Artykuły techniczne

POMIAR UZIOMÓW BEZ ROZŁĄCZANIA

Artykuł opisuje dwie metody pomiaru rezystancji uziomów bez ich odłączania od systemu uziemienia.

• Metoda pomiaru cęgami
• Metoda z dołączoną elektrodą tzw. ART

!!! MEGGER - ekspert w pomiarach uziemień !!!

Metoda pomiaru cęgami
Metoda spadku potencjału i jej modyfikacje są jedynymi metodami pomiaru uziemień, które spełniają normę IEEE81. Metoda spadku potencjału jest niezawodna, bardzo dokładna i może być używana do badań systemów uziemień o dowolnych rozmiarach . Dodatkowo, operator ma pełna kontrolę przygotowania pomiaru oraz może zweryfikować prawidłowość wyników poprzez pomiary przy innej odległości sond. Niestety, metoda spadku potencjału pociąga za sobą kilka niedogodności:

• Jest niezwykle czasochłonna i wymaga dużo pracy
• Indywidualne elektrody uziomów muszą być odłączone od systemu, aby móc je zmierzyć

Metoda pomiaru cęgami, chociaż nie spełnia normy IEEE81, zapewnia operatorowi zdolność wykonania efektywnych pomiarów, jeżeli warunki pomiaru są  właściwe. Metodologia pomiaru cęgowym miernikiem uziemień jest oparta na prawie Ohma (R=V/I). Napięcie o znanej wartości jest dokładane do całego obwodu i następnie mierzony jest wywołany przepływ prądu. Cęgowy miernik uziemień przykłada sygnał oraz mierzy wywołany tym sygnałem prąd bez galwanicznego podłączenia. Cęgi zawierają cewkę nadawczą, która wywołuje przepływ prądu oraz cewkę odbiorczą, która dokonuje pomiaru prądu.

Rysunek 1. Cęgi do pomiaru uziomów w akcji

Aby metoda pomiaru cęgami mogła funkcjonować, musi istnieć kompletny system, ponieważ operator cęgowego miernika uziemień nie dysponuje sondami pomocniczymi i dlatego, nie może przygotować wymaganego obwodu pomiarowego. Operator musi być pewien, że uziom zawiera pętlę powrotną. Przyrząd mierzy całkowitą rezystancję pętli, którą obejmuje sygnał.

Rysunek 2. Zasada pomiaru uziemienia metodą cęgów

Wszystkie elementy pętli są mierzone w układzie szeregowym. Metoda zakłada, że tylko rezystancja aktualnie badanej elektrody uziomu ma znaczący udział. Rysunek 2 ilustruje zasadę pomiaru. Przyrząd obejmuje  elektrodę R_X. Cały prąd pomiarowy płynie poprzez R_X, ale później dzieli się pomiędzy pozostałe rezystancje w celu powrotu. Należy zauważyć, że zakłada się, że R_X jest dużo większa niż wypadkowa pozostałych rezystancji połączonych równolegle. W wielokrotnych systemach uziemień, obwód może być rozpatrywany, jako pętla składająca się z indywidualnej elektrody uziomu, natomiast droga powrotna zamyka się poprzez wszystkie pozostałe elektrody oraz masę gruntu. Pojedyncza elektroda będzie miała wyższą rezystancję, niż reszta uziomów połączonych równolegle.

Rysunek 3. Zastosowanie przy uziemieniu słupów

Rysunek 3 pokazuje praktyczny przykład, gdzie metoda pomiaru cęgami jest wysoce efektywna. Zastosowaniem są połączone ze sobą równolegle uziomy, występujące przy słupach oświetlenia ulicznego. Przewód zerowy zapewnia powrót. Rezystancja pętli może być obliczona z równania:

R_loop = R₆ + (1/(1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ + 1/R₄ + 1/R₅))

Dla sześciu podobnych elektrod z rezystancją 10Ω, zmierzona rezystancja pętli, przy pomiarze każdej z elektrod wynosiłaby:

R_loop = 10 + 2 = 12

Dla sześćdziesięciu podobnych elektrod z rezystancją 10Ω, zmierzona rezystancja pętli, przy pomiarze każdej z elektrod wynosiłaby:

R_loop = 10 + 0,17 = 10,17

Jeżeli jedna z elektrod ma rezystancję 100Ω i reszta ma rezystancję 10Ω, zmierzona rezystancja pętli, przy pomiarze na elektrodzie o dużej rezystancji wynosiłaby:

