i v i t y a r e a s s h o w n i n b e l o w . p 2 R e s i s t i v i t y T y p e T y p e T y p e T y p e o f s o i l O h m m E F G H ' ' ' '~ ' U p t o 6 0 1 1 1 I 1 i L~ ! 6 0 - 9 0 2 1 1 I 1 i I I 9 0 - 1 2 0 2 2 2 2 1 2 0 - 1 5 0 3 2 2 2 1 5 0 - 1 8 0 3 2 2 3 1 5 0 - 2 3 0 4 2 3 3 2 3 0 - 2 9 0 5 3 3 4 2 9 0 - 3 6 0 6 3 4 5 I 3 6 0 - 4 2 0 7 4 5 6 ' 4 2 0 - 4 6 0 8 4 5 6 I 4 6 0 - 5 3 0 9 5 6 7 I 5 3 0 - 5 9 0 1 0 5 6 8 T a b l e 1 1 . 2 N o . o f E l e c t r o d e r e q u i r e d a c c o r d i n g t o t h e s o i l c o n d i t i o n 5 8 ~ ~~, ,~-:~ . • ,~; ~ ~: I A p p e n d i x 1 D I S T I B U T I O N E A R T H I N G S Y S T E M S \ 1 , d i s t r i b u t i o n s y s t e m h a s t w o b a s i c c o m p o n e n t s . • P o w e r S o u r c e • I n s t a l l a t i o n I \ 1 \ \ e r s o u r c e i n c l u d e s G e n e r a t o r / t r a n s f o r m e r & t r a n s m i s s i o n / d i s t r i b u t i o n n e t w o r k . ! J h t a l l a t i o n i n c l u d e s t h e b u i l d i n g o r l o c a t i o n , w h e r e t h e l o a d i s a v a i l a b l e . ( , H l s i d e r i n g t h e a r r a n g e m e n t o f e a r t h i n g o f s o u r c e a n d i n s t a l l a t i o n , d i s t r i b u t i o n e a r t h i n g s y s t e m i : - - l ' l a s s i f i e d i n i n t e r n a t i o n a l l y a c c e p t e d t w o l e t t e r c o d e ( x x ) . / ' \ ~tllii'CC I n s t a l l a t i o n F i g u r e A P 1 . 1 B a s i c C o m p o n e n t o f a d i s t r i b u t i o n s y s t e m I h e f i r s t l e t t e r c l a s s i f i e s t h e t y p e o f s o u r c e e a r t h I N e u t r a l p o i n t o f s o u r c e i s s o l i d l y e a r t h e d . ( T s t a n d f o r L a t i n " T e r a " w h i c h m e a n s · · E a r t h " ) - ' \ l e u t r a l p o i n t o f s o u r c e u n e a r t h e d o r e a r t h e d t h r o u g h a h i g h i m p e d a n c e ( I s t a n d f o r I s o l a t e d ) I h e s e c o n d l e t t e r c l a s s i f i e s t h e t y p e o f i n s t a l l a t i o n e a r t h . I n s t a l l a t i o n i s s e p a r a t e l y e a r t h e d ( T s t a n d f o r " T e r a " ) ' \ I n s t a l l a t i o n e a r t h i s e l e c t r i c a l l y c o n n e c t e d t o t h e s o u r c e N e u t r a l u s i n g a m e t a l l i c c o n n e c t i o n . ( ' \ s t a n d s f o r c o n n e c t e d t o " N e u t r a l " ) 5 9 ~\ ~; ~~ ~~1~~~ , . . I ' 1 c r e a r c 0 3 b a s i c e a r t h i n g s y s t e m s w i d e l y u s e d i n t h e D i s t r i b u t i o n N e t w o r k s . S o u r c e u n e a r t h e d o r e a r t h e d t h r o u g h h i g h i m p e d a n c e : I n s t a l l a t i o n i s d i r e c t l y e a r t h e d t o m a s s e a r t h I ' \ - S o u r c e i s d i r e c t l y e a r t h e d t o m a s s e a r t h I n s t a l l a t i o n e a r t h i s c o n n e c t e d t o s o u r c e n e u t r a l . I I - S o u r c e i s d i r e c t l y e a r t h e d t o m a s s e a r t h \ P l . l i T S y s t e m I n s t a l l a t i o n i s d i r e c t l y e a r t h e d t o m a s s e a r t h . I 1 1 t h i s s y s t e m . s o u r c e i s u n e a r t h e d o r u s u a l l y e a