Pomiary rezystancji uziemień

4.13 Pomiary rezystancji uziemień

Spis treści:

      1. Wprowadzenie

      Uziemienia w układach elektroenergetycznych należą do podstawowych elementów bezpiecznego przesyłu, rozdziału i użytkowania energii elektrycznej, a także w istotny sposób wpływają na skuteczność działania ochron przeciwporażeniowych, przeciwprzepięciowych i odgromowych. Pełnią też inne szczególnie ważne funkcje w obiektach zagrożonych wybuchem, związane np. z odprowadzaniem ładunków elektrycznych do ziemi.
      Kontrola stanu technicznego instalacji elektrycznych pod kątem spełnienia wymagań dotyczących ochrony przed porażeniem elektrycznym wymaga przeprowadzenia pomiarów rezystancji uziemień, dla określenia wartości napięcia dotykowego, jakie może powstać między różnymi częściami przewodzącymi przyłączonymi do przewodu ochronnego.
      Pomiary rezystancji (impedancji) uziemień instalacji piorunochronnej przeprowadza się w celu uzyskania istotnych informacji niezbędnych do miarodajnej oceny stanu technicznego urządzeń ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej. Pomiary te wymagają gruntownej wiedzy o budowie instalacji uziemiającej i zjawiskach zachodzących podczas wykonywania pomiarów oraz umiejętności wykonywania badań często w trudnych warunkach środowiskowych lub terenowych.
      Do badania nieraz bardzo skomplikowanych systemów uziemiających powinny być zapewnione odpowiednie do potrzeb narzędzia i metody pomiarowe, umożliwiające wykonanie pomiarów rezystancji uziemienia nie tylko metodą techniczną (niskoczęstotliwościową), ale również metodą udarową, w celu sprawdzenia, czy spełnione są warunki ochrony przed porażeniem elektrycznym, ochrony przeciwprzepięciowej i odgromowej oraz poprawnej pracy urządzeń, instalacji i sieci elektroenergetycznych w obiektach wyposażonych w uziemienia robocze i ochronne.
      Wymagania dotyczące doboru, budowy i użytkowania instalacji odgromowych określone są w normach::
      - PN-EN 62305-1:2011 - Ochrona odgromowa -- Część 1: Zasady ogólne,
      - PN-EN 62305-2:2012 - Ochrona odgromowa -- Część 2: Zarządzanie ryzykiem,
        zawierają opisy uszkodzeń i strat powodowanych przez piorun, klasyfikację poziomów ochrony odgromowej oraz
        parametry pioruna. Zdefiniowane zostało również pojęcie impedancji uziemienia.
        W dalszych wprowadzonych normach:
      - PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia oraz
      - PN-EN 62305-4:2011 Ochrona odgromowa. Część 4: Urządzenia elektryczne i elektroniczne w obiektach,
        zostały określone wymagania i sposoby praktycznych realizacji, które dotyczą projektowanych systemów
        ochrony odgromowej, metody konserwacji i weryfikacji poprawności montażu.
        Szczegółowe wymagania dotyczące pomiarów rezystancji uziemienia w instalacjach elektrycznych
        i piorunochronnych określone są w normie
      - PN-HD 60364-6:2008 - wersja polska Instalacje elektryczne niskiego napięcia -- Część 6: Sprawdzanie.

▲ do góry

      2. Metody pomiaru rezystancji uziemienia

      Metodę pomiarową można ogólnie zdefiniować jako zespół czynności wykonywanych podczas przeprowadzania pomiaru, celem określenia wartości wielkości mierzonej (wyniku pomiaru).
      W praktyce pomiarowej stosowane są różne metody pomiarowe, ustalane w zależności od charakteru wielkości mierzonej i wymaganej dokładności oraz warunków, w których pomiar jest przeprowadzany.
      Ponieważ istotą pomiaru jest porównanie wielkości mierzonej z jednostką miary (wzorcem wielkości mierzonej), to metoda pomiarowa przede wszystkim opisuje zastosowany w pomiarze sposób porównania.

      Metody pomiarowe porównawcze polegają na porównywaniu wartości wielkości mierzonej ze znaną wartością tej samej wielkości (z wielkością wzorcową).
      Wśród metod porównawczych wyróżnia się:
      a) metodę odchyłową (wychyłową), w których wartość wielkości mierzonej określana jest na podstawie wychylenia organu
          ruchomego urządzenia wskazującego (np. pomiar miernikami elektromechanicznymi),
      b) metodę różnicową, która polega na pomiarze różnicy między wartością wielkości mierzonej a mało różniącą się od niej
          znaną wartością tej samej wielkości, np. pomiar siły elektromotorycznej (sem),
      c) metodę zerową, w której sprowadza się do zera różnice między wartością wielkości mierzonej a wartością znaną tej samej
          wielkości (np. pomiar napięcia za pomocą kompensatora).

      W zależności od sposobu otrzymywania wartości wielkości mierzonej metody pomiarowe można podzielić na:
      a)  Metody bezpośrednie do których zalicza się pomiary, w wyniku których wartość wielkości mierzonej otrzymuje się
           bezpośrednio, bez potrzeby dokonywania dodatkowych obliczeń (np. pomiar napięcia woltomierzem);
      b)  Metody pośrednie do których zalicza się pomiary, w wyniku których wartość mierzonej wielkości otrzymuje się
           pośrednio z pomiarów bezpośrednich (np. pomiar rezystancji na podstawie bezpośrednich pomiarów napięcia i prądu).