R_loop = 100 + 2 = 102

Rezystancja pętli przy pomiarze każdej z pięciu pozostałych elektrod wynosiłaby:

R_loop = 10 + 2,4 = 12,4

Im więcej jest powrotów, tym mniejszy jest udział odbiegającego elementu na wynik i stąd, większa jest dokładność. Nawet "zły" element (o wysokiej rezystancji) pomiędzy wieloma małymi rezystancjami powrotnymi nie jest wystarczający do załamania pomiaru. Ale, jeżeli powrotów jest niewiele lub wszystkie elementy są o wysokiej rezystancji, wtedy błąd będzie znaczny.

Jest kilka głównych zalet metody cęgowej, ale również występuje znaczna ilość wad. Jest bardzo ważne, aby operator rozumiał ograniczenia metody pomiarowej, aby niewłaściwie nie stosował przyrządu i nie otrzymywał fałszywych lub błędnych wyników. Cęgowy miernik uziemień jest ważnym narzędziem w torbie elektryka, ale nie może być jedynym stosowanym przyrządem.

Główną zaletą metody cęgowej jest to, że jest szybka i prosta, ponieważ nie muszą być wbijane sondy oraz elektroda uziomu nie musi być odłączona od systemu. Wynik w metodzie cęgowej zawiera również rezystancję przewodów uziemiających i wszystkie rezystancje połączeń systemu. Przyrząd może mierzyć prąd upływności płynący w systemie, informacja ta nie jest dostępna w metodzie ze spadkiem potencjału. Metoda ze spadkiem potencjału mierzy tylko elektrodę uziomu, ale nie mierzy połączeń systemu (przewody miernika muszą być przepięte w celu wykonania pomiaru rezystancji przewodów połączeniowych). W metodzie cęgowej, "przerwa" lub wysoka rezystancja przewodów łączących uziemienia będzie zawarta w wyniku ponieważ przyrząd cęgowy wykorzystuje przewody uziemień, jako elementy obwodu powrotnego.

Metoda cęgowa jest efektywna tylko w sytuacjach wielokrotnych uziemień połączonych równolegle. Nie może być używana w odseparowanych uziomach, ponieważ nie istnieje wtedy ścieżka powrotu, czyniąc metodę nie do wykorzystania przy sprawdzaniu lub odbiorach elektrod uziomów podczas budowy. Poza tym, nie może być używana, jeżeli istnieje alternatywna niska rezystancja powrotu, ale nie poprzez grunt, jak ma to miejsce przy masztach sieci komórkowych lub w podstacjach.

Operator musi również być świadomy subtelności metody pomiarowej w celu zapewnienia dokładnych wyników. Jeżeli inna część systemu uziemienia jest w "obszarze rezystancji" badanej elektrody uziomu, wtedy wynik będzie niższy niż prawdziwa rezystancja elektrody uziomu, co może prowadzić do fałszywego poczucia bezpieczeństwa. Pomiar jest wykonywany przy dużej częstotliwości w celu umożliwienia zastosowania małych transformatorów w konstrukcji cęgów, co umożliwia ich praktyczne zastosowanie. Z drugiej strony, takie podejście jest mniej reprezentatywne dla przebić przy częstotliwości sieciowej, niż tradycyjna częstotliwość badania uziemień wynosząca 128Hz.

Dobrej jakości droga powrotna jest wymagana dla uzyskania dokładnych wyników. Słaba droga powrotna może dawać wyniki o za wysokiej wartości. Podłączenie musi być na właściwej części pętli dla badanej elektrody, ponieważ złe podłączenie może dawać błędne wyniki. Operator musi posiadać całkowite zrozumienie systemu, aby wiedzieć co dokładnie jest mierzone. Metoda ta jest czuła na szum od sąsiadującej aparatury elektrycznej i jest mniej efektywna dla bardzo "małych" systemów uziemień (elementy odbiegające rezystancją - przy pomiarze stają się porównywalnie duże).

Ostatnią wadą cęgowych mierników uziemień jest to, że nie ma możliwości weryfukacji wyników w tej metodzie. Przy pomiarach metodą spadku potencjału, operator może sprawdzić wyniki poprzez zwiększanie odległości między sondami. W metodzie cęgowej, wyniki muszą być zaakceptowane "na wiarę".

Jak wcześniej zauważono, przyrząd cęgowy do pomiaru