r t h e d t h r o u g h d e l i b e r a t e l y i n t r o d u c e d h i g h 1 1 1 1 p c d a n c e . T h e h i g h i m p e d a n c e r e d u c e s t h e l e v e l o f f a u l t c u r r e n t s i n c a s e o f l i n e t o g r o u n d 1 c~ults a n d i m p r o v e t h e s e r v i c e c o n t i n u i t y . F u r t h e r , i t i s a d v a n t a g e s t o h a v e h i g h i m p e d a n c e ( o v e r m c a r t h e d c o n d i t i o n ) a s i t r e d u c e s t h e v o l t a g e o s c i l l a t i o n i n c a s e o f f a u l t s a n d i m p r o v e t h e , t a b i l i t y o f t h e s y s t e m . 1 n s t a l l a t i o n e a r t h i s c o n n e c t e d d i r e c t l y t o m a s s e a r t h , i n d e p e n d e n t f r o m s o u r c e e a r t h . I h i s s y s t e m h a s t h e a d v a n t a g e o f l o w g r o u n d - f a u l t c u r r e n t s a n d s u p p l y c o n t i n u i t y i n c a s e o f · n i n n r s i n g l e e a r t h f a u l t s e t c . S i n c e s o u r c e i s n o t e a r t h e d o r e a r t h e d t h r o u g h h i g h i m p e d a n c e , r i s k . , f e l e c t r o c u t i o n b y d i r e c t a n d i n d i r e c t c o n t a c t i s l e s s . \ ] \ ) W c v c r . i t h a s t h e a d v a n t a g e t h a t m u l t i p l e g r o u n d f a u l t s m a y d e v e l o p s e r i o u s d i s a s t e r s . H e n c e . t h i s s y s t e m i s n o t r e c o m m e n d e d f o r p u b l i c E l e c t r i c i t y s u p p l y u n d e r I E E R e g u l a t i o n s . l E E r e g u l a t i o n a l l o w s t h i s s y s t e m f o r p r i v a t e u s e i n c a s e t h e r e i s n o a l t e r n a t i v e , p r o v i d e d a p e r m a n e n t ~.:arth f a u l t m o n i t o r i n g d e v i c e i s s u p p l i e d . . . . . - - . . . . F i g u r e A P 1 . 2 I T S y s t e m [ 2 2 J 6 0 ~ " " ? ' ; . ; _ ~ - : , " \ P 1 . 2 T N S y s t e m 1 1 h a s 3 d e r i v a t i v e s a n d t h e y a r e a s T N - C T N - S a n d T N - C - S . \ P 1 . 2 . 1 T N - C S y s t e m y = E l l v - 0 0 0 ' , i l 1 : . . . . - : - F i g u r e A P 1 . 3 T N - C S y s t e m I i l ' r c . s o u r c e i s d i r e c t l y e a r t h e d , I n s t a l l a t i o n e a r t h a n d N e u t r a l , a c o m m o n s y s t e m , i s c o n n e c t e d t o til~-_· c o m b i n e d N e u t r a l a n d E a r t h c o n d u c t o r s u p p l i e d b y t h e s o u r c e . T h i s c o m b i n e d c o n d u c t o r , - ; u p p l i e d f r o m s o u r c e i s c a l l e d P E N ( P r o t e c t i v e E a r t h a n d N e u t r a l ) c o n d u c t o r . I h i s s y s t e m h a s a l o w r e s i s t a n c e f o r e a r t h f a u l t s s i n c e e a r t h l o o p c o n s i s t s o f a m e t a l l i c p a t h ' ' h i c h e x h i b i t s a v e r y l o w r e s i s t a n c e . I n - ; t a \ 1 a t i o n r e c e i v i n g s u p p l y f r o m t h i s t y p e o f s y s t e m c a n p r o v i d e s u p p l e m e n t a r y p r o t e c t i o n t~ainst d i r e c t a n d p r o t e c t i o n a g a i n s t i n d i r e c t c o n t a c t s e v e n w i t h f u s e s a n d M C B s , s i n c e e a r t h l . l l l l t l o o p i m p e d a n c e i s v e r y l o w . l E E r e g u l a t i o n s p r o v i d e t h e l i m i t s o f E a r t h F a u l t ( E / F ) l o o p 1 ' 1 1 p c d a n c e f o r d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s o f t h i s t y p e o f s y s t e m s . \ P 1 . 