Pomiary impedancji (rezystancji) udarowej uziemień odgromowych

4. Pomiary uziemień odgromowych

4.1 Pomiary uziemień odgromowych metodami statycznymi

Kontrolując stan uziemień odgromowych metodami statycznymi należy mieć świadomość ograniczeń tych metod. Trzeba również zwrócić uwagę na niebezpieczeństwo stosowania niektórych mierników spotykanych na rynku.

Przykładem przyrządu pomiarowego, którego stosowanie może prowadzić do zupełnie mylnych wniosków, jest cęgowy tester pętli uziemienia traktowany często (mylnie) jako miernik rezystancji uziemienia. Jest on bardzo wygodny w użytkowaniu gdyż nie wymaga rozłączania na czas pomiaru zacisku probierczego oraz nie wykorzystuje sond pomiarowych wbijanych w grunt. Podstawową wadą takiego testera jest fakt, iż mierzy on sumę rezystancji uziemienia badanego i trudnej do oszacowania rezystancji pętli zamykającej obwód prądu pomiarowego. Należy podkreślić, że w niektórych przypadkach pomiar testerem pętli jest całkowicie błędny. Dotyczy to zwłaszcza pomiaru uziemienia pojedynczego oraz uziemienia obiektów o zamkniętych pętlach przewodzących. Przykłady takich obiektów pokazano na rysunku 2.

Rys.2. Przykłady błędnych pomiarów rezystancji uziemienia pojedynczego (a) oraz uziemienia obiektu o zamkniętej pętli przewodzącej (b), gdzie: TR – tester rezystancji pętli, u – uziom pojedynczy, uo – uziom otokowy.

Przy pomiarze uziemienia pojedynczego (masztu antenowego, komina, itp.) wynik pomiaru testerem będzie zawsze bardzo wysoki gdyż brak jest uziemienia zamykającego pętlę. Przykład takiego obiektu podano na rysunku 2a.

Typowymi obiektami o zamkniętych pętlach przewodzących są np. stalowe słupy linii elektroenergetycznych czy też budynki z uziomami otokowymi, do których zwód dołączony jest minimum dwoma przewodami odprowadzającymi. Sytuacja taka zobrazowana jest na rysunku 2b. W tego typu obiektach pomiar testerem nie ma nic wspólnego z uziemieniem, gdyż wyznacza on rezystancję pętli metalicznej składającej się np. ze zwodu poziomego umieszczonego na dachu budynku, dwóch przewodów odprowadzających i uziemiających oraz uziomu otokowego ułożonego w gruncie. Wynik pomiaru będzie w tym przypadku zawsze bardzo niski, niezależnie od rzeczywistych parametrów uziemienia.

Rezystancję statyczną uziemienia wyznacza się zwykle przy użyciu mierników, z których większość realizuje różne odmiany metody technicznej. Aby zmierzyć tą metodą rezystancję uziemienia, należy rozłączyć na czas pomiaru zacisk probierczy i dołączyć wyjście prądowe miernika do przewodu uziemiającego odizolowanego od całej reszty zewnętrznej instalacji odgromowej. Sytuacja taka zobrazowana jest na rysunku 3.

Wynik pomiaru ustalany jest na podstawie wyznaczanych w mierniku wartości prądu płynącego przez badany uziom do pomocniczej sondy prądowej oraz spadku napięcia w odniesieniu do sondy napięciowej umieszczonej w strefie ustalonego potencjału. W trakcie takiego pomiaru wyznaczana jest rezystancja statyczna uziomu, a jednocześnie podlega kontroli stan połączenia między przewodem uziemiającym i uziomem. W przypadku złego połączenia (lub np. przerwanego przewodu poniżej poziomu gruntu) wynik pomiaru będzie nadmiernie wysoki.