▲ do góry

      3. Pomiary rezystancji uziemienia i rezystywności gruntu

      Charakterystycznym parametrem określającym cechy uziemienia jest jego rezystancja, przy czym rozróżnia się rezystancję statyczną, odpowiadającą przewodzeniu prądów przemiennych o częstotliwości 50 Hz
      oraz rezystancję udarową, odpowiadającą przepływowi prądów piorunowych o charakterze udarowym między uziomem a ziemią odniesienia, charakteryzujących się dużą wartością prądu i bardzo krótkim czasem trwania.

      Rezystancja statyczna uziemienia występuje między uziomem badanym a ziemią odniesienia, zmierzona przy przepływie prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej (przy pomiarach prądem stałym na wyniki pomiarów miałby znaczący wpływ elektrolityczny charakter przewodności gruntu). Rezystancja ta jest miarą przydatności uziemień w ochronie przeciwporażeniowej, odgromowej i przeciwprzepięciowej. Rezystancja uziemienia zależy nie tylko od rezystywności gruntu, ale również od rodzaju i kształtu uziomu.

      Wykonanie pomiaru ma na celu wyznaczenie maksymalnej wartości rezystancji uziemienia dla sprawdzenia:
      - czy spełnia ona wymagania przedmiotowych norm i przepisów dotyczących ochrony przeciwporażeniowej,
        odgromowej i przeciwprzepięciowej oraz
      - czy zapewnia warunki poprawnej pracy urządzeń, instalacji i sieci elektroenergetycznych.

      Pomiary rezystancji uziemień powinny być poprzedzone badaniem ciągłości połączeń przewodów odprowadzających, wyrównawczych lub ekranujących. Za właściwą uznaje się wartość rezystancji połączeń nie przekraczającą 1 oma.
      Przy ocenie zmierzonej wartości rezystancji uziemienia należy uzyskane wyniki porównać z wynikami z poprzednich pomiarów i ewentualnie wskazać oraz uzasadnić występujące różnice, jeśli miały miejsce.

      Pomiary rezystancji (impedancji) uziemienia można wykonać:
      - metodą techniczną,
      - metodą kompensacyjną,
      - metodą udarową,
      - metodą techniczną miernikiem impedancji pętli zwarciowej.

▲ do góry

      3.1. Pomiary rezystancji uziemienia metodą techniczną

      Pomiar rezystancji uziemienia uziomu metodą techniczną należy wykonać z użyciem dwóch uziomów pomocniczych: elektrody prądowej Sp i elektrody napięciowej Sn.
      Układ do pomiaru rezystancji uziomu metodą techniczną ( Rys.1) tworzą dwa obwody:
      - Obwód prądowy składa się z obwodu wtórnego transformatora, amperomierza, uziomu badanego E i elektrody
        prądowej Sp,
      - Obwód napięciowy składa się z woltomierza, uziomu badanego E i elektrody napięciowej Sn.

      Zasadniczy wpływ na dokładność pomiarów rezystancji uziemienia odgrywa sposób rozmieszczenia uziomów pomocniczych Sn i Sp oraz odległości między uziomem badanym S a elektrodą napięciową Sn i elektrodą prądową Sp. Przy rozmieszczaniu uziomów pomocniczych należy przestrzegać zasady aby elektroda napięciowa Sn znajdowała się w połowie odległości między uziomem badanym E a elektrodą prądową Sp, praktycznie poza strefą rozpływu prądów.
      Dla poprawnego wykonania pomiaru napięcia uziomowego UE i prądu uziomowego IE elementy obydwu obwodów powinny mieć określone parametry, a elektrody pomiarowe powinny być odpowiednio oddalone od badanego uziomu. Poprawne wyniki pomiaru rezystancji RE uziomów skupionych (czyli zajmujących niewielki obszar) i przy wymuszeniu niewielkich prądów pomiarowych uzyskuje się stosując odległość między uziomem badanym i elektrodą napięciową nie mniejszą niż 20 m.
      Według PN-HD 60364-6 Załącznik B: prąd przemienny o stałej wartości przepływa między uziomem badanym E a elektrodą prądową Sp, umieszczoną w takiej odległości od uziomu E, że oba uziomy nie oddziaływają na siebie. Drugą elektrodę napięciowa Sn umieszcza się w połowie odległości między uziomem E i elektrodą prądową Sp, i mierzy się spadek napięcia między uziomem E i elektrodą napięciową Sn.
      Podane wyżej minimalne odległości mogą okazać się niewystarczające, gdy stosuje się duże prądy pomiarowe lub gdy między uziomem badanym na dużej odległości w gruncie znajduje się znaczny przedmiot metalowy. W takim przypadku należy zwiększyć odległość lub kierunek położenia elektrod pomiarowych i sprawdzić rozkład potencjałów na powierzchni gruntu. Wymagane odległości między uziomami przy pomiarach rezystancji uziomów przedstawiono w tablicy 1.
      Dla pomiarów rezystancji uziemień w układach wysokonapięciowej aparatury rozdzielczej i sterowniczej, wykonywanych specjalistycznymi przyrządami wymuszającymi małe prądy pomiarowe, odległość elektrody napięciowej Sn od uziomu badanego E powinna być co najmniej 2,5 razy większa od największego terenu zajętego przez układ uziomowy (odniesiona do kierunku pomiaru), ale nie mniejsza niż 20 metrów, a odległość elektrody prądowej - co najmniej 4 - krotnie większa, ale nie mniejsza niż 40 m.

