Pomiary impedancji (rezystancji) udarowej uziemień odgromowych

2. Długość efektywna uziomu

Uziemienia odgromowe mają za zadanie odprowadzać do ziemi prądy udarowe o bardzo dużej stromości narastania przekraczającej nawet 100 kA/m s. Zjawiska towarzyszące odprowadzaniu prądu piorunowego z uziomu do gruntu i jego rozpływowi w ziemi są zupełnie inne od tych, które zachodzą przy odprowadzaniu prądu o częstotliwości technicznej. Rozkład napięcia na powierzchni gruntu oraz impedancja uziemienia są więc również odmienne w warunkach udarowych niż w warunkach statycznych.

Sposób odprowadzania prądu piorunowego, a co za tym idzie jakość ochrony odgromowej, wyraźnie zależy od wymiarów geometrycznych stosowanych uziomów. O własnościach uziomów skupionych decyduje tylko ich rezystancja. Dla uziomów o długości do kilkudziesięciu metrów istotne znaczenie odgrywa indukcyjność, natomiast w przypadku uziomów długich o ich własnościach decydować będzie zarówno indukcyjność jak i impedancja falowa uziomu.

Duża stromość narastania prądu sprawia, iż nawet dla niewielkich indukcyjności uziemienia pojawiają się znaczne indukcyjne spadki napięcia, wyprzedzające w czasie udar prądowy. Na rysunku 1 przedstawiono typowy przebieg prądu udarowego płynącego przez uziemienie oraz wywołany tym prądem spadek napięcia.

W większości przypadków uziomy należy traktować jako uziomy długie, w których zachodzą zjawiska falowe. Napięcie i prąd przesuwają się wówczas wzdłuż uziomu jako fale o ograniczonej prędkości. Zjawisko to powoduje wyraźny wzrost impedancji uziemień długich w stosunku ich właściwości statycznych.

Rys.1. Typowy przykład udaru prądowego oraz wywołanego przezeń spadku  napięcia na impedancji uziemienia

Rozważania na temat stałej czasowej linii modelującej uziom długi prowadzą do wniosku, że efektywna długość uziomu, czyli jego część biorąca udział w odprowadzaniu prądu piorunowego, wynosi

l\le \frac{\pi}{2} \sqrt{\frac{{T_1}}{GL'}}
gdzie:
T1 - czas trwania czoła udaru prądowego
L’ - indukcyjność własna uziomu (1-2 mH/m)
G - konduktywność gruntu

Z przytoczonej zależności wynika, iż dla udaru prądowego o czasie czoła rzędu pojedynczych µs użyteczna długość uziomu wynosi kilkadziesiąt metrów (od ok. 20 do 70m – w zależności od konduktywności gruntu). Dopuszczana przez normę PN-86/E-05003/01 (p.3.6.3, i zał. 3) długość obliczeniowa uziomu wynosi 35m dla gruntu o rezystywności r < 500 Ωm oraz 60m dla r > 500 Ωm.

Z powyższych względów wynika, że rezystancja (impedancja) uziemienia przewodzącego prądy udarowe jest nie tylko funkcją stromości narastania prądu i jego natężenia, ale także długości uziomu. Spotykane czasem łączenie uziomu odgromowego z rozległym uziomem roboczym lub z siecią wodociągową umożliwia uzyskanie bardzo niskiej wartości rezystancji uziemienia mierzonej metodą niskoczęstotliwościową. Jednakże tak wyznaczona rezystancja może prowadzić do bardzo niebezpiecznego wniosku o przydatności uziemienia dla celów ochrony odgromowej. O małej wartości zmierzonej rezystancji statycznej decydują w tym przypadku przede wszystkim odległe części uziemienia nie biorące udziału w odprowadzaniu prądu piorunowego do gruntu. Rzeczywista rezystancja udarowa takiego uziemienia może być wielokrotnie wyższa, a to prowadzi do zagrożeń chronionego obiektu podczas wyładowania atmosferycznego.

Zbliżone tematy