Rys.3. Pomiar rezystancji statycznej uziemienia metodą techniczną, gdzie: MR – miernik rezystancji statycznej, IX – prąd płynący przez uziemienie badane, SU – sonda pomocnicza napięciowa, SI – sonda pomocnicza prądowa, RX – uziemienie badane, S – system uziemień

Swoistą odmianę metody technicznej realizuje również miernik z cęgowym pomiarem prądu. W przypadku wykorzystywania takiego miernika nie rozłącza się zacisków probierczych, a prąd generowany w mierniku rozpływa się na w systemie połączonych uziemień na dwie części. Jedna z nich przepływa przez badany przewód uziemiający druga zaś przez całą resztę systemu. Omawiany przypadek zilustrowany jest na rysunku 4.

Wynik pomiaru ustalany jest na podstawie wartości tylko tej części prądu, która przepływa przez badany przewód uziemiający. Spadek napięcia, tak jak uprzednio, wyznaczany jest w odniesieniu do sondy pomocniczej umieszczonej w strefie ustalonego potencjału.

Wykorzystując taki miernik należy zwrócić uwagę aby cęgi prądowe były umieszczone na badanym przewodzie uziemiającym poniżej punktu przyłączenia wyjścia prądowego miernika, gdyż wynik pomiaru musi być ustalany na podstawie pomiaru prądu wpływającego przez dany przewód uziemiający do uziemienia. W przeciwnym przypadku zostanie wyznaczona rezystancja statyczna równolegle połączonych wszystkich uziemień w połączonym systemie za wyjątkiem uziemienia badanego.

Rys.4. Pomiar rezystancji statycznej uziemienia przyrządem z cęgowym pomiarem prądu, gdzie: MR(c.p.IX) – miernik, I – prąd generowany w mierniku, IX – prąd płynący przez uziemienie badane, SU – sonda pomocnicza napięciowa, SI – sonda pomocnicza prądowa, RX – uziemienie badane, R1…n – pozostałe uziemienia w systemie, S – system uziemień

4.2. Metoda pomiaru udarowego

Impedancja (rezystancja) udarowa uziemienia wyznaczana jest w warunkach zbliżonych do tych jakie panują podczas odprowadzania prądu piorunowego do ziemi. Określa się ją przy impulsie prądowym o czasie czoła narastania równym 4 m s (lub 1 m s) zgodnym z normą PN-92/E-04060. Impedancję udarową określa zależność

Z_{m}=\frac{U_{max}}{I_{max}}
gdzie:
Imax - wartość maksymalna impulsu prądowego
Umax - wartość maksymalna spadku napięcia na uziemieniu

W oparciu o tę definicję pracuje udarowy miernik uziemień WG 307, którego schemat blokowy przedstawiono na rysunku 5.

Rys 5. Schemat blokowy udarowego miernika uziemień WG-307, gdzie: P – przetwornica, G – generator impulsów prądowych, A – układ automatyki, V – woltomierz wartości szczytowych, D – dzielnik napięcia, RX – uziemienie badane, SI SU – sondy pomocnicze prądowa i napięciowa

Po uruchomieniu miernika, przetwornica P zasila napięciem ok. 1 kV generator udarów G, który emituje paczkę udarów prądowych o amplitudzie ok. 1 A i mocy dochodzącej do 1 kW (w impulsie). Woltomierz stosunkowy wartości szczytowych V porównuje sygnał z sondy napięciowej przekształcony w dzielniku D z sygnałami wzorcowymi z generatora udarów i wyświetla uśredniony wynik pomiaru. Blok automatyki A steruje pracą miernika.

Dla poprawy bezpieczeństwa obsługi i podniesienia dokładności wskazań w pierwszym etapie pomiaru wykonywany jest test ciągłości obwodu sondy napięciowej a następnie prądowej przy napięciu obniżonym do ok. 10 % napięcia roboczego.
Mierniki udarowy wykorzystuje konfigurację sondy prądowej i napięciowej podobną do występującej w miernikach niskoczęstotliwościowych o długościach przewodów pomiarowych odpowiednio 40 i 30 m. Aby uniknąć sprzężeń miedzy przewodami pomiarowymi przewody łączące miernik z sondami pomocniczymi powinny być rozstawione pod kątem nie mniejszym niż 60o (optymalnie 90…180o).