      1) Podstawowe wymagania dla elementów układu pomiarowego metodą techniczną są następujące:
      a) źródło prądu przemiennego powinno wymuszać prąd o wartości lub przebiegu pozwalającym wyeliminować
          istotne wpływy prądów zakłóceniowych (np. prądów błądzących) na wyniki pomiarów,
      b) amperomierz powinien umożliwiać pomiar prądu o wartości i kształcie wymuszanym przez źródło prądu
          pomiarowego,
      c) elektroda prądowa Sp powinna być oddalona od badanego uziomu E tak, aby między elektrodą Sp i badanym
          uziomem występowała tzw. strefa potencjału zerowego, V = 0 (Tab.1),
      d) przewody pomiarowe i elektroda prądowa powinny mieć ograniczoną rezystancję tak, aby zastosowane źródło prądu
          wymuszało prąd pomiarowy o wartości pozwalającej zmierzyć napięcie uziomowe UE,
      e) przewody łączące elementy obwodów pomiarowych powinny być izolowane od ziemi, usytuowane względem siebie
          (obwodów prądowych i obwodów napięciowych) w sposób uniemożliwiający indukowanie się napięcia zakłócającego
          w obwodzie napięciowym,
      f) stosunek rezystancji wewnętrznej woltomierza Rv do rezystancji uziemienia elektrody napięciowej Sn powinien być
          na tyle duży, aby błąd pomiaru napięcia uziomowego UE mieścił się w granicach dopuszczalnych,
      g) woltomierz powinien mieć zakres pomiarowy pozwalający mierzyć występujące w czasie pomiaru napięcie UE.

      Najczęściej do wymuszania prądu uziomowego IE stosuje się źródła prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej 50 Hz, pozwalające wymuszać prąd wielokrotnie większy od prądów zakłóceniowych tej samej częstotliwości. Przyjmuje się, że poprawne wyniki pomiarów rezystancji statycznej uziemień uzyskuje się przy wymuszeniu prądu pomiarowego o częstotliwości 50 Hz i amplitudzie około 20 - krotnie większej od amplitudy prądu zakłóceniowego o tej samej częstotliwości. Źródła o napięciu 230 V i dużej mocy stosuje się przy wymuszaniu takich prądów na terenach stacji elektroenergetycznych lub na terenach dużych zakładów przemysłowych.
      Wartości napięć wywołanych prądami zakłóceniowymi wyznacza się poprzez pomiar napięcia między badanym uziomem a ziemią odniesienia bez wymuszania prądu pomiarowego. W praktyce pomiarowej stosuje się również źródła wymuszające prąd przemienny o częstotliwości innej niż 50 Hz (np. 150 Hz) lub prąd długotrwały o kształcie przebiegu innym od kształtu przebiegu prądów zakłócających. Stosowanie takich źródeł pozwala ograniczyć moc źródła prądu, lecz wymaga stosowania urządzeń wymuszających przepływ prądu wraz z pomiarem wartości napięcia uziomowego UE i prądu uziomowego IE.

Rys. 1. Zasada pomiaru rezystancji uziemienia E metodą techniczną
Oznaczenia: E- uziom badany, Sn - uziom pomocniczy (elektroda napięciowa),
Sp - uziom pomocniczy (elektroda prądowa), Tr - transformator.

      2) Wyznaczenie rezystancji uziemienia

      W czasie pomiaru prąd uziomowy IE o stałej wartości przepływa między uziomem badanym E a uziomem pomocniczym Sp umieszczonym w takiej odległości od uziomu badanego, że oba uziomy nie oddziaływają na siebie. Na podstawie wskazań amperomierza - wartości prądu uziomowego IE i woltomierza - napięcia uziomowego UE, można obliczyć rezystancję uziemienia RE w Ω, z zależności:

      Metoda techniczna pomiaru rezystancji uziomu nadaje się szczególnie do pomiaru małych rezystancji - w granicach od 0,01-1Ω.

      3) Do wad metody technicznej zalicza się:
         a) konieczność stosowania obcego źródła zasilania o stosunkowo dużej mocy,
         b) konieczność montażu układu pomiarowego,
         c) możliwość wpływu prądów błądzących na wynik pomiaru,
         d) niemożliwość bezpośredniego odczytu mierzonej rezystancji.

      4) Sprawdzenie pomiaru rezystancji uziemienia

      Zgodnie z normą PN-HD 60364-6:2008 Załącznik B należy sprawdzić, czy zmierzona rezystancja RE uziomu jest wartością prawidłową (Rys. 2). W tym celu należy wykonać dwa dodatkowe pomiary: z przesuniętą elektrodą napięciową Sn - raz o 6 metrów dalej od uziomu E - a drugi raz o 6 metrów w kierunku uziomu E, jak na rys. 2. Jeżeli wyniki trzech kolejno wykonanych pomiarów są w przybliżeniu zgodne, to średnią wartość z tych trzech pomiarów przyjmuje się jako prawdziwą wartość rezystancji uziemienia uziomu E. Jeżeli nie ma takiej zgodności, pomiary należy powtórzyć zwiększając odległość pomiędzy uziomem E a uziomem pomocniczym Sp.

