POMIARY ROZLEGŁYCH SYSTEMÓW UZIEMIEŃ
Spis
treści:
Wstęp
Systemy rozległych uziemień są ważną częścią
ochrony elektrycznych sieci zasilających. Zapewniają one, że prąd przebicia spowoduje
zadziałanie urządzeń ochronnych. Podstacje powinny mieć niską rezystancję uziemień,
aby redukować nadmierne napięcia powstające w czasie przebicia, które może narazić
na niebezpieczeństwo znajdujących się w pobliżu ludzi lub zwierzęta.
Przed zainstalowaniem systemu uziemienia, powinna być zmierzona rezystywność
okolicznego gruntu. Niedokładne pomiary rezystywności mogą prowadzić do nadmiernych
kosztów inwestycji projektowanego systemu. Po zainstalowaniu jest bardzo istotne, aby
sprawdzić, czy uziemienie spełnia założenia projektowe. Uziemienie powinno być
okresowo sprawdzane w celu upewnienia się, czy korozja lub zmiany w rezystywności gruntu
nie mają niepomyślnego wpływu. Sieć uziemień może nie ujawniać uszkodzenia dopóki
nie wystąpi przebicie i niebezpieczna sytuacja nie pojawi się.
W celu uzyskania wystarczająco niskiej wartości rezystancji uziemienia, system uziemień
może składać się z siatki uziemiającej pokrywającej rozległe powierzchnie lub z
wielu wewnętrznie połączonych prętów. Dla rozległych systemów muszą być stosowane
odpowiednie techniki pomiarowe, aby zapewnić uzyskanie prawidłowych wyników. Sytuacja
ta jest zupełnie niepodobna do spotykanej w małych pojedynczych elektrodach (na
przykład, piorunochron lub uziemienie domowe), które jest stosunkowo łatwo badać.
Odmiennie niż w większości pomiarów elektrycznych, pojedynczy pomiar nie jest
wystarczający do określenia wyniku. Pomimo niskiej przewodności gruntu lub skał, duża
powierzchnia styku elektrody z ziemią umożliwia otrzymanie niskiej rezystancji
uziemienia. Powierzchnia ta musi być brana pod uwagę w czasie badań.
Dlaczego wymagana jest niska wartość uziemienia?
Dobre przejście do ziemi jest zasadniczym wymaganiem stawianym przed systemem
uziemień. Umożliwia wtedy działanie aparatury ochronnej i redukuje narastanie
potencjału gruntu (GPR od Ground Potential
Rises).
GPR może być obliczone przy użyciu prawa Ohma ze spodziewanego prądu zwarcia i
rezystancji uziemienia. Daje to w wyniku maksymalną różnicę napięć pomiędzy
oddalonym uziemieniem i systemem uziemień. Typowy prąd zwarcia będzie wynosił od
jednego do dziesięciu tysięcy amperów, wtedy nawet przy 0,2Ω
rezystancji uziemienia GPR będzie wynosił 200V do 2kV. Maksymalną dopuszczalną
wartością jest zwykle 430V do 650V - zgodnie z normami CCITT (telekomunikacja).
W celu zilustrowania niebezpieczeństwa porażenia przebywających w pobliżu ludzi,
w czasie wystąpienia przebicia, może być również obliczone napięcie krokowe oraz
dotykowe.
Napięcie dotykowe jest napięciem, jakie może pojawić się
pomiędzy stopą, a punktem, który jest dołączony do części będącej elementem
systemem uziemień (na przykład, ogrodzeniem podstacji). Podobnie, napięcie
krokowe jest różnicą potencjałów pomiędzy stopami (stopy w
odległości 1m) osoby przebywającej w pobliżu, w czasie przebicia.
Rys.1: Napięcia "krokowe" i "dotykowe".
Jeżeli GPR jest za duże, wtedy w czasie przebicia, istnieje również
niebezpieczeństwo porażenia elektrycznego powodowane przez przewodniki, na przykład
przez linie telefoniczne. Linia telefoniczna jest uziemiona w kilku oddalonych punktach.