2 . 2 T N - S S y s t e m 0 0 0 ' < ' L 1 : ' - F i g u r e A P 1 . 4 T N - S S y s t e m 6 1 ~ ~-: " ' · · / ! ! e r e t o o , s o u r c e i s d i r e c t l y e a r t h e d . I n s t a l l a t i o n i s p r o v i d e d w i t h m e t a l l i c E a r t h C o n n e c t i o n a n d \ e u t r a l . f r o m s o u r c e , s e p a r a t e l y . I n s t a l l a t i o n , t o o h a s i t s e a r t h a n d n e u t r a l s e p a r a t e a n d t h e y a r e c o n n e c t e d t o e a r t h a n d n e u t r a l s u p p l i e d f r o m t h e s o u r c e s e p a r a t e l y . T h i s s y s t e m t o o h a s a v e r y l o w e a r t h l o o p i m p e d a n c e p a t h , b u t i s u s u a l l y h i g h e r t h a n t h a t o f T N - C s y s t e m . I n s t a l l a t i o n s w h i c h r e c e i v e s u p p l y f r o m t h i s t y p e o f s y s t e m s c a n p r o v i d e s u p p l e m e n t a r y p r o t e c t i o n a g a i n s t d i r e c t a n d p r o t e c t i o n a g a i n s t i n d i r e c t c o n t a c t s e v e n w i t h f u s e s a n d M C B s , s i n c e E / F l o o p i m p e d a n c e i s r e l a t i v e l y l o w . I E E r e g u l a t i o n p r o v i d e s t h e l i m i t s o f E / f l o o p i m p e d a n c e f o r d i f f e r e n t o f t h i s t y p e o f s y s t e m . T N - S h a s f u r t h e r a d v a n t a g e t h a t u n d e r a b n o r m a l c o n d i t i o n s , E a r t h a n d N e u t r a l a t t h e i n s t a l l a t i o n a r e a t s a m e p o t e n t i a l s i n c e b o t h a r e s u p p l i e d f r o m s o u r c e a n d e a r t h e d a t t h e s o u r c e . l i e n e e , u n d e r a b n o r m a l c o n d i t i o n s s u c h a s l i g h t n i n g s u r g e s , s p i k e s e t c . i n s t a l l a t i o n e a r t h w i l l n o t d r i l t f r o m n e u t r a l c o n s i d e r a b l y . H e n c e T N - S S y s t e m i s f a v o r a b l e f o r i n s t a l l a t i o n w h e r e s e n s i t i v e e q u i p m e n t a r e u s e d . F u r t h e r , t h i s i s m a i n l y u s e d i n h i g h - r i s e b u i l d i n g s a n d i n u r b a n a r e a s , s i n c e p r o v i d i n g e l e c t r i c a l l y i n d e p e n d e n t d i r e c t e a r t h i n g t o e a c h i n s t a l l a t i o n i s n o t p r a c t i c a b l e d u e t o s c a r c i t y o f s p a c e . S p e c i a l l y w i t h U G c a b l e s y s t e m t h i s e a r t h i n g s y s t e m i s p r e f e r a b l e s i n c e e a r t h i n g c o n n e c t i o n c a n b e p r o v i d e d w i t h n e u t r a l c o n d u c t o r i n f o u r c o r e c a b l e . A P 1 . 2 . 3 T N - C - S G o n o r a t o r o r l r a n s l o r m e r . · \ . . - - - - . - - - - - - - - - L 1 . . . j , - - - , / " ' y - - - . . \ , . r-r~,--v- · 1 ··------·-·r--~L I · · - N - - - · - 1 - · - L · - - P E L 2 L 3 _ _ \ _ _ ' E a r t h C o n s u m e r F i g u r e A P 1 . 