Rys. 2. Sposób sprawdzenia poprawności pomiaru rezystancji uziemienia uziomu E metodą techniczną
Oznaczenia: E: uziom badany odłączony od wszystkich innych źródeł zasilania;
Sn Sp - uziomy pomocnicze; X - usytuowanie Sn zmienione do sprawdzenia drugiego pomiaru;
Y - kolejne usytuowanie Sn zmienione do sprawdzenia trzeciego pomiaru.

 

Tablica 1. Odległości między uziomami przy pomiarach rezystancji uziomu

▲ do góry

      3.1.1. Pomiary rezystancji uziemienia miernikami MRU:
      1) Metoda 2p - sprawdzenie ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych
         Norma PN-EN 62305 wymaga sprawdzenia połączeń przewodów odprowadzających z uziomami. Sprawdzenia te są
         szczególnie ważne, gdy nie są widoczne przewody uziemiające. Takie sprawdzenia wykonywane są zgodnie z normą
         PN-EN 61557-część 4 „Rezystancja przewodów uziemiających i przewodów wyrównawczych”.
         Według tej normy prąd pomiarowy wynosi nie mniej niż 200mA, a napięcie na rozwartych zaciskach - od 4 do 24V.
         Warunki te są spełnione przy pomiarach wykonywanych miernikami MRU-200, MRU-120, MRU-105, MRU-20 i MRU-21.

      2) Metoda 2p – pomiar rezystancji uziemień
         Metoda 2p może być również stosowana do pomiaru rezystancji uziemień. W sytuacji, gdy znany jest układ uziomów
         oraz dostępne jest uziemienie o znanej wartości rezystancji, wynik pomiaru będzie sumą rezystancji uziemień:
         mierzonego uziemienia i tego o znanej wartości;

      3) Metoda 3p (spadku potencjału)
         Do pomiarów rezystancji uziemień najczęściej wykorzystywana jest metoda techniczna, nazywana często metodą spadku
         potencjału. Podczas pomiaru mierzy się spadek napięcia na uziemieniu i przepływający przez nie prąd; z prawa Ohma
         wyliczana jest rezystancja uziemienia;

      Uwaga - ogólne zasady sprawdzania ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych oraz pomiar rezystancji uziemień metodą techniczną zostały omówione wyżej.

       3.1.2. Metoda czteroprzewodowa (4p)
       Metoda czteroprzewodowa (4p) stosowana jest do pomiaru uziemień, gdy wymagana jest wysoka dokładność pomiarów.
       W metodzie 4p zastosowanie kolejnego, czwartego przewodu, podłączonego między zaciskiem ES miernika a mierzonym uziomem, eliminuje wpływ rezystancji przewodu pomiarowego.
       Konieczne jest rozłączenie złącza kontrolnego (w przeciwnym wypadku zmierzona zostanie rezystancja uziemienia całego systemu uziemień).
       Sposób wykonywania pomiarów rezystancji uziemienia metodą czteroprzewodową (4p) przedstawia rysunek 3.


Rys. 3. Pomiar rezystancji uziemienia metodą czteroprzewodową.

      3.1.3. Metoda 3p z wykorzystaniem cęgów
      Często w praktyce pomiarowej konieczne jest wykonanie pomiaru rezystancji uziemień wielokrotnych, gdy nie ma możliwości rozłączenia złącza kontrolnego. Jedyną możliwością wykonania pomiaru jest zastosowanie metody 3p z cęgami. W tej metodzie stosuje się dwie elektrody pomocnicze: H i S.
       Ponieważ złącze kontrolne nie jest rozwarte, prąd pomiarowy z zacisku E miernika płynie zarówno przez mierzone uziemienie, jak i przez pozostałe uziemienia.
       Aby określić prąd płynący przez mierzone uziemienie, wykorzystywane są cęgi pomiarowe.
       Na podstawie zmierzonego spadku napięcia na mierzonym uziomie i wartości zmierzonego prądu wyliczana jest wartość rezystancji uziemienia.
       Podczas wykonywania pomiaru należy zwrócić uwagę na miejsce przyłączenia cęgów. Powinny one być założone poniżej przyłączenia przewodu E.
       W czasie pomiaru tylko część generowanego prądu przepływa przez mierzony uziom. Pozostała część prądu pomiarowego płynie przez resztę układu uziomów.
       Aby zapewnić najwyższą dokładność pomiaru, stosowane cęgi muszą być najwyższej klasy.
       Osiągnięty zakres pomiarowy dla miernika MRU-200 to 0,120Ω…1,99kΩ.
       Sposób wykonania pomiarów metodą 3p z wykorzystaniem cęgów przedstawiono na rysunku 4.


Rys. 4. Pomiar rezystancji uziemienia metodą 3p z cęgami.

       3.1.4. Metoda dwucęgowa
      Pomiary rezystancji uziemień na terenach zurbanizowanych, w miastach przy zwartej zabudowie, często jest niemożliwy, ponieważ nie ma żadnej możliwości wbicia w ziemię elektrod pomocniczych. W takich warunkach pomiar rezystancji uziemienia można wykonać bez elektrod pomocniczych, metodę dwucęgową. Aby wykonać pomiar rezystancji uziemienia należy wygenerować prąd a potem - na podstawie spadku napięcia - obliczyć wartość rezystancji.
      Celem pomiaru jest zmierzenie rezystancji uziemienia RE1. Do tego uziemienia są przyłączone inne uziemienia o rezystancjach RE2......RE6.
      W tej metodzie wykorzystuje się cęgi nadawcze (N-1), służące do wygenerowania napięcia w obwodzie oraz cęgi odbiorcze (C-3), które mierzą płynący w obwodzie prąd.
      Aby pomiar metodą dwucęgową był możliwy, musi być zamknięty obwód dla przepływu prądu. Z tego wynika, że nie jest możliwy pomiar pojedynczego uziemienia - rozwartego obwodu. Żeby dokonać pomiaru, należy pojedynczy uziom przyłączyć do innego uziomu.
      Zasadę pomiaru metodą dwucęgową przedstawiono na rysunku 5.


