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.
      Uznane reguły techniczne 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.

      2.1. 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).

      2.2. 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 uziemienim a ziemią odniesienia, charakteryzujących się dużą wartością prądu i bardzo krótkim czasem trwania.

      Rezystancja statyczna uziemienia występuje między uziemieniem 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

      Do pomiarów rezystancji uziemień najczęściej wykorzystywana jest metoda techniczna, nazywana często metodą spadku potencjału.
      Pomiar rezystancji uziemienia metodą techniczną należy wykonać z użyciem sondy (elektrody) prądowej Sp i sondy (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 Rx i sondy prądowej Sp,
      Obwód napięciowy składa się z woltomierza, uziomu badanego Rx i sondy napięciowej Sn.

      Zasadniczy wpływ na dokładność pomiarów rezystancji uziemienia odgrywa sposób rozmieszczenia sond Sn i Sp oraz odległości między uziomem badanym Rx a sondą napięciową Sn i sondą prądową Sp.
      Przy rozmieszczaniu sond pomiarowych należy przestrzegać zasady aby sonda napięciowa Sn znajdowała się w strefie potencjału zerowego (w połowie odległości między uziomem badanym Rx a sondą prądową Sp).
      Dla poprawnego wykonania pomiaru napięcia uziomowego UE i prądu uziomowego IE elementy obydwu obwodów powinny mieć określone parametry, a sondy pomiarowe powinny być odpowiednio oddalone od badanego uziomu. Poprawne wyniki pomiaru rezystancji uziomów skupionych (czyli zajmujących niewielki obszar) i przy wymuszeniu niewielkich prądów pomiarowych uzyskuje się stosując odległość między uziomem badanym i sondą napięciową nie mniejszą niż 20 m.
      Prąd przemienny o stałej wartości przepływa między uziomem badanym Rx a sondą prądową Sp, umieszczoną w takiej odległości od uziomu Rx, że oba uziomy nie oddziaływają na siebie.
      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 sond pomiarowych i sprawdzić rozkład potencjałów na powierzchni gruntu. Wymagane odległości między uziomami i sposób ich rozmieszczenia 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 sondy napięciowej Sn od uziomu badanego Rx 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.
      Zgodnie z normą PN-HD 60364:2016-07 sondy pomiarowe powinny być rozmieszczone w taki sposób, aby wraz z uziomem badanym tworzyły trójkąt (Rys. 1 oznaczenie 1). Ten sposób rozmieszczenia sond jest wymagany, aby uniknąć skutków sprzężeń elektromagnetycznych między przewodami pomiarowymi.

Rys. 1. Zasada pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną
Oznaczenia: 1 - uziom badany i sondy pomiarowe rozmieszczone w układzie trójkąta,
2 - uziom badany i sondy pomiarowe rozmieszczone w jednej linii,
IE - prąd uziomowy, UE - napięcie uziomowe, Rx - uziom badany,
Sp - sonda prądowa, Sn - sonda napięciowa, Tr - transformator.

 

      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) sonda prądowa Sp powinna być oddalona od badanego uziomu Rx tak, aby między sondą Sp i badanym uziomem
              występowała tzw. strefa potencjału zerowego, V = 0 (Rys. 1),
          d) przewody pomiarowe i sonda 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 sondy 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.

      2) Wyznaczenie rezystancji uziemienia

      W czasie pomiaru prąd uziomowy IE o stałej wartości przepływa między uziomem badanym Rx, 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 R, 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 należy sprawdzić, czy zmierzona rezystancja Rx uziomu jest wartością prawidłową (Rys. 2). W tym celu należy wykonać dwa dodatkowe pomiary: z przesuniętą sondą napięciową Sn - raz o 6 metrów dalej od uziomu Rx - drugi raz o 6 metrów w kierunku uziomu Rx, jak na rys. 2. Jeżeli wyniki trzech kolejno wykonanych pomiarów są w przybliżeniu zgodne, to średnią wartość z tych trzech pomiarów należy uznać za miarodajną . 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 Rx metodą techniczną
Oznaczenia: Rx: uziom badany odłączony od wszystkich innych źródeł zasilania;
Sn - sonda napięciowa, Sp sonda prądowa; 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 200 mA, 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 stosowana jest również 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 - pomiaru rezystancji uziemień
         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;

         Uwaga - ogólne zasady sprawdzania ciągłości połączeń ochronnych i wyrównawczych oraz pomiar rezystancji uziemień
         metodą techniczną zostały omówione wyżej  w pkt. 3.1..

