ISE.pl - Aby być Elektrykiem

...czy wreszcie odpowiedniego stopnia ochrony urządzeń przez lokalne uziemienia stosownie do obowiązujących  aktów normatywnych.

Wartości rezystancji  uziemienia,  jakie powinna posiadać instalacja elektryczna nN w celu spełnienia wymogów bezpieczeństwa, możemy  znaleźć w normie PN-IEC 60364-4-41 w postaci warunku:

RA ≤ UL/ IA

gdzie:

RA - suma rezystancji lokalnego uziemienia i przewodu ochronnego podłączonego części przewodzącej chronionego urządzenia,
UL - maksymalna dopuszczalna wartość napięcia dotykowego wynosząca w normalnych warunkach 50 V, a w warunkach  szczególnych 25 V (w przypadku bardzo dużego zagrożenia porażeniowego 12,5 V),
IA  - prąd wywołujący  automatyczne wyłączenie  zasilania  obwodu w czasie określonym przez PN-IEC 60364-4-41.

W przypadku, gdy prąd zwarciowy  jest mniejszy od  IA, napięcie,  jakie pojawi się na obudowie uszkodzonego urządzenia, będzie mniejsze niż wartość dopuszczalna (UL). Dla obwodów zabezpieczonych wyłącznikami RCD prąd IA jest równy nominalnemu  prądowi wyzwalania I∆N. W przypadku zastosowania kilku wyłączników połączonych szeregowo w jednym obwodzie dla wyznaczenia wymaganej wartości rezystancji uziemienia należy przyjąć największą wartość I∆N spośród wszystkich szeregowo połączonych wyłączników. Dopuszczalne największe wartości rezystancji uziemienia zostały przedstawione w tabeli 1.

Tab. 1   Wymagane maksymalne wartości rezystancji uziemienia przy zabezpieczeniach wyłącznikami RCD o prądzie nominalnym wyzwalania 30-1000 mA (opracowanie Kyoritsu nr 1, str. 4)

Pomiary  rezystancji   uziemienia mogą być wykonywane metodą techniczną, kompensacyjną, przez pomiar pętli zwarcia oraz metodą cęgową. Metody: techniczna, także z wykorzystaniem pętli zwarcia, oraz cęgowa zostaną omówione niżej.

Pomiary rezystancji( impedancji) uziemień -  metody tradycyjne Pomiar rezystancji uziemienia metodą techniczną

Pomiar ten polega na zastosowaniu dwóch elektrod pomocniczych: prądowej i napięciowej. Schemat tej metody podajemy zgodnie z PN-IEC 60364-6-61 na rysunku 1. W obwodzie badany uziom – elektroda prądowa umieszczone  jest źródło prądowe, wymuszające w tym obwodzie przepływ prądu o określonej wartości. Woltomierz, umieszczony w obwodzie badany uziom – elektroda napięciowa mierzy spadek napięcia na uziomie wywołany wymuszonym prądem. Odległość między badanym uziomem a elektrodą prądową musi być na tyle duża, by nie oddziaływały one na  siebie,  z kolei elektroda napięciowa powinna znajdować się w połowie odległości pomiędzy wymienionymi elektrodami.

Rys. 1  Pomiar rezystancji uziemienia metodą techniczną wg [1]

PN-IEC zaleca jednak mierzenie rezystancji uziemienia dla trzech położeń sondy napięciowej: środkowego i przesuniętego pomiędzy badanym uziomem a elektrodą napięciową oraz przy zmianach usytuowania elektrody środkowej  (napięciowej) w granicach +/-6 m w celu potwierdzenia, że elektroda napięciowa znajduje się w strefie potencjału zerowego. Jeżeli te trzy wyniki pomiaru niewiele się różnią, to jako wynik pomiaru norma zaleca uznać średnią z powyższych pomiarów.

