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 poprawnej pracy urządzeń, instalacji i sieci elektroenergetycznych w obiektach wyposażonych w uziemienia robocze i uziemienia ochronne.
Uznane reguły techniczne dotyczące doboru, budowy i użytkowania instalacji odgromowych określone w normach::

PN-EN 62305-1:2011P – Ochrona odgromowa — Część 1: Zasady ogólne;
PN-EN 62305-2:2012P – 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 62305-3:2011P Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia oraz
PN-EN 62305-4:2011P 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 60364-6:2016-07 – Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 6: Sprawdzanie.

Ważniejsze terminy i definicje

ziemia odniesienia – obszar ziemi znajdujący się poza strefą wpływu uziomu lub układu uziemiającego. Potencjał ziemi odniesienia jest przyjmowany jako równy zeru,
napięcie uziomowe – napięcie pomiędzy układem uziomowym a ziemią odniesienia, występujące podczas przepływu prądu uziomowego IE do ziemi przez impedancję układu uziomowego,
uziemienie– celowo wykonane elektryczne połączenie części urządzeń lub instalacji elektrycznej z przedmiotem metalowym znajdującym się w ziemi, zwanym uziomem.
rezystancja uziomu – rezystancja zmierzona między końcami pręta bądź płaskownika uziomowego miarodajna np. dla oceny stopnia jego skorodowania,
rezystancja uziemienia – rezystancja między uziomem a ziemią odniesienia, wynikającą z ilorazu napięcia uziomowego i prądu uziomowego,
rezystywność gruntu ρ – rezystancja właściwa gruntu, czyli rezystancja wycinka gruntu o kształcie sześcianu, o boku 1 m, mierzona pomiędzy jego dwoma przeciwległymi bokami, w Ωm.

▲ do góry

2. Metody pomiarowe 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 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 której 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).

2.3. W zależności od rodzaju przepływającego prądu rozróżnia się:

a) Rezystancję statyczną uziemienia – odpowiadającą przewodzeniu prądów przemiennych o częstotliwości 50 Hz oraz
b) Rezystancję udarową uziemienia – odpowiadającą przepływowi prądów piorunowych o charakterze udarowym między uziomem a ziemią odniesienia, charakteryzujących się dużą wartością prądu i bardzo krótkim czasem trwania.

     Rezystancja statyczna uziemienia występuje między uziomem badanym a ziemią odniesienia, zmierzona przy przepływie prądu przemiennego o częstotliwości sieciowej (przy pomiarach prą-dem stałym na wyniki pomiarów miałby znaczący wpływ elektrolityczny charakter przewodności gruntu).
Rezystancja statyczna jest miarą przydatności uziemień w ochronie przeciwporażeniowej, od-gromowej i przeciwprzepięciowej.
Rezystancja uziemienia zależy nie tylko od rezystywności gruntu, ale również od rodzaju i kształtu uziomu.

▲ do góry

3. Pomiary rezystancji uziemienia i rezystywności gruntu

Wykonanie pomiaru ma na celu wyznaczenie maksymalnej wartości rezystancji uziemienia dla sprawdzenia:

a) czy spełnia ona wymagania przedmiotowych norm i przepisów dotyczących ochrony przeciwporażeniowej, odgromowej i przeciwprzepięciowej oraz
b) 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.

  Pomiar rezystancji uziemienia można wykonać za pomocą:

a) miernika przeznaczonego do pomiaru rezystancji uziemienia;
b) urządzenia pomiarowego do pomiaru impedancji pętli zwarcia;
c) cęgów prądowych.

▲ do góry

3.1. Pomiar miernikiem przeznaczonym do pomiaru rezystancji uziemienia
Zasadniczy wpływ na dokładność pomiarów rezystancji uziemienia metodą techniczną (nazywaną metodą spadku napięcia), ma sposób rozmieszczenia uziomów pomocniczych S (elektroda napięciowa) i H (elektroda prądowa).
Układ do pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną tworzą dwa obwody:

Obwód prądowy – składa się ze źródła zasilania (~), amperomierza, uziomu badanego E i elektrody prądowej H,
Obwód napięciowy – składa się z woltomierza, uziomu badanego E i elektrody napięciowej S.