       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. Na czas pomiaru 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 pogrążenia w ziemi 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, dla cęgów N-1 i C-3 usytuowanych na bednarce,  wynosić 52 mm. 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 przedstawia rysunek 8, natomiast uproszczony schemat układu do pomiaru rezystancji uziemienia metodą kompensacyjną - rysunek 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 uziomem badanym Rx a sondą napięciową 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, w Ω. Zachodzi wtedy równość: ∆UE = ∆Ur

 

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

 

 

Rys. 9. Uproszczony schemat układu do pomiaru rezystancji uziemienia Rx 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.
      Do podstawowych parametrów miernika IMU 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 elektrod (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.) należy regulować pokrętłem  potencjometru
           do czasu uzyskania zerowego wskazania galwanometru;
       e) wskazaną na podziałce potencjometru wartość zmierzonej rezystancji w omach należy 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 Rxmax można wyznaczyć mnożąc wartość zmierzonej rezystancji Rx przez współczynnik korekcyjny kp, uwzględniający sezonowe zmiany rezystywności gruntu:

Rxmax = Rxkp

      Wartości współczynnika korekcyjnego kp podane są w tablicy 2.

Tablica 2. Współczynniki korekcyjne kp

      Pomiary rezystancji uziemienia powinny być wykonywane, uwzględniając 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.

▲ 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 uziemieniu 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 przedstawia rysunek 10.


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

      Największy udział w odprowadzaniu prądu piorunowego do ziemi bierze początkowa cześć uziemienia. 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 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
      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 1,5 kV 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)

      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
      W układzie TT jak na rysunku 13, zamiast zwykłego pomiaru rezystancji uziemienia z użyciem sondy prądowej i sondy napięciowej, zmierzono sumę rezystancji RB + Rx miernikiem impedancji pętli zwarciowej .

Rys. 13. Pomiar rezystancji pętli w układzie TT miernikiem impedancji pętli zwarciowej MIP

       Jeżeli zmierzona w ten sposób rezystancja pętli nie przekracza dopuszczalnej wartości rezystancji badanego uziemienia, to pomiar można uznać za miarodajny.
      W przypadku, gdy warunek ten nie jest spełniony, pomiar statycznej rezystancji uziemienia Rx należy wykonać metodą techniczną w układzie jak na rysunku 14.

Rys. 14. Pomiar 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 60364-6:2016-07 określono pomiar rezystancji pętli uziemienia metodą cęgową, bez użycia sondy prądowej i sondy napięciowej.
      Do pomiaru zastosowano cęgowy miernik uziemień (CMU) wyposażony w transformator napięciowy, który indukuje napięcie w pętli obejmującej uziom badany Rx oraz pozostałe równolegle połączone uziomy o wypadkowej rezystancji uziemienia RΣ. Drugi przetwornik cęgowy jest przekładnikiem prądowym indukcyjnym, który mierzy prąd IM o częstotliwości pomiarowej różnej od częstotliwości sieciowa).
      Ponieważ wypadkowa wartość połączonych równolegle rezystancji jest zwykle pomijalna, nieznana rezystancja jest równa zmierzonej rezystancji pętli lub nieznacznie mniejsza.
      W układzie jak na rysunku 16 mierzy się sumę rezystancji Rx...RΣ, uzyskując wartość rezystancji większą niż poszukiwana.
      Jeżeli w wyniku pomiaru uzyskana wartość rezystancji nie przekracza dopuszczalnej, to można ją zaakceptować; nie ma konieczności wykonywania dokładniejszych pomiarów.

      Przedstawiona metoda pomiarowa ma zastosowanie do istniejących pętli uziemienia w obrębie kratowego układu uziemiającego, jak przedstawiono na rysunku 16.

Rys. 16. Pomiar rezystancji pętli uziemienia metodą cęgową
Oznaczenia: IM - prąd pomiarowy; RB - uziom w stacji zasilającej transformatora' Rx- uziom badany;
R1...Rn- dodatkowe uziomy przyłączone do do głównej szyny wyrównawczej, CMU - cęgowy miernik uziemień.

      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.
     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

      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,
      - pogrążyć w gruncie cztery elektrody rozmieszczone w jednej linii, w równych odległościach 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 rezystywności gruntu ρ wymaga (podobnie jak w metodzie technicznej) zmierzenia miernikiem rezystancji Rx.
      Szukaną wartość rezystywności gruntu oblicza się ze wzoru:

ρ = 2 π ∙aRx

      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 wartość rezystancji sond pomiarowych (w Ω), a także wartość rezystywności gruntu (w Ωm).

▲ do góry

Menu serwisu