Rys. 5. Zasada pomiaru rezystancji uziemienia metoda dwucęgową.

      System uziomów z rysunku 5. został zastąpiony schematem zastępczym, przedstawionym na rysunku 6.


Rys. 6. Schemat zastępczy uziomów

      Wartość rezystancji uziemienia RE składa się z mierzonego uziemienia RE1 wypadkowej równoległego połączenia pozostałych uziemień.

      Wartość rezystancji uziomu RE można obliczyć ze wzoru:

     Rezystancja wypadkowa dla równoległego połączenia pozostałych uziomów będzie tym mniejsza, im więcej będzie tych dodatkowych uziomów (czyli błąd pomiaru), dlatego zaleca się wykonywanie pomiarów tą metodą w systemach o wielu uziemieniach.

      Ponieważ uziemienia robocze pracują przy częstotliwości sieciowej 50Hz, wskazane jest wykonanie pomiarów sygnałem o częstotliwości możliwie bliskiej 50Hz. W miernikach MRU-200, MRU-120, dla częstotliwości sieciowej 50Hz, pomiar wykonywany jest prądem o częstotliwości 125 Hz.
      Dla pomiarów rezystancji uziemienia metodą dwucęgową ważna jest średnica wewnętrzna cęgów. Powinna ona, w przypadku usytuowania na bednarce, dla cęgów N-1 i C-3 wynosić 52mm. Sposób wykonywania pomiarów metodą dwucęgową przedstawiono na rysunku 7.


Rys. 7. Pomiar rezystancji uziemienia metodą dwucęgową

      Przy pomiarach metodą dwucęgową nie jest istotne, czy cęgi nadawcze N-1 znajdują się na górze czy na dole. Odległość między cęgami, dla eliminacji wpływu  między nimi, powinna wynosić co najmniej 30 cm.

▲ do góry

      3.2. Pomiary rezystancji uziemienia metodą kompensacyjną

    Do pomiaru statycznej rezystancji uziemień używany jest często induktorowy miernik uziemień IMU oparty na metodzie kompensacyjnej. Metoda ta stosowana jest do pomiarów rezystancji uziemień od kilku do kilkuset Ω. Widok płyty górnej miernika przedstawiono na rysunku 8, natomiast uproszczony schemat układu do pomiaru rezystancji uziemienia metodą kompensacyjną - na rysunku 9.

      Metoda kompensacyjna polega na porównaniu napięcia uziomowego UE ze spadkiem napięcia na rezystorze Rr o regulowanej rezystancji.

      Źródłem prądu pomiarowego miernika IMU jest prądniczka prądu przemiennego (induktor korbkowy z napędem ręcznym) generująca napięcie o częstotliwości 60 Hz różnej od częstotliwości sieciowej, pozwalającej wyeliminować wpływ prądów błądzących o częstotliwości sieciowej na wynik pomiaru. Napięcie uziomowe UE względem elektrody napięciowej (spadek napięcia ∆UE pomiędzy elektrodami E a Sn ) kompensuje się spadkiem napięcia ∆Ur na regulowanym rezystorze Rr .
      Kompensacja występuje w chwili, gdy galwanometr Ga wskazuje zero; a odczytana na skali wycechowanej w omach ilość działek, pomnożona przez ustawiony zakres pomiarowy, wyznacza wartość mierzonej rezystancji uziemienia. Zachodzi wtedy równość: ∆UE = ∆Ur

Rys. 8. Układ do pomiaru rezystancji uziemienia E metodą kompensacyjną

Rys. 9. Uproszczony schemat układu do pomiaru rezystancji uziemienia E metodą kompensacyjną

      Na górnej płycie miernika IMU umieszczone jest pokrętło galwanometru, pokrętło zakresów miernika oraz pozycja K umożliwiająca, po przeniesieniu zwory dwóch zacisków lewych Rd Rx na dwa prawe Rs i Rp, sprawdzenie poprawności działania miernika (prawidłowe ustawienie wskazówki). Na płycie górnej umieszczone są także: skala galwanometru i skala potencjometru.
Dd podstawowych parametrów miernika MRU zalicza się:
      - Napięcie znamionowe, które wynosi kilkadziesiąt woltów i nie musi być regulowane;
      - Znamionowe wartości zakresów pomiarowych miernika IMU, np.: 5 - 50 - 500 Ω lub 10 - 100 - 1000 Ω w trzech lub czterech podzakresach, przy znamionowym napięciu pomiarowym wynoszącym 300 V;
      - Dokładność miernika wynosi 1% do 5%.