5 T N - C - S S y s t e m [ 4 ] P a r t o f t h e s y s t e m u s e s a c o m b i n e d P E N c o n d u c t o r , w h i c h i s a t s o m e p o i n t s p l i t u p i n t o s e p a r a t e P E a n d N l i n e s . T h e c o m b i n e d P E N c o n d u c t o r t y p i c a l l y o c c u r s b e t w e e n t h e s u b s t a t i o n a n d t h e e n t r y p o i n t i n t o t h e b u i l d i n g , w h e r e a s w i t h i n t h e b u i l d i n g s e p a r a t e P E a n d N c o n d u c t o r s a r e u s e d . 6 2 ~; :'~· ti~! / \ P 1 . 3 T T S y s t e m v y - T Y V Y · ' - - ' : : - - ~ = = ~ R " ~--~-----------~ . F i g u r e A P 1 . 6 = E l C J : : : i l l : T T S y s t e m I n t h i s s y s t e m , s o u r c e i s s o l i d l y e a r t h e d ( d e n o t e d b y f i r s t ' T ' o f ' T T ' ) . I n s t a l l a t i o n p r o t e c t i o n s y s t e m i s a l s o d i r e c t l y e a r t h e d . T h e r e i s m e t a l l i c e l e c t r i c a l p a t h f r o m s o u r c e e a r t h t o i n s t a l l a t i o n e a r t h . T h e o n l y p a t h , u n d e r f a u l t y c o n d i t i o n , f r o m s o u r c e e a r t h t o i n s t a l l a t i o n e a r t h , i s t h r o u g h m a s s e a r t h . T h e e a r t h f a u l t l o o p c o n s i s t s o f p h a s e c o n d u c t o r , i n s t a l l a t i o n J i v e c o n d u c t o r , p r o t e c t i v e c o n d u c t o r , e a r t h e l e c t r o d e , m a s s e a r t h , s u b s t a t i o n e a r t h e l e c t r o d e a n d s u b s t a t i o n n e u t r a l e a r t h i n g c o n d u c t o r . M o s t d o m i n a n t f a c t o r s o f t h i s l o o p a r e e a r t h e l e c t r o d e r e s i s t a n c e o f s u b s t a t i o n a n d t h a t o f i n s t a l l a t i o n a s r e s i s t a n c e o f o t h e r c o m p o n e n t s a r e c o n s i d e r a b l y l o w . I n o r d e r t o p r o v i d e s u p p l e m e n t a r y p r o t e c t i o n a g a i n s t d i r e c t c o n t a c t a n d p r o t e c t i o n a g a i n s t i n d i r e c t c o n t a c t a t t h e i n s t a l l a t i o n m a x i m u m e a r t h l o o p i m p e d a n c e s h o u l d b e l i m i t e d t o a c e r t a i n a c c e p t e d v a l u e . T h u s . i n o r d e r t o p r o v i d e p r o t e c t i o n a g a i n s t i n d i r e c t c o n t a c t , a R e s i d u a l C u r r e n t D e v i c e ( R C D ) h a s t o b e i n s t a l l e d a t t h e i n s t a l l a t i o n . O p e r a t i n g c u r r e n t ( I a ) o f t h e R C D a n d t h e e a r t h e l e c t r o d e r e s i s t a n c e ( R a ) o f t h e i n s t a l l a t i o n s h o u l d s a t i s f y t h e f o l l o w i n g c o n d i t i o n . l a . R a < S O Y W h e r e l a 1 s t h e c u r r e n t c a u s i n g t h e a u t o m a t i c o p e r a t i o n o f t h e p r o t e c t i v e d e v i c e \ \ i t h i n S s e c o n d s . R a - i s t h e s u m o f t h e r e s i s t a n c e o f t h e e a r t h e l e c t r o d e s a n d t h e p r o t e c t i v e c o n d u c t o r ( s ) c o n n e c t i n g i t t o t h e e x p o s e d c o n d u c t i v e p a r t . T h i s e n s u r e s t h a t u n d e r f a u l t y c o n d i t i o n , i n s t a l l a t i o n s w i l l n o t g a i n a p o t e n t i a l o v e r S O Y f o r m o r e t h a n S s e c o n d s ( a s r e q u i r e d b y l E E R e g u l a t i o n ) a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c c u r v e o f t h e R e s i d u a l C u r r e n t D e v i c e g e n e r a l l y u s e d . 