Jak już wcześniej wspomniano, pomiary impedancji (rezystancji) udarowej uziemienia wykonuje się bez rozłączania zacisków probierczych. Wynik pomiaru odzwierciedla dzięki temu wartość wypadkową impedancji udarowej w miejscu pomiaru. Należy jednak pamiętać, że dla tego samego uziemienia (np. dla dużego otoku) wartość zmierzona może być różna w różnych miejscach wobec czego trzeba dokonywać pomiarów na każdym przewodzie uziemiającym

Udarowy miernik uziemień produkowany jest w dwóch wersjach:

  • WG-307 W – o czasie narastania czoła impulsu 4 ms – przeznaczony jest do kontroli uziemień odgromowych budynków, zbiorników i innych obiektów kubaturowych;
  • WG-307 S – o czasie narastania czoła impulsu 1 ms – jest wersją specjalizowaną przeznaczoną do kontroli uziemień słupów elektroenergetycznych linii przesyłowych;

Mierniki WG-307 posiadają zatwierdzenie typu wydane przez Prezesa GUM oraz potwierdzenie właściwości wydane przez Instytut Energetyki w Warszawie.

4.3. Wpływ konstrukcji uziomu na jego współczynnik udaru

Miernik udarowy wyznacza impedancję (rezystancję) odnoszącą się tylko do strefy efektywnej uziemienia wobec czego uzyskane wartości są zazwyczaj wyższe od otrzymanych przy częstotliwości przemysłowej. Różnica tych wartości zależy od konstrukcji i rozległości uziemienia.

W warunkach rzeczywistych prąd piorunowy odprowadzany jest ze zwodu przede wszystkim przez przewód odprowadzający znajdujący się najbliżej miejsca uderzenia pioruna. Jednakże część prądu piorunowego odpływa również do uziomów przez sąsiednie przewody odprowadzające, przy czym im dalej od miejsca wyładowania znajduje się dany przewód, tym mniejszą część prądu odprowadza. Zazwyczaj część prądu piorunowego odprowadzana jest do gruntu także poprzez fundament obiektu, na konstrukcji którego zamontowana jest instalacja odgromowa.

Powyższe zagadnienie uwzględniane jest również w pomiarach udarowych, gdyż zgodnie z normą, pomiary takie wykonuje się bez rozłączania zacisków probierczych. Dokonując pomiaru w danym punkcie wyznacza się wynik pomniejszony, w stosunku do wyniku jaki uzyskano by przy rozwartym zacisku probierczym, o wpływ równolegle połączonych sąsiednich przewodów odprowadzających. Wyraźny udział składowej indukcyjnej w impedancji udarowej powoduje, iż wpływ równoległych przewodów odprowadzających jest tym mniejszy im większa jest odległość danego przewodu od miejsca wykonywania pomiaru. Odległość, o której mowa, należy liczyć wzdłuż przewodów odprowadzających oraz zwodów, a więc np. dla budynku będzie ona równa sumie podwójnej wysokości tego budynku oraz odległości od sąsiedniego przewodu uziemiającego na poziomie gruntu. Wynika z tego, iż wpływ sąsiednich przewodów odprowadzających na pomniejszenie wypadkowej rezystancji udarowej uziemienia jest tym większy im niższy jest obiekt kontrolowany. Wpływ odległych części instalacji odgromowej na wynik pomiaru jest zupełnie pomijalny.

Dalsze pomniejszenie wyniku następuje na skutek wpływu fundamentu obiektu, przez który odpływa część prądu udarowego. Wpływ ten nie jest uwzględniany w trakcie pomiarów przy użyciu niskiego napięcia wykorzystywanego przy pomiarach rezystancji statycznej uziemienia.

