Pomiary impedancji (rezystancji) udarowej uziemień odgromowych
Spis treści
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.
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
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.