      Pomiar rezystancji uziemienia miernikiem IMU wykonuje się w sposób następujący:
       a) przygotowanie układu uziomów pomocniczych względem badanego uziomu - jak przy metodzie technicznej;
       b) sprawdzenie poprawności działania miernika zgodnie z instrukcją producenta;
       c) ustawienie przełącznika zakresów w pozycji odpowiadającej przewidywanej wartości wielkości mierzonej;
       d) obracając korbką miernika (z prędkością znamionową 160 obr./min.) regulować pokrętłem  potencjometru
           do czasu uzyskania zerowego wskazania galwanometru;
       e) wskazaną na podziałce potencjometru wartość zmierzonej rezystancji w omach pomnożyć przez ustawiony
           mnożnik przełącznika zakresów.

      Po uwzględnieniu zmian rezystywności gruntu w ciągu roku, powodujących zmiany rezystancji uziemienia, wymagana jest dokładna informacja o maksymalnej rezystancji, jaką badany uziom może osiągnąć. Taką rezystancję REmax można wyznaczyć mnożąc wartość zmierzonej rezystancji RE przez współczynnik korekcyjny kp, uwzględniający sezonowe zmiany rezystywności gruntu:

REmax = REkp

      Wartości współczynnika korekcyjnego kp podane są w tablicy 2.

Tablica 2. Współczynniki korekcyjne kp

      Pomiary rezystancji uziemienia powinny być wykonywane, uwzględniając nasze warunki klimatyczne, w okresie największej rezystywności gruntu, tj. w okresie od czerwca do września. W tym okresie powinno się również unikać trzydniowych okresów po długotrwałych opadach. Jeżeli pomiary zostały wykonane w innych okresach, to pomiary te należy powtórzyć.

      Rezystancja uziemienia zależy od sposobu jego wykonania uziomu, głównie od głębokości jego pogrążenia. Przez zwiększenie głębokości pogrążenia uziomu uzyskuje się zmniejszenie jego rezystancji. Głębokość pogrążenia uziomu wpływa również na niezmienność rezystancji w czasie. Rezystancja uziomu głębokiego jest stabilna, gdyż nie wpływa na nią wysychanie ani zamarzanie gruntu.

▲ do góry

      3.3. Pomiary uziemień instalacji odgromowej

      Charakterystycznym parametrem określającym cechy uziemienia jest jego rezystancja, przy czym rozróżnia się rezystancję statyczną, odpowiadającą przewodzeniu prądów przemiennych o częstotliwości 50 Hz
      np. w ochronie przed porażeniem elektrycznym, w ochronie odgromowej i przeciwprzepięciowej, oraz rezystancję (impedancję) udarową, odpowiadającą przepływowi prądów piorunowych o charakterze udarowym między
      uziomem a ziemią odniesienia, charakteryzujących się dużą wartością prądu i bardzo krótkim czasem trwania.

      Norma PN-EN 62305 wprowadza pojęcie impedancji uziemienia Zo, jako stosunek wartości szczytowej napięcia na uziomie do szczytowej wartości przepływającego prądu. Dla częstotliwości sieciowej (50 Hz), uziemienie wykonane np. jako taśma metalowa zakopana w ziemi może być zmodelowane jako rezystancja, natomiast model tego samego przewodnika ułożonego w ziemi, dla wysokich częstotliwości odpowiadających wyładowaniu piorunowemu, powinien być rozpatrywany jako linia długa. Wówczas indukcyjności przewodnika i pojemności do ziemi stają się znaczące w modelu elektrycznym przewodnika umieszczonego w ziemi dla wyładowania piorunowego. Impedancja Zo w tym układzie uzależniona jest nie tylko od rezystancji przewodnika, ale również od jego ułożenia w ziemi.

       Model elektryczny przewodnika umieszczonego w ziemi dla wyładowania piorunowego przedstawiono na rysunku 10.


Rys. 10. Model elektryczny przewodnika umieszczonego w ziemi dla wyładowania piorunowego

      Największy udział w odprowadzaniu prądu piorunowego do ziemi bierze początkowa cześć uziomu. Reaktancja indukcyjna przewodu powoduje, że dalsze części uziemienia mają mniejszy wpływ na odprowadzanie prądu pioruna. A zatem, sposób umieszczenia zwodów, prowadzenia przewodów odprowadzających i wykonania uziomu jest bardzo ważny dla skutecznej ochrony odgromowej i dlatego powinien być wykonany zgodnie z wymogami normy PN-EN 62305.

▲ do góry

      3.4. Pomiary impedancji uziemienia instalacji odgromowej metodą udarową

      Wprowadzony przez normę PN-EN 62305 pomiar impedancji uziemienia instalacji odgromowej uwzględnia składowe reaktancyjne (indukcyjność i pojemność uziemienia), wpływające zasadniczo na rozpływ prądu piorunowego. Impulsowy charakter wyładowania piorunowego powoduje, że istotny dla rozpływu prądu piorunowego staje się wpływ reaktancji indukcyjnej badanego uziomu. Sprawia to, że efektywnie wykorzystana do odprowadzenia prądu piorunowego jest jedynie część uziomu znajdująca się w bezpośredniej bliskości miejsca wyładowania.
      W konsekwencji, uziom o małej rezystancji dla prądów o częstotliwości sieciowej (50 Hz) zapewnia dobrą ochronę przeciwporażeniową, nie musi jednak zapewniać wystarczających parametrów dla ochrony odgromowej.
      W przypadku rozległych systemów uziomowych, które posiadając niską rezystancję, mogą one charakteryzować się kilkukrotnie wyższą impedancją uziemienia.
      Impulsowy charakter pomiaru impedancji uziemienia metodą udarową powoduje, że nie jest konieczne rozłączanie uziemienia w przypadku uziemień wielokrotnych lub obiektów będących pod napięciem, gdyż impuls prądu pomiarowego, podobnie jak uderzenie pioruna, operuje jedynie w ograniczonej odległości.
      Określona przez normę impedancja uziemienia jest niejako wartością umowną, ponieważ na ogół szczyty napięciowy i prądowy nie występują równocześnie. Impedancja uziemienia jest uznawana za wskaźnik skuteczności uziemienia w warunkach ochrony obostrzonej lub specjalnej.