Stosunek wartości rezystancji uziemienia mierzonej metodą udarową do rezystancji uziomu przy napięciu wolnozmiennym jest zwykle oznaczany jako współczynnik udarowy ku i zależy od indukcyjności badanego obwodu oraz od zjawiska wielkoprądowego wzdłuż przejścia z uziomu do gruntu. Uziomy pod względem wielkości współczynnika ku można podzielić na trzy zasadnicze grupy:

  • uziomy skupione, dla których współczynnik udaru wynosi zazwyczaj ku = 0,95 – 1,2
  • uziomy otokowe – dla typowych otoków ku = 1,3 – 2,0
  • rozbudowane systemy uziomów i rozległe uziomy kratowe gdzie współczynnik udaru wynosi od kilku nawet do kilkudziesięciu

Wartość współczynnika udarowego dla danego uziomu nie jest stała i waha się wraz ze zmianami wartości rezystancji statycznej oraz składowej rezystancyjnej impedancji udarowej, występującymi np. na skutek zmian wilgotności gruntu. Ponieważ wartość składowej indukcyjnej jest praktycznie stała, wobec tego wahania współczynnika udaru będą tym większe im mniejszy będzie udział indukcyjności w impedancji udarowej uziemienia.

Przykładowe wyniki pomiarów rezystancji statycznej i impedancji udarowej typowych obiektów pokazano na rysunku 6, z którego widać jak mylne mogą być wnioski dotyczące skuteczności ochrony odgromowej wyciągnięte na podstawie pomiarów rezystancji statycznej. Dla uziemienia bardzo rozbudowanego wartość rezystancji zmierzonej metodą statyczną jest prawie trzydziestokrotnie zaniżona w stosunku do tej, która będzie decydowała o odprowadzaniu w badanym miejscu prądu piorunowego do ziemi.

Rys.6. Przykładowe wartości rezystancji statycznej Rst oraz impedancji udarowej Zud zmierzone dla typowych obiektów reprezentujących: uziemienia skupione (u.sk.), średniej wielkości otoki (u.ot.) oraz uziemienia rozbudowane (u.roz.)

Podobna sytuacja może wystąpić w przypadku gdy wykonawca chcąc uzyskać bardzo niską wartość rezystancji uziemienia wykorzysta do tego celu np. sieć wodociągową. Wartość rezystancji mierzona w warunkach statycznych spada wówczas zwykle do poziomu pojedynczych omów. Ochrona w warunkach udarowych może okazać się w tym przypadku nieskuteczna, gdyż o niskiej wartości rezystancji statycznej decydują przede wszystkim odległe części uziemienia, nie biorące udziału w odprowadzaniu prądu piorunowego do gruntu.

4.4. Pomiary uziemień odgromowych obiektów kubaturowych (budynków, zbiorników, itp.)

Metoda udarowa pomiaru rezystancji uziemień jest zalecana w obiektach podlegających ochronie obostrzonej. W takich przypadkach ze względów bezpieczeństwa przewody odprowadzające są często łączone z przewodami uziemiającymi poprzez spawanie, które uniemożliwiają ich rozłączanie podczas pomiarów. Przydatność udarowego miernika uziemień do oceny takich systemów ochrony pokazano na przykładzie wyników uzyskanych dla 1-klatkowego budynku mieszkalnego o 8 kondygnacjach zaopatrzonego w 6 przewodów odprowadzających z rozłączalnymi zaciskami probierczymi. Uproszczony schemat instalacji odgromowej budynku pokazano na rysunku 7 zaś uzyskane wyniki pomiarów zobrazowano na rysunku 8.

Rys.7. Instalacja odgromowa budynku mieszkalnego(1 klatka, 8 kondygnacji, 6 przewodów odprowadzających)

Pomiary rezystancji udarowej uziemienia wykonano przy:

  • ZZ – zwartym zacisku probierczym;
  • ZD – mierniku dołączonym do przewodu uziemiającego poniżej rozwartego zacisku probierczego;
  • ZG – mierniku dołączonym do przewodu odprowadzającego powyżej rozwartego zacisku probierczego;
Rys. 8. Wartości maksymalne, minimalne oraz średnie rezystancji udarowej systemu ochrony odgromowej budynku mieszkalnego uzyskane dla poszczególnych przewodów uziemiających przy: zwartym zacisku probierczym (ZZ), rozwartym zacisku probierczym i mierniku dołączonym poniżej zacisku (ZD) oraz powyżej zacisku (ZG)

Z rysunku 8 wynika, iż przy zwartym zacisku probierczym (ZZ) otrzymuje się wartości obniżone o ok. 10 % w stosunku do zacisku rozwartego (ZD). Przy obiektach niższych różnice te będą nieco większe ze względu na mniejszą indukcyjność przewodów odprowadzających i zwodów bocznikujących mierzony uziom. Wyniki oznaczone jako ZG odpowiadają sytuacji, w której mierzony przewód uziemiający jest przerwany poniżej powierzchni gruntu.