   Przy rozmieszczaniu elektrod pomiarowych należy przestrzegać zasady, aby drugi uziom pomocniczy S umieścić w połowie odległości między uziomami E a H (zwykle około 20 m). Elektrody można umieścić wzdłuż linii prostej (Rys. 1) lub w układzie trójkątnym (Rys. 2)
Taki sposób rozmieszczenia elektrod jest wymagany, aby uniknąć skutków sprzężeń elektromagnetycznych między przewodami pomiarowymi.
Przy pomiarze rezystancji uziemienia metodą techniczną, prąd przemienny o stałej wartości przepływa między odłączonym od instalacji uziomem E a uziomem pomocniczym H, umieszczonym w takiej odległości od E, że oba uziomy nie oddziałują na siebie.


Rys. 1. Elektrody rozmieszczone wzdłuż linii prostej


Rys. 2. Elektrody rozmieszczone w układzie trójkątnym

Oznaczenia:
1 – Urządzenie pomiarowe rezystancji uziemienia zgodnie z IEC 61557-5;
RE – Rezystancja uziemienia uziomu badanego;
RS – Rezystancja uziemienia uziomu pomocniczego (elektroda napięciowa);
RH – Rezystancja uziemienia uziomu pomocniczego (elektroda prądowa).

Dla poprawnego wykonania pomiaru napięcia uziomowego (UE) i prądu uziomowego IE elementy obydwu obwodów powinny mieć określone parametry, a elektrody pomiarowe powinny być odpowiednio oddalone od badanego uziomu. Poprawne wyniki pomiaru rezystancji uziemienia 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.

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 uziemień przedstawiono w tablicy 1.

Dla pomiarów rezystancji uziemień w układach wysokonapięciowej aparatury rozdzielczej i sterowniczej, wykonywanych specjalistycznymi przyrządami wymuszającymi małe prądy pomiarowe, odległość elektrody napięciowej S od uziomu badanego 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.


1) Wyznaczenie rezystancji uziemienia

W czasie pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną prąd przemienny (uziomowy) o stałej wartości (IE) przepływa między odłączonym od instalacji uziomem badanym E a uziomem pomocniczym H, umieszczonym w takiej odległości od uziomu badanego E, że oba uziomy nie oddziałują na siebie.

Rezystancja uziemienia (RE) jest równa napięciu między uziomem badanym E a elektrodą napięciową S (UE), podzielonemu przez prąd przepływający między uziomem E a H (IE)

   Metoda techniczna pomiaru rezystancji uziomu nadaje się do pomiaru małych rezystancji – w granicach od 0,01-1Ω.
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.


2) 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) elektroda prądowa H powinna być oddalona od badanego uziomu E tak, aby między elektrodą prądową H i badanym uziomem E występowała tzw. strefa potencjału zerowego, V = 0, tzw. ziemi odniesienia.
d) przewody pomiarowe i elektroda 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 elektrody napięciowej (RS) powinien być na tyle duży, aby błąd pomiaru napięcia uziomowego (UE) mieścił się w granicach dopuszczalnych,
g) woltomierz powinien mieć zakres pomiarowy pozwalający mierzyć występujący między elektrodami E i S spadek 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 prądu pozwala ograniczyć moc źródła, lecz wymaga stosowania urządzeń wymuszających przepływ prądu wraz z pomiarem wartości napięcia uziomowego(UE) i prądu uziomowego (IE).


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) brak możliwości bezpośredniego odczytu mierzonej rezystancji.


4) Sprawdzenie pomiaru rezystancji uziemienia metodą techniczną

Zgodnie z normą PN-HD 60364-6:2016-07 należy sprawdzić, czy zmierzona rezystancja uziemienia (RE) jest wartością prawidłową. W tym celu należy wykonać dwa dodatkowe pomiary (odczyty) z przesuniętym uziomem pomocniczym S przesuniętym o około 10 % odległości liniowej między uziomami pomocniczymi E a H w stosunku do pierwotnej lokalizacji.-
Jeżeli wyniki tych trzech kolejno wykonanych pomiarów są w przybliżeniu zgodne, średnią z tych trzech odczytów przyjmuje się jako rezystancje uziemienia uziomu E. Jeżeli nie ma takiej zgodności, pomiary należy powtórzyć, zwiększając odległości między E a H.