      Właściwości pomiaru uziemień instalacji odgromowych miernikiem MRU-200:
      1) Pomiary powinny być wykonywane w sposób maksymalnie zbliżony do warunków w chwili uderzenia pioruna;
      2) Prąd pomiarowy powinien mieć taki kształt, jaki powstaje na skutek wyładowania atmosferycznego;
      3) Parametry impulsu definiują dwie liczby: czas trwania czoła T1 i czas trwania do półszczytu T2;
      4) Miernik generuje szereg impulsów o podanym na rysunku 11 kształcie, amplitudzie 1,5kV i prądzie do 1A;
      5) Miernik umożliwia, zgodnie z normą PN-EN 62305, wybór pomiędzy trzema kształtami impulsów:
         - impuls o kształcie 10/350 μs, jest typowy dla pierwszego udaru prądu piorunowego,
         - impuls 8/20 μs, wykorzystywany jest do badania wpływu wyładowań na urządzenia,
         - impuls 4/10 μs, o takim kształcie jest mocno zakorzeniony w polskiej praktyce pomiarowej.

      Kształt impulsu pomiarowego przedstawiono na rysunku 11.


Rys. 11. Określenie parametrów udaru krótkotrwałego
(kształt impulsu pomiarowego dla metody udarowej miernikiem MRU-200)

      Zastosowanie metody 4 - przewodowej do pomiaru impedancji uziemienia instalacji odgromowej eliminuje wpływ impedancji przewodu pomiarowego, łączącego mierzone uziemienie z miernikiem. Do pomiaru stosowany jest ekranowany przewód przyłączony do zacisku E miernika, eliminujący wpływ zakłóceń na wynik pomiaru. Podczas pomiaru przewody pomiarowe muszą być całe rozwinięte ze szpul, by nie powodować dodatkowej indukcyjności.
      Aby nie było możliwości indukowania się napięcia w przewodzie S, spowodowanego przepływem prądu w przewodzie H, przewód S powinien być oddalony od przewodu H (pod kątem większym od 60o).


Rys. 12. Sposób przyłączenia przewodów podczas wykonywania pomiarów metodą udarową

▲ do góry

      3.5. Pomiary rezystancji uziemienia miernikiem impedancji pętli zwarciowej

      Pomiar statycznej rezystancji uziemień metodą techniczną można wykonać również przyrządem pomiarowym przeznaczonym głównie do pomiaru rezystancji (impedancji) pętli zwarciowej(Rys. 13). Wówczas mierzona jest pętla zwarcia, która jest sumaryczną rezystancją: badanego uziemienia, uziemienia punktu neutralnego, uzwojenia wtórnego transformatora oraz przewodów sieci zasilającej i przewodów pomiarowych.
      Jeżeli zmierzona w ten sposób rezystancja pętli zwarcia nie przekracza dopuszczalnej wartości rezystancji badanego uziemienia, to uzyskana rezystancja uziomu badanego jest dopuszczalna. W przypadku, gdy warunek ten nie jest spełniony, pomiar statycznej rezystancji uziemienia E należy wykonać metodą techniczną w układzie jak na rysunku 14 tj. przy użyciu elektrody napięciowej Sn i elektrody prądowej RB.

Rys. 13. Układ do pomiaru rezystancji pętli zwarciowej

Rys. 14. Układ do pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną

      Bardzo często, ze względu na ograniczoną moc wewnętrznych źródeł zasilania mierników przeznaczonych do pomiaru statycznej rezystancji uziemień, stosuje się układ do pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną z wykorzystaniem sieci elektroenergetycznej jako źródło zasilania, jak na rysunku 15. Zastosowany w tym układzie transformator pozwala odseparować układ pomiarowy od sieci i jej uziomów oraz obniżyć napięcie do wartości zapewniającej bezpieczeństwo przy wykonywaniu pomiarów.

Rys. 15. Układ do pomiaru statycznej rezystancji uziemienia metodą techniczną
z wykorzystaniem sieci elektroenergetycznej jako źródła zasilania

▲ do góry

      3.6. Pomiar rezystancji pętli uziemienia z użyciem zacisków prądowych
      W normie PN-HD 60364-6 określono pomiar rezystancji pętli uziemienia z użyciem zacisków prądowych. Przedstawiona metoda pomiarowa ma zastosowanie do istniejących pętli uziemienia w obrębie kratowego układu uziemiającego, jak przedstawiono na rysunku 16.

       W metodzie tej pierwszy zacisk (cęgi) indukuje w pętli napięcie pomiarowe U do pętli, drugi zacisk (cęgi) mierzy prąd Iw w pętli. Rezystancję pętli można obliczyć z prawa Ohma dzieląc napięcie U przez prąd Iw.