6 3 ~ ~~\ ' - ! : : . : ' ' · ~ , . \ P 1 . 4 C E B s y s t e m C E B s y s t e m i s g e n e r a l l y a T T s y s t e m a n d t h e r e f o r e i t i s n e c e s s a r y t o i n c o r p o r a t e R C D ' s t l c o n s u m e r I n s t a l l a t i o n s t o p r o v i d e p r o t e c t i o n a g a i n s t s h o c k a n d f i r e H a z a r d s . \ P 1 . 4 . 1 P r o v i s i o n o f T N - S S y s t e m t o C E B C o n s u m e r s I t s h o u l d a l s o b e n o t e d t h a t i s a l s o p o s s i b l e t o p r o v i d e a T N - S s y s t e m t o i n d i v i d u a l _ l m s u m c r s w h o h a v e d e d i c a t e d d i s t r i b u t i o n t r a n s f o r m e r s . N o o t h e r c o n s u m e r s s h a l l b e c o n n e c t e d : \ l s u c h i n s t a l l a t i o n . O n e o f t h e m a i n a d v a n t a g e s o f t h e T N - S S y s t e m i s t h e i m p r o v e d q u a l i t y o f p l w v e r s u p p l y t o t h e c o n s u m e r s w i t h s e n s i t i v e e q u i p m e n t . 6 4 ~ ~-?);_ " ' : . ~ ' ~ ·~' - - ' " ' I R e f e r e n c e s I 1 T r e v o r C h a r l t o n , " E a r t h i n g P r a c t i c e " i n p r o c e e d i n g , C o p p e r d e v e l o p m e n t A s s o c i a t i o n , C D A p u b l i c a t i o n 1 1 9 , F e b r u a r y 1 9 9 7 . _ : I R o y B . C a r p e n t e r , J r . J o s e p h A . L a n z o n i i n p r o c e e d i n g ' ' D e s i g n i n g F o r A L o w R e s i s t a n c e E a r t h I n t e r f a c e ( G r o u n d i n g ) " , A n L E C P u b l i c a t i o n , R e v i s e d J u l y 1 9 9 7 1 1 P r o f . H e n r y k M a r k i e w i c z & D r . A n t o n i K l a j n , i n p r o c e e d i n g " E a r t h i n g S y s t e m s - f u n d a m e n t a l s o f C a l c u l a t i o n a n d D e s i g n " , E a r t h i n g & E M C , W r o c l a w U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y , J u n e 2 0 0 3 . : - + I A n s w e r . C o m h o m e p a g e , " E a r t h i n g S y s t e m ' ' , h t t p : / / w w w . A n s w e r . c o m I t o p i c / e a r t h i n g s y s t e m , 8 M a r c h 2 0 0 7 . [ 5 1 f u r s e h o m e p a g e , " E a r t h i n g & L i g h t n i n g P r o t e c t i o n " , h t t p : / / w w w . f u r s e . c o m / c l p / e a r o v e . h t m , 1 7 M a y 2 0 0 7 . 1 h I K e i s o n h o m e p a g e , ' · e a r t h r o d " h t t p : / / w w w . k e i s o n . c o . u k ! e a r t h r o d , 1 8 M a y 2 0 0 7 [ 7 1 F l u k e h o m e p a g e , " E a r t h G r o u n d R e s i s t a n c e " , t e s t i n g m e t h o d s a n d a p p l i c a t i o n s . h t t p : / I w w w . F l u k e . c o m / 1 6 2 5 . 2 2 M a y 2 0 0 7 . 