Tablica 1. Odległości między uziomami przy pomiarach rezystancji uziemienia

▲ do góry

3.2. Pomiary rezystancji uziemienia miernikami MRU:
Pomiary rezystancji uziemienia miernikami MRU można wykonać następującymi metodami:
3.2.1. Metoda 2p – sprawdzenie połączeń przewodów odprowadzających z uziomami
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.
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;

3.2.2. Metoda 3p – pomiar rezystancji uziemienia metoda techniczną
Do pomiarów rezystancji uziemień najczęściej wykorzystywana jest metoda techniczna, nazywana często metodą spadku potencjału – omówiona w pkt. 3.1.

3.2.3. Metoda czteroprzewodowa (4p)
Metoda czteroprzewodowa (4p) pomiaru rezystancji uziemienia stosowana jest w celu zapewnienia wysokiej dokładności pomiarów, przez zastosowanie w układzie pomiarowym kolejnego, czwartego przewodu, przyłączonego między zaciskiem ES miernika a mierzonym uziemieniem, eliminując w ten sposób wpływ rezystancji przewodów pomiarowych na wynik pomiaru . Na czas pomiaru konieczne jest rozłączenie złącza kontrolnego w przewodzie odprowadzającym instalacji odgromowej (w przeciwnym wypadku zmierzona zostanie rezystancja całego systemu uziemień).
Sposób wykonywania pomiarów rezystancji uziemienia metodą czteroprzewodową (4p) przedstawia rysunek 3.


Rys. 3. Pomiar rezystancji uziemienia metodą czteroprzewodową.

3.2.4. Metoda 3p z wykorzystaniem cęgów
Pomiar rezystancji uziemienia metodą 3p z wykorzystaniem cęgów wykonuje się w przypadku, gdy nie ma możliwości rozłączenia złącza kontrolnego w przewodzie odprowadzającym instalacji odgromowej.
W układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 4 stosuje się dwie elektrody pomocni-cze: H i S. Ponieważ złącze kontrolne nie jest rozwarte, prąd pomiarowy z zacisku E miernika płynie zarówno przez mierzone uziemienie, jak i przez cęgi pomiarowe. Na podstawie ustalonego spadku napięcia na mierzonym uziomie i wartości zmierzonego prądu oblicza się 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.
Układ wykonania pomiaru rezystancji uziemienia metodą 3p z wykorzystaniem cęgów przed-stawia rysunek 4.


Rys. 4. Pomiar rezystancji uziemienia metodą 3p z cęgami.

3.2.5. Metoda dwucęgowa
Pomiar rezystancji uziemienia na terenach miejskich przy zwartej zabudowie, często jest niemożliwy, ponieważ nie ma żadnej możliwości pogrążenia w ziemi elektrod pomocniczych. W takich warunkach pomiar 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 RE2RE6.
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 ryunku 5. został zastąpiony schematem zastępczym przedstawionym na rys. 6.


Rys. 6. Schemat zastępczy systemu uziomów

     Wartość rezystancji uziemienia RE składa się z mierzonego uziemienia RE1 i wypadkowej rezystancji 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 ok. 30 cm.

▲ do góry

3.3. 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.
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 metodą kompensacyjną


Rys. 9. Uproszczony schemat układu do pomiaru rezystancji uziemienia metodą kompensacyjną

     Na górnej płycie miernika IMU umieszczone jest pokrętło galwanometru, pokrętło zakresów miernika oraz pozycja K umożliwiająca – po przeniesieniu zwory zacisków lewych Rd Rx na 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:

a) Napięcie znamionowe – 300 V – nie musi być regulowane;
b) Znamionowe zakresy pomiarowe: 5 – 50 – 500 Ω lub 10 – 100 – 1000 Ω w trzech lub czterech podzakresach, przy znamionowym napięciu pomiarowym – 300 V,
c) Dokładność miernika – 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.

▲ do góry

3.4. Pomiary uziemień instalacji odgromowej

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 ma początkowa cześć uziemienia. Reaktancja indukcyjna przewodu powoduje, że dalsze części uziemienia mają mniejszy wpływ na odprowadzanie prądu pioruna. Sposób umieszczenia zwodów, prowadzenia przewodów odprowadzających i wykonania uziomu jest bardzo ważny dla skutecznej ochrony odgromowej. Uziom powinien być wykonany zgodnie z normą EN 62305.