Analiza pomiarów wykonanych na wszystkich przewodach uziemiających obiektu bez rozłączania zacisków probierczych pozwoli na szybkie wykrycie przewodu nie mającego galwanicznego połączenia z otokiem uziemienia, ponieważ uzyskany w tym przypadku wynik będzie znacznie przewyższał (w przypadku analizowanego budynku ponad 2,5-krotnie) poziom wyników uzyskanych dla pozostałych przewodów uziemiających.

4.5. Pomiary uziemień słupów linii elektroenergetycznych

W energetyce zawodowej wykorzystywana jest wersja miernika udarowego o czasie czoła udaru 1 ms, która dając nieco wyższe wartości jest mało wrażliwa na wpływ bocznikujących połączeń uziomów sąsiednich. Ta wersja miernika jest szczególnie przydatna do badań uziemień słupów linii elektroenergetycznych bez ich odłączania od konstrukcji słupa, a więc również bez konieczności wyłączania linii z ruchu na czas badań.

Podczas pomiarów uziemienie badane o impedancji (rezystancji) Zx jest bocznikowane impedancjami falowymi Zf przewodów odgromowych biegnących do obu sąsiednich słupów, a więc wartość mierzona Zm wynosi

Z_{m}=(Z_{x}\cdot 0.5 \cdot Z_{f})/(Z_{f}+0.5 \cdot Z_{f})
gdzie 0,5 Zf oznacza równoległe połączenie dwóch przewodów odgromowych

Wyznaczana w taki sposób impedancja udarowa uziemienia słupa uwzględnia bocznikujący wpływ słupów sąsiednich w podobnym stopniu w jakim biorą one udział w odprowadzaniu do gruntu prądu piorunowego, którego główna część odpływa przez uziemienie badane.

Dodatkową zaletą tego typu pomiarów jest wyznaczanie rezystancji udarowej rzeczywistego obiektu odprowadzającego prąd piorunowy do gruntu, a więc połączonego układu uziomu oraz fundamentu słupa. Przy rozwartym zacisku probierczym, czyli przewodach uziemiających odpiętych od konstrukcji słupa, mierzona jest rezystancja samego uziomu, bez fundamentu, a więc tylko część rzeczywistego układu odprowadzającego prąd piorunowy do gruntu. Schemat połączeń konstrukcji kratowej słupa i jego fundamentów z otokiem uziomu poprzez zacisk probierczy przedstawiono na rysunku 9.

Przykładowe wyniki pomiarów przeprowadzone po odizolowaniu przewodów odgromowych od konstrukcji na wierzchołku słupa przedstawiono na rysunku 10, na którym Zp oznacza rezystancję udarową w stanie gotowym do pracy linii (przewody uziemiające i odgromowe przyłączone do konstrukcji słupa), Zo – rezystancję uziemienia po odłączeniu przewodów uziemiających od słupa, Zi – rezystancję uziemienia z przewodami uziemiającymi połączonymi ze słupem, lecz z odizolowanymi przewodami odgromowymi, Zu oraz Zs – rezystancje odpowiednio uziomu i fundamentów słupa przy odizolowanych przewodach odgromowych i odłączonych przewodach uziemiających. Stosunek rezystancji Zi do Zp, obrazujący rzeczywisty wpływ na pomiar sąsiednich słupów wynosi ki = 1,06.