1 8 1 B r i a n S c a d d a n , i n p r o c e e d i n g " E l e c t r i c a l I n s t a l l a t i o n W o r k " , 4 t h e d i t i o n 2 0 0 2 1 9 1 A l a n S m i t h , " H a n d b o o k o f E l e c t r i c a l I n s t a l l a t i o n P r a c t i c e " i n p r o c e e d i n g B l a c k w e l l S c i e n c e L t d . 1 9 9 6 . 1 1 0 ] l E E W i r i n g m a t t e r s H o m e p a g e , " E a r t h i n g " Y o u r Q u e s t i o n s A n s w e r e d b y G e o f f C r o n s h a w h t t p : / / w w w . I e e . o r g . 2 5 M a y 2 0 0 7 . 1 1 1 1 N Z E C P : 3 5 1 9 9 3 , N e w Z e a l a n d E l e c t r i c a l C o d e O f P r a c t i c e H o m e P a g e , " P o w e r S y s t e m E a r t h i n g " , I s s u e d b y t h e o f f i c e o f t h e c h i e f E l e c t r i c a l I n s p e c t o r , E n e r g y a n d R e s o u r c e s D i v i s i o n , M i n i s t r y o f C o m m e r c e . [ 1 2 1 N a t i o n a l L i g h t n i n g S a f e t y I n s t i t u t e H o m e p a g e " E a r t h E l e c t r o d e " ( h t t p : / / w w w . l i g h t n i n g s a f e t y . c o m / n l s i - l h m / e a r t h - e l c c t r o d e s . h t m l ) 2 5 M a y 2 0 0 7 1 1 3 ] G e o F e f r e y S t o k e s , " H a n d B o o k o f E l e c t r i c a l I n s t a l l a t i o n P r a c t i c e " , 4 t h e d i t i o n . 1 1 4 1 C o m p u t e r P o w e r & C o n s u l t i n g H o m e P a g e , " D e e p E a r t h G r o u n d i n g " h t t p : / / w w w . C p c c o r p . c o m / d e e p . h t m . . 2 5 M a y 2 0 0 7 6 5 ~ " - ? ) : _ :-:~·· l : ' 1 I E l v i s R S v e r k o , " G r o u n d M e a s u r i n g T e c h i q u e s : E l e c t r o d e R e s i s t a n c e t o R e m o t e E a r t h & S o i l R e s i s t i v i t y ' ' , E R I C O , I n c . F a c i l i t y E l e c t r i c a l P r o t e c t i o n , U . S . A . R e v i s i o n D a t e : F e b r u a r y 1 1 , 1 9 9 9 . l ( J I J . G o m e z A b s t r a c t . " D e s i g n i n g a n d c a l c u l a t i o n o f a n e a r t h e l e c t r o d e " i 1 7 ] H i g h V o l t a g e E n g i n e e r i n g a n d L i g h t n i n g a n d E M C r e s e a r c h G r o u p s 4 1 1 1 y e a r p r o j e c t s ( h t t p : / / w w w . e e . w i t s . a c . z a l h v I f i n a l p r o j e c t s / 2 0 0 1 / p r o j e c t s . h t m ) I X J F u r s e h o m e p a g e , " E x o t h e r m i c W e l d i n g " h t t p : / / w w w . s t o n e l i g h t n i n g - p r o t e c t i o n . C o . u k / p a g e s / p r o d u c t s / n a m e = F u r s e W e l d - E x o t h e r m i c . 2 9 M a y 2 0 0 7 l l J l W i k i p e d i a h o m e p a g e " G r o u n d ( E l e c t r i c i t y ) ' , G r o u n d a n d n e u t r a l , E l e c t r i c a l r e s i s t a n c e , E l e c t r i c a l c o n d u c t i o n , h t t p : / / e n . W i k i p e d i a . O r g / w i k i . 2 2 M a y 2 0 0 7 : 2 0 J h t t p : I I w w w . f u r s e . c o m I e l p / h o w t o l p . h t m ~ 1 ) h t t p : / / s p e e d w e l l i n d u s t r i e s . c o m / e a r t h i n g c o m p o u n d . h t m l 1 2 2 ) M e r l i n G e r i n , " E l e c t r i c a l I n s t a l l a t i o n G u i d e " , A c c o r d i n g t o t h e T E C I n t e r n a t i o n a l S t a n d a r d s N e w e d i t i o n 2 0 0 5 . 6 6 ~\ ~\ '\;~\~ , . . ' ; I