Przebicie może powodować "transmisję napięcia"
równoważnego napięciu GPR.
Napięcie krokowe zmienia się zgodnie z rezystancją powierzchni systemu uziemienia. Masa
gruntu blisko elektrody uziemienia ma największy wpływ na rezystancję uziemienia i to
jest to miejsce, gdzie zwykle znajduje się najbardziej niebezpieczne napięcie krokowe.
Rys. 2: Zmiana rezystancji i potencjału w funkcji odległości od
elektrody uziemienia.
Pomiary systemów uziemień
W celu zmierzenia systemu uziemienia, wymusza się przepływ prądu pomiędzy
tymczasową oddaloną elektrodą, a systemem uziemienia. Druga tymczasowa elektroda jest
używana do pomiaru wypadkowego potencjału wykreowanego przez prąd pomiarowy. Z
wartości napięcia i prądu może być obliczona wartość rezystancji.
Pomiar spadku potencjału
Układ pomiarowy dla niewielkiego systemu uziemienia jest pokazany na rysunku 3. Dla
uziemień jednoelektrodowych, takich jak uziemienia domowe oraz piorunochrony, wpływ na
otaczający grunt jest ograniczony i pomiarowe sondy prądowe mogą być całkiem blisko
(typowo 10 do 20m) badanej elektrody. Zwykle łatwo jest wtedy znaleźć płaską
część krzywej rezystancji ziemi, która powinna być bliska wartości rezystancji
elektrody.
Rys.3: Układ połączeń do badania spadku potencjału.
Rysunek 4 pokazuje przykład małego systemu uziemienia z elektrodą pomiarową w
odległości 50m. Umieszczając elektrodę potencjałową w odległości od 10 do 40m,
otrzymamy wyniki bliskie wartości rezystancji uziemienia. Przy odległości mniejszej
niż 10m od badanej elektrody, będzie ona oddziaływała na wynik. Powyżej 40m "obszar
rezystancji" elektrody prądowej będzie powodował wyniki pomiarowe o
większej wartości niż oczekiwane.
Rys. 4: Teoretyczna charakterystyka rezystancji dla pojedynczej
elektrody uziemienia.
Dokonywanie pomiarów w kilku punktach i szkicowanie na ich podstawie krzywej pomoże w
zrozumieniu pojęcia "obszaru rezystancji" otaczającego elektrodę. Zawsze
najlepszą metodą na sprawdzenie rezultatów jest wykorzystanie różnych kierunków lub
większej odległości pomiędzy elektrodami. Pomoże to wyeliminować błędy powodowane
przez blisko zakopane przewodniki oraz inne części systemu elektrycznego mające wpływ
na wyniki.
Rozległe systemy uziemień
Fizycznie duże obszary zajmowane przez systemy uziemień takie, jakie są stosowane w
podstacjach i elektrowniach dają w wyniku rozległe "obszary rezystancji"
i wskutek tego wymuszające znaczne odległości do elektrod pomiarowych. Typowo dają one
wartość rezystancji uziemienia mniejszą niż 0,5Ω,
udostępniając dobre przejście do ziemi dla dużych spodziewanych prądów zwarcia.
Idealna odległość do sondy prądowej powinna być dziesięć razy większa od
maksymalnego wymiaru systemu uziemienia. Dla pojedynczej elektrody o długości 2m nie
stanowi zwykle problemu umieszczenie sondy pomiarowej w odległości 20m. Jednakże, może
być niewykonalnym dla podstacji z siatką uziemiającą o powierzchni, w kształcie
kwadratu o boku 100m. Elektroda prądowa powinna być umieszczona w odległości 1km od
badanego uziemienia. W podobnych przypadkach może być stosowana metoda zbocza. Metoda ta
redukuje długości rozwijanych przewodów pomiarowych oraz zmniejsza prawdopodobieństwo
zachodzenia na siebie innych lokalnych systemów uziemień, które mogłyby wpływać na
wyniki pomiarów.
Rys. 5: Teoretyczna charakterystyka rezystancji dla rozległego systemu uziemienia.