Rys. 9. Schemat połączeń konstrukcji kratowej słupa i jego fundamentów z otokiem uziomu poprzez zacisk probierczy.
Rys. 10. Wartości impedancji udarowej uziemienia słupa zmierzone przy: a) przewodach odgromowych połączonych z konstrukcją słupa, Zp – zwarty zacisk probierczy, Zo – rozwarty zacisk probierczy; b) przewodach odgromowych odizolowanych od konstrukcji słupa, Zi – słup wraz z uziomem, Zu – uziom, Zs – słup z fundamentami bez uziomu

W prezentowanym przykładzie impedancja Zo ma wartość większą od Zp o ponad 50% co jest pozornie sprzeczne z przytoczonym wzorem 3. W rzeczywistości wyniki pomiarów Zp i Zo nie mogą być porównywane, gdyż jak widać z rysunku 9 dotyczą one zupełnie różnych obiektów. Tak duża różnica uzyskanych wartości obu impedancji wynika przede wszystkim z uwzględnienia wpływu fundamentu w odprowadzaniu prądu piorunowego do gruntu. Wpływ sąsiednich słupów może być analizowany poprzez porównanie Zi oraz Zp. W omawianym przykładzie wpływ ten jest na poziomie zaledwie 6%.

Praktyka pomiarów uziemień słupów z przewodami odgromowymi wskazuje, że jako miarodajny przyjmuje się najczęściej wynik uzyskany metodą statyczną po odpięciu przewodów uziemiających od konstrukcji słupa, czyli rozwarciu zacisków probierczych. Sposób taki eliminuje z badań fundamenty słupa, które odgrywają znaczną rolę w odprowadzaniu prądu piorunowego do ziemi. W rezultacie badania odbywają się w zupełnie innej konfiguracji obwodu, niż obwód, w którym płyną prądy podczas wyładowania atmosferycznego. Rezystancja udarowa fundamentu słupa może mieć wartość porównywalną z rezystancją uziomu sztucznego i w badaniach skuteczności uziemienia nie można pomijać drogi prądu do ziemi poprzez zbrojone stopy fundamentowe.

Do badania uziemienia słupów wykorzystywane są również niekiedy mierniki statyczne z cęgowym pomiarem prądu. W takim przypadku wykonuje się (bez rozłączania zacisków probierczych) pomiary cząstkowe na każdej z nóg słupa, a wynik zostaje wyznaczony na drodze obliczeniowej. Niezwykle istotne jest w tym przypadku, aby nie zmieniać miejsca przyłączenia wyjścia prądowego miernika do konstrukcji słupa przy wszystkich pomiarach cząstkowych. Nie dotrzymanie tego warunku powoduje, iż obliczony wynik pomiaru jest błędny.

4.6. Pomiary rezystancji udarowej uziemienia rozległego

Uziemienia łączone są często w większe systemy. W skrajnym przypadku może to być uziemienie rozległe wykonane na przykład jako kratownica z bednarki ułożonej w gruncie na obszarze obejmującym duży zakład przemysłowy lub stację transformatorową. Do takiej kratownicy dołącza się zarówno uziemienia ochronne i robocze (pracujące przy częstotliwości technicznej) jak również przewody odprowadzające zewnętrznej instalacji odgromowej. Uziemienie rozległe musi więc również bezpiecznie odprowadzić do gruntu prądy udarowe pochodzące od wyładowań atmosferycznych. W uziemieniu rozległym może dochodzić do sytuacji, w której spełnia ono swoje zadania jako uziemienie ochronne dla częstotliwości przemysłowej, natomiast skuteczność ochrony odgromowej w wybranym jego punkcie jest wątpliwa. Stosowana czasami praktyka kontroli uziemienia w danym punkcie, polegająca na pomiarze rezystancji statycznej względem sondy napięciowej wbitej w grunt wewnątrz obszaru objętego uziemieniem rozległym, jest całkowicie błędna. Pomiar impedancji udarowej uziemienia pozwala w takich warunkach na znacznie lepszą ocenę skuteczności uziemienia rozległego w wybranym jego punkcie dla celów ochrony odgromowej. W przypadku tego typu uziemień wartość rezystancji udarowej stanowi informację w jakim stopniu uziom rozległy odprowadza z tego punktu prąd piorunowy do ziemi.

Zbliżone tematy