▲ do góry

3.5. Pomiary impedancji uziemienia instalacji odgromowej metodą udarową
W normie PN-EN 62305 zdefiniowane zostało pojęcie impedancji uziemienia, która 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.
Wprowadzony przez normę 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 pio-runowego staje się wpływ reaktancji indukcyjnej badanego uziomu. Sprawia to, że efektywnie wy-korzystana do odprowadzenia prądu piorunowego jest jedynie część uziomu znajdująca się w bez-pośredniej bliskości miejsca wyładowania.
W konsekwencji, uziom o małej rezystancji dla prądów o częstotliwości sieciowej (50 Hz) za-pewnia dobrą ochronę przeciwporażeniową, nie musi jednak zapewniać wystarczających parametrów dla ochrony odgromowej.
W przypadku rozległych systemów uziomowych, które posiadając niską rezystancję, mogą one 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.

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 1 kształcie, amplitudzie 1,5 kV
i prądzie do 1A;
5) Miernik umożliwia, zgodnie z normą PN-EN 62305, wybór pomiędzy trzema kształtami impulsów:

a) impuls o kształcie 10/350 μs, jest typowy dla pierwszego udaru prądu piorunowego,
b) impuls 8/20 μs, wykorzystywany jest do badania wpływu wyładowań na urządzenia,
c) impuls 4/10 μs, o takim kształcie jest popularny w polskiej praktyce pomiarowej.

     Kształt impulsu pomiarowego przedstawia rysunek 11.


Rys. 11. Określenie parametrów udaru krótkotrwałego

     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

3.6. Pomiary rezystancji uziemienia miernikiem impedancji pętli zwarcia
W układzie TT (jak na rysunku 13), zamiast pomiaru rezystancji uziemienia z użyciem elektrody prądowej i elektrody napięciowej, zmierzono sumę rezystancji pętli RB + RA miernikiem impedancji pętli zwarciowej.
Pomiar impedancji pętli zwarcia doziemnego należy przeprowadzić:

– w złączu instalacji elektrycznej,
– od strony zasilania łącznika głównego,
– przy rozwartych zaciskach tego łącznika, oraz
– przewodem uziemiającym odłączonym tymczasowo od głównego zacisku uziemiającego (MET).

   Próbę można wykonać za pomocą urządzenia pomiarowego zgodnego z IEC 61557-3, podłączonego w sposób przedstawiony na rysunku 13 lub zgodnie z instrukcją producenta, ustawionego na zakresie pomiarowym impedancji pętli zwarcia odpowiednim dla pomiaru spodziewanych wartości uziomu (zwykle 0 Ω do 20 Ω). Wynik próby nie powinien przekroczyć 50 V/I∆n.


Rys. 13. Pomiar rezystancji uziomu miernikiem impedancji pętli zwarcia MIP
Oznaczenia: MET – Główny zacisk uziemiający, 1. Przewód uziemiający tymczasowo odłączony od głównego zacisku MET. RB – uziom układu zasilającego, RA – uziom badany,

   Jeżeli zmierzona w takim układzie pomiarowym 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.

▲ do góry

3.7. Pomiar rezystancji pętli uziemienia metodą cęgową
W normie PN-HD 60364-6:2016-07 określono metodę pomiaru 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 RA 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 sieciowej.
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 RARΣ, 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: 1 – Przewód uziemiający tymczasowo odłączony od głównego zacisku uziemiającego (MET), RB – uziom układu zasilającego, RA – uziom badany, R1Rn– dodatkowe uziomy przyłączone 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

3.8. 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. 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 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 (metoda Wennera). Cechą charakterystyczną tej metody 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 materiałów przy budowie uziomów.
Przy pomiarze rezystywności gruntu miernikiem IMU (Rys. 17) należy:

a) zdjąć mostek zwierający zaciski RdRx,
b) pogrążyć w gruncie cztery elektrody rozmieszczone w jednej linii, w równych odległościach
między elektrodami (zwykle kilka metrów), jak na rysunkach 18 i 19,
c) 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

     Przygotowanie układu pomiarowego (pogrążenie w gruncie czterech elektrod rozmieszczonych liniowo w równych odległościach) dla mierników: MRU – 105, MRU – 120 i MRU – 200 (Rys. 320) wykonuje się podobnie jak dla miernika IMU, natomiast wszelkie obliczenia są wykonywane automatycznie. Miernik wyświetli zarówno wartość rezystancji sond pomiarowych (w Ω), jak i rezystywności gruntu (w Ωm).

▲ do góry