Pomiary rozległych systemów
W górę
rozdzielczość
Do pomiarów rozległych systemów uziemień
włączając siatkę uziemień podstacji, uziemień elektrowni oraz systemów
telekomunikacyjnych, należy stosować przyrządy od jak największej rozdzielczości. Kiedy mierzona rezystancja uziemienia jest mniejsza niż 1Ω,
rozdzielczość 1mΩ zezwala na dokonywanie rzetelnego pomiaru bez błędów przyrządu
podważającego wyniki.
Użycie metody Spadku Potencjału lub Metody Zbocza dla rozległych systemów, oznacza,
że wymagane są małe różnice pomiędzy odczytami o niskiej wartości. Dodatkowa cyfra
rozdzielczości czyni te zmiany bardziej dokładnymi i odpowiednimi do użycia dla
publikowanych tabel.
Metoda Zbocza
Fizycznie duże obszary używane przez systemy uziemień takie, jakie są stosowane w
podstacjach i elektrowniach dają w wyniku rozległe "obszary rezystancji" i
wskutek tego wymuszają znaczne odległości do elektrod pomiarowych.
Metoda zbocza umożliwia pomiar rozległych systemów uziemień bez odnajdywania płaskiej
części na krzywej charakterystyki. Może to redukować obszar pomiarów oraz dodatkowo,
nie jest wtedy wymagany do pomiaru elektryczny środek systemu uziemienia. Konieczne jest
wykonanie kilku obliczeń, a wyniki mogą być łatwo sprawdzone dając dodatkowe
potwierdzenie prawidłowości pomiaru.
Metoda zbocza wymaga wykonania pomiarów dla 20%, 40% i 60% odległości sondy prądowej.
Różnica pomiędzy tymi odczytami jest używana do dopasowania do matematycznego modelu
charakterystyki rezystancji. Współczynnik zbocza "m"
jest obliczany ze wzoru:
| |
|
R60-R40 |
|
| m |
=
|
―――――― |
|
| |
|
R40-R20 |
|
Tabela wartości "m" w funkcji "aktualna
odległość" jest publikowana w odpowiednich poradnikach użytkownika oraz w
instrukcjach obsługi mierników produkcji Meggera. Wartości te mogą być ponownie
przebadane, aby sprawdzić, czy pasuje to do modelu.
Tak, jak przy wszystkich badaniach uziemień, najlepiej jest sprawdzić wyniki przez
narysowanie pełnej charakterystyki i powtórzenie pomiaru używając różniącego się
kierunku dla sond pomiarowych lub większej odległości dla sondy prądowej.
Szum interferencyjny
Skuteczna filtracja szumu interferencyjnego zezwala na dokonywanie pomiarów uziemień
nawet w obecności indukowanego szumu. Mały sygnał pomiarowy musi być odzyskany z dużo
większego całkowitego sygnału.
W celu usunięcia wpływu szumu w mierniku uziemienia stosowana jest częstotliwość 128
Hz. Jest to wystarczająco blisko częstotliwości linii, aby dać rezultaty, które mogą
być używane do dokonania obliczeń prądu zwarcia. Częstotliwość ta nie będąca
harmoniczną standardowej częstotliwości linii, zezwala na filtrowanie sygnału
pomiarowego. Filtr może więc usunąć 50 lub 60Hz interferencje z całkowitego sygnału.
Wiele mierników uziemień może tylko odrzucić szum o jednej częstotliwości. Może to
być możliwe do przyjęcia w laboratorium, ale jest niewystarczające dla większości
rzeczywistych sytuacji. Sieci elektryczne zawierają szum składający się z podstawowej
częstotliwości zasilania i jej harmonicznych plus wysokie częstotliwości szumu od
procesów łączeniowych itp. oraz sygnałów indukowanych z innych źródeł. Ten typ
interferencji może powodować znaczne błędy pomiarowe bez alarmowania użytkownika.
Taki przyrząd nie może odfiltrować tego szumu ponieważ, jest on niewystarczający do
zadziałania wskaźnika za wysokiego poziomu szumu.