      Ponieważ wypadkowa wartość połączonych równolegle rezystancji R1...Rn jest zwykle pomijalna, nieznana rezystancja jest równa zmierzonej rezystancji pętli lub nieznacznie mniejsza.

Rys. 16. Pomiar rezystancji pętli uziemienia z użyciem zacisków prądowych
Oznaczenia: RT - uziemienie transformatora, Rx- nieznana rezystancja uziomu, którą należy zmierzyć,
R1...Rn- równoległe uziemienia połączone połączeniem wyrównawczym lub przewodem PEN

      W praktycznych rozwiązaniach każdy zacisk może być indywidualnie podłączony do miernika cęgowego lub zespolony w jeden specjalny zacisk.

      Ten sposób pomiarów rezystancji pętli uziemienia, t.j. z użyciem zacisków prądowych, stosuje się bezpośrednio do układów TN oraz w uziemieniach kratowych układów TT, w których dostępne jest tylko nieznane połączenie z ziemią; pętla podczas pomiaru może być zamknięta krótkotrwałym połączeniem, wykonanym na czas pomiaru, między uziomem a przewodem neutralnym (układ quasi TN).

      Dla zapewnienia bezpieczeństwa w czasie wykonywania pomiarów, w szczególności uniknięcia ryzyka spowodowanego prądami powstałymi na skutek różnicy potencjałów pomiędzy przewodem neutralnym a ziemią, układ powinien być wyłączony podczas przyłączania i odłączania zacisków.

▲ do góry

      3.7. Pomiary rezystywności gruntu

      Projektowanie i budowa nowych uziemień powinny uwzględniać warunki lokalne, które dość często charakteryzują się różnymi rodzajami gruntów o różnej rezystywności zawierającej się w przedziale od 40 do 2000 Ω∙m.

      A zatem należy przyjąć, że uzyskanie małej wartości rezystancji uziemienia jest możliwe, gdy uziom zostanie wykonany w gruncie o stosunkowo małej wartości rezystywności gruntu. Przykładowo, w gruntach piaszczystych lub skalistych, w których wartość rezystywności gruntu jest duża, wymaga się rozbudowanych systemów uziemiających, aby uzyskać odpowiednią wartość rezystancji uziemienia.
      Na rysunku 17. przedstawiono model rezystywności jako sześcian o wymiarach 1m x 1m x 1m, wypełniony gruntem; z przeciwległych stron sześcianu umieszczone są elektrody. do których sześcianu podłączone jest napięcie. Stosunek napięcia do płynącego prądu określa rezystywność.


Rys. 17. Model rezystywności gruntu

      Pomiary rezystywności gruntu można wykonać różnymi przyrządami pomiarowymi wyposażonymi w funkcje pomiaru rezystywności gruntu. Przykłady pomiarów rezystywności gruntu, omówionych w opracowaniu, wykonano przy wykorzystaniu miernika induktorowego IMU i miernika MRU - 200.

      Pomiar rezystywności gruntu odbywa się przy użyciu czterech elektrod rozmieszczonych w jednej linii w równych odległościach a (metodą Wennera). Cechą charakterystyczną dla metody Wennera jest proporcjonalna zależność pomiędzy odległością, na jaką rozstawione są elektrody, a głębokością, na którą wnika płynący prąd. Ta zależność pozwala na określenie przedziału głębokości, na której występuje mierzona rezystywność i wynosi ona około 0,7 odległości pomiędzy elektrodami. Wykonanie serii pomiarów rezystywności gruntu, przy jednoczesnej zmianie odległości pomiędzy elektrodami, pozwala określić w przybliżeniu, na jakiej głębokości występuje najmniejsza rezystywność. Wiedza ta ma duże znaczenie dla oszczędności materiału przy budowie uziomów.

      Przy pomiarze rezystywności gruntu miernikiem IMU (Rys. 17) należy:
      - zdjąć mostek zwierający zaciski Rd i Rx w mierniku IMU,
      - pogrążyć w gruncie cztery elektrody rozmieszczone liniowo w równych odległościach a
        między elektrodami (zwykle kilka metrów), jak na rysunkach 18 i 19,
      - rozmieszczone elektrody przyłączyć do zacisków miernika.


Rys. 18. Układ do pomiaru rezystywności gruntu miernikiem IMU

      Wyznaczenie wartości rezystywności gruntu ρ wymaga (podobnie jak w metodzie technicznej) zmierzenia miernikiem IMU rezystancji Rx, którą następnie mnoży się przez 2 π ∙ a.
      Szukana rezystywność gruntu wynosi:

ρ = 2 π ∙aRx,   w Ω∙m

      gdzie:
      ρ - rezystywność gruntu, w Ω∙m,
      Rx- wartość rezystancji odczytana z miernika, w Ω,
      a - odległość pomiędzy elektrodami, w m.

      Zmierzona wartość rezystywności gruntu jest wartością średnią w obszarze półkuli o średnicy równej 3a.

 


Rys. 19. Układ do pomiaru rezystywności gruntu miernikiem MRU - 200

      Mierniki MRU - 105, MRU - 120 i MRU - 200 firmy Sonel (Rys. 19) umożliwiają wprowadzenie odległości pomiędzy elektrodami, zaś wszelkie obliczenia są wykonywane automatycznie. Miernik wyświetli zarówno wartość rezystancji sond pomiarowych (w Ω) jak i rezystywności gruntu (w Ωm).

▲ do góry

Menu serwisu