Charakterystyka pomiarów ze względu na prąd pomiarowy

Charakterystyka pomiarów ze względu na prąd pomiarowy i odniesieniem uzyskanych wyników pomiarów do spodziewanej  i realnie istniejącej rzeczywistej wartości rezystancji uziemienia. Celem pomiarów jest bowiem zawsze wyznaczenie największej spodziewanej wartości uziemienia RE, która uwzględnia sezonowe zmiany rezystywności gruntu. Tymczasem ten sam uziom może mieć różne rezystancje REM w zależności od wielkości prądu pomiarowego: mA (do 1 A), czy też kilku, czy kilkudziesięciu amperów; inne w warunkach przepływu stałego prądu zwarciowego (rezystancja statyczna)  i inne przy przepływie prądu udarowego  (rezystancja udarowa)  [2]. Duże prądy uziomowe, a nawet małe prądy udarowe, wywołują zazwyczaj przebicia przestrzeni między stałymi elementami gruntu, co powoduje chwilowe obniżenie rezystywności gruntu, a więc  i rezystancji uziemienia. Natomiast duża stromość prądów udarowych może również powodować wystąpienie dużych spadków napięć wzdłuż uziomu. Głębsze części uziomu mają wtedy znacznie mniejsze potencjały i nie uczestniczą praktycznie w odprowadzaniu prądu do ziemi. Zjawisko to przyczynia się do wzrostu wielkości rezystancji udarowej w stosunku do rezystancji statycznej. Ostatecznie, w zależności od tego, czy przeważa zjawisko przebicia gruntu, czy polaryzacji uziomu, wielkości rezystancji udarowej mogą być większe lub mniejsze od wielkości rezystancji statycznej.  W pewnych warunkach rezystancje te mogą być sobie równe [2]. Natomiast zawsze rezystancja statyczna uziomu jest odwrotnie proporcjonalna do wartości przepływającego prądu.

W celu uniknięcia wpływu prądów zakłócających (np. błądzących) na wynik pomiaru, źródło prądowe powinno wymuszać prąd o określonej wielkości lub / i kształcie przebiegu. Przyjmuje się, że dla częstotliwości 50 Hz, poprawne wyniki uzyskuje się dla prądu pomiarowego 20-krotnie większego od prądów zakłócających [3]. Te ostatnie można wyznaczyć praktycznie, mierząc napięcie pomiędzy uziomem badanym a ziemią odniesienia. Większość nowoczesnych mierników  rezystancji uziemień analizuje te prądy i automatycznie sygnalizuje nadmierny poziom zakłóceń. Pomiary, zwłaszcza na terenach przemysłowych i w obiektach elektroenergetycznych, wymagają, najczęściej z uwagi na duże wartości prądów zakłócających, stosowania źródła prądowego o dużej mocy zasilanego z sieci elektrycznej. Na rysunku 2 pokazany jest taki sposób pomiaru rezystancji uziemienia z zasilaniem obwodu prądowego przez transformator, co zapewnia galwaniczne odizolowanie układu pomiarowego od sieci [2].

Rys. 2  Pomiar rezystancji uziemienia przy wykorzystaniu napięcia sieci

W celu  eliminacji wpływu prą dów  zakłócających  stosuje się prądy wymuszające o innych  częstotliwościach wyższych od 50 Hz  lub o innym kształcie przebiegu. Publikacja HD  zaleca, aby  częstotliwość prądu pomiarowego nie przekraczała 150 Hz. Jednak niektóre konstrukcje, stosujące przy pomiarach metody techniczną  i kompensacyjną, wykorzystują do pomiarów prądy o częstotliwościach wyższych, ale  jednocześnie z małą wartością prądu wymuszającego  (np. wielofunkcyjny KEW 6015 f = 720 Hz, Imaks 2 mA).

Pomiar rezystancji uziemienia przez pomiar pętli zwarcia

Pomiary  takie mogą być wykonywane przy wykorzystaniu mierników pętli zwarcia w układzie  jak na  rysunku 3.

Rys. 3   Pomiar rezystancji (impedancji) pętli zwarcia

Mierzona jest wtedy impedancja całego obwodu pętli. Jeżeli jest ona mniejsza od dopuszczalnej, to pomiar  ten  jest wystarczający do oceny prawidłowości ochrony. W innym przypadku konieczny jest pomiar metodą techniczną (rys. 4).

Rys. 4  Pomiar rezystancji uziemienia metodą techniczną

Ograniczenia i niedogodności dotychczasowych metod pomiaru rezystancji uziemień

Opisane wyżej metody wymagaą zawsze stosowania pomocniczych elektrod (prądowej i napięciowej). Są to pomiary pracochłonne i często nieednoznaczne, gdyż na wynik pomiarów ma wpływ rozmieszczenie elektrod, charakter gruntu, występowanie w gruncie instalacji metalowych. Dla uniknięcia błędów  i niejednoznaczności konieczne może być wykonywanie dodatkowych pomiarów służących do wyznaczenia strefy potencjału zerowego  (zaleca  to publikacja PN-IEC 60364-6-61). Często utrudnione jest też spełnienie podstawowego warunku usytuowania elektrod pomocniczych napięciowej  i prądowej w linii prostej i kolejno w odległości 20 i 40 m od mierzonego uziomu. Niemożliwe może być  też umieszczenie w gruncie elektrod pomocniczych (powierzchnie betonowe, asfaltowe itp.) lub ich rezystancja jest zbyt duża.

Pomiar rezystancji uziemienia metodą cęgową

Metoda cęgowa pomiaru rezystancji uziemień nie posiada wad metod „klasycznych”, a jej stosowanie zyskuje coraz bardziej na znaczeniu. Zasadę pomiaru tą metodą zgodną z nomą PN-IEC 60364-6-61 przedstawiono na rysunku 5, gdzie: RX – nieznana  rezystancja mierzonego uziomu R1 ÷ RN – równolegle uziomy połączone ekwipotencjalnie lub poprzez przewód ochronny PEN.

Rys. 5   Pomiar rezystancji pętli uziemienia za pomocą cęgów pomiarowych

Zasadę pomiaru można stosować wszędzie tam, gdzie istnieje pętla zwarcia wewnątrz obwodu uziemiającego i jednocześnie wielkość sumaryczna rezystancji pozostałych uziomów równoległych jest nieistotna i nie wpływa praktycznie na wynik pomiarów. Przy takim założeniu, które najczęściej  jest spełnione w praktyce, wielkość rezystancji badanego uziomu RX jest równa lub nieco niższa od mierzonej rezystancji pętli zwarcia. W metodzie tej jedne cęgi indukują w pętli zwarcia napięcie pomiarowe U, które wymusza przepływ prądu I w pętli zwarcia, natomiast drugie dokonują pomiaru tego prądu. Rezystancja pętli obliczana  jest  jako iloraz napięcia U i prądu  I. W praktycznych rozwiązaniach stosowane są zarówno osobne cęgi podłączane do panelu głównego, jak i cęgi zintegrowane, a cały przyrząd ma formę zbliżoną do typowego miernika cęgowego.

Ten sposób pomiaru można stosować bezpośrednio w instalacjach typu TN oraz w obwodach pętli zwarcia układów TT. W instalacjach TT, gdzie istnieje  tylko połączenie z uziemieniem o nieznanej  rezystancji, pętla może zostać zamknięta przez krótko- trwałe zwarcie przewodu neutralnego z uziemieniem  (instalacja quasi-TN) na czas pomiaru. W celu uniknięcia ryzyka wystąpienia prądu spowodowanego różnicą potencjałów pomiędzy przewodem neutralnym a uziemieniem, instalacja powinna być wyłączona spod napięcia podczas podłączania i odłączania uziemnika.

KEW 4200 – cęgowy mrezystancji uziemienia

KEW4200 (fot. 1) jest najnowszym produktem  japońskiej firmy Kyoritsu, już dostępnym w Polsce. Miernik umożliwia proste pomiary rezystancji uziemienia bez potrzeby stosowania elektrod pomocniczych i odłączania mierzonego uziomu. KEW 4200 może być stosowany do mierzenia rezystancji uziemienia większości wielopunktowych systemów uziemień. Dla uzyskania poprawnych wyników pomiarów w przypadku miernika cęgowego  ze zintegrowanymi  cęgami bardzo istotne jest uzyskanie wysokiej czułości cęgów odbiorczych (prądowych) i jednocześnie odseparowanie przez odpowiednie ekranowanie od wpływu cęgów nadawczych  (napięciowych). Duże doświadczenie firmy Kyoritsu w konstrukcji cęgów pomiarowych pozwoliło na uzyskanie bardzo dobrych właściwo-
ści pomiarowych miernika.

Fot. 1 KEW 4200

Miernik przeszedł, z wynikiem pozytywnym,  testy pomiarowe w zakładach energetycznych w Będzinie  i Gdańsku. Dane  techniczne KEW4200 podano w tabeli 2.

Tab. 2   Dane techniczne KEW 4200

Poza  pomiarem  rezystancji uziemienia KEW 4200 może  służyć do pomiarów typu True RMS prądów upływowych  (rozdzielczość 0,1 mA) i prądów przemiennych do 30 A. Wyposażony też jest w funkcję zapamiętania do 100 wyników pomiarów. Dotychczas oferowane w Polsce mierniki tego typu (podstawowe dane w tabeli 3) charakteryzowały się zbyt małą maksymalną średnicą cęgów pomiarowych (23 mm) lub też ich cena była nieakceptowana przez rynek. Sama metoda pomiarowa uważana też była za niepewną lub niedokładną  i zainteresowanie potencjalnych odbiorców tą metodą było niewielkie. Obecne wytyczne  IEC, potwierdzające zasadność  tej metody, ograniczenia  i duża pracochłonność pomiarów  tradycyjnych powodują wzrost  zaintere-
sowania miernikami  cęgowymi   rezystanc j i uziemień.  Wysokie parametry techniczne KEW 4200  i atrakcyjna  cena  spowodowały  już duże zainteresowanie tym miernikiem wielu odbiorców.

Tab. 3   Dane porównawcze cęgowych mierników rezystancji uziemienia

Na rysunku 6 zaprezentowano przykład pomiarów uziomów  linii elektroenergetycznych.

Rys. 6   Pomiar rezystancji uziemienia instalacji z uziomami skupionymi: a) na przewodzie uziemiającym uziomu badanego połączonym z innymi uziomami, b) na samym przewodzie uziemienia

Wp r awd z i e wynik pomiaru wskazuje  rezystancję uziomu badanego  i  sumę  rezystancji wszystkich  równoległych  rezystancji uziomów,  jednak w praktyce udział  tych dodatkowych  rezystancji w przypadku istnienia pętli zwarcia  jest pomijalny  i praktycznie wynik pomiaru jest rezystancją mierzonego uziemienia skupionego. W ten sam sposób możemy mierzyć  rezystancje uziemienia słupów  trakcyjnych instalacji elektrycznej kolei lub słupów oświetleniowych. Na rysunku 7 pokazano sposób pomiaru  rezystancji uziemienia  instalacji odgromowej.

Rys. 7   Pomiar rezystancji uziemienia instalacji odgromowej

Pomiar  ten może być wykonywany na przewodniku łączącym instalację z danym badanym uziomem, a niekoniecznie na samym uziomie i oczywiście bez konieczności  jego rozłączania. Pokazujemy również przykłady pomiarów pojedynczych systemów uziemienia z utworzeniem pętli zwarcia do gruntu i z wykorzystaniem przewodu neutralnego (rys. 8).

Rys. 8   Pomiar rezystancji uziemienia pojedynczego systemu uziemienia z wykorzystaniem istniejącej instalacji wodociągowej z metalowymi rurami

Ze względów bezpieczeństwa  (wykluczenie możliwości porażenia na skutek różnicy potencjałów) w obydwu powyższych przypadkach główny przewód uziemiający systemu (Mec) musi być na czas pomiarów odłączony od głównej szyny uziemienia (Meb).

Obecnie nastąpił duży wzrost zainteresowania odbiorców pomiarem rezystancji uziemień metodą cęgową. Także  i oferta  rynkowa mierników jest coraz większa. KEW 4200 z uwagi na wysokie parametry techniczne i atrakcyjną cenę z pewnością może być najczęściej kupowanym przyrządem tego typu. Wyłącznym przedstawicielem wyrobów Kyoritsu w Polsce jest BIALL Sp. z o.o. z Gdańska.

mgr inż. Sławomir Binder – BIALL Sp. z o.o.