Czasami elektryczny szum może być krótkotrwały i pomiar może być dokonany później,
kiedy szum zmniejszy się, na przykład, przepuszczenie pociągu kiedy badamy systemy
kolejowe. Jednakże w większości przypadków szum tła nie może być usunięty i wtedy
wymagany jest przyrząd o odpowiednich parametrach technicznych.
Nowoczesne mierniki uziemienia używją wyrafinowanych systemów filtrowania, które pozwalają skutecznie odfiltrować szum zakłócający pomiary.
W skrajnych przypadkach może być nadal konieczne przeprowadzenie pomiaru dopiero wtedy,
kiedy szum zmniejszy się..
Pomiary rezystywności gruntu
Pomiary rezystywności gruntu umożliwiają zbieranie danych wykorzystywanych przy
projektowaniu systemu uziemiającego. Wartość rezystywności jest podstawową
wartością używaną do obliczeń konstrukcyjnych fizycznych rozmiarów systemów
uziemiających oraz do obliczania zwiększania się potencjału gruntu (GPR). Z tego
powodu bardzo ważne jest uzyskanie maksymalnej dokładności mierzonej wartości.
Standardowa technika pomiaru rezystywności zilustrowana poniżej, daje wartość
rezystancji R. Przy odstępie "a", badaniem tym można zmierzyć średnią
rezystywność gruntu pomiędzy P1 i P2 wbitymi na głębokość równą "a/20".
Stosując różne odstępy sond możliwe jest badanie różnych głębokości.
Rys. 6: Pomiar rezystywności
Rezystywność gruntu jest obliczana ze wzoru
r = 2paR
Wysoka rozdzielczość jest zasadniczą cechą rzutującą na dokładność pomiaru
rezystywności gruntu, przeprowadzanego dla przygotowania danych do projektowania systemu
uziemienia. Kiedy mierzymy ze znacznym odstępem sond pomiarowych, dla rozległych
terenów lub głębokich pomiarów, odczytywane rezystancje są małe. Aby otrzymać
rzetelne pomiary rezystywności, zasadniczym wymaganiem jest stosowanie przyrządu z
odpowiednią dokładnością przy niskich rezystancjach.
- Przykład:
- Dla 30m odstępu między sondami w gliniastym gruncie z rezystywnością 1200Ωcm. Odczytana rezystancja powinna wynosić 0,064Ω.
Dla tego przykładu przyrząd z rozdzielczością 10mΩ i 3
cyfrowym błędem może dać błąd pomiarowy rzędu 50% wartości odczytanej. Może to
prowadzić, albo do niebezpiecznego uziemienia z za dużą rezystancją, albo prowadzi do
nadmiernych kosztów inwestycji, niezgodnych ze sztuką projektowania.
Rozdzielczość 1mΩ i 3 cyfrowa dokładność redukuje ten
błąd do mniej niż 5% wartości odczytanej.
Wnioski
Najnowsza generacja cyfrowych mierników uziemienia znacząco upraszcza pomiary
uziemień elektrycznych systemów. Jednakże, wymagana jest ciągła uwaga przy
interpretacji wyników. Wskaźniki błędów mogą alarmować użytkownika o błędnie
podłączonych przewodach pomiarowych lub warunkach, które mogą prowadzić do błędnych
odczytów, ale dokonanie tylko jednego odczytu nie jest wystarczające do pomiaru
rezystancji jakiejkolwiek elektrody uziemienia.
Najlepiej jest zawsze powtórzyć pomiar uziemienia stosując inny kierunek lub
odległość, w celu zweryfikowania wyników. Może to odrzucić inne błędy pochodzące
od ukrytych różnic w gruncie oraz zwiększa zaufanie do wyników.
Kiedy wybiera się miernik uziemienia, należy upewnić się, czy rozdzielczość i
dokładność są odpowiednie do zastosowań. Błąd przyrządu może prowadzić do
nadmiernych kosztów inwestycji lub przeglądów systemu uziemienia lub, co gorsze, do
niebezpiecznej instalacji.
Wysoki poziom filtrowania szumu jest
wymagany dla otrzymania dokładnych wyników w rzeczywistych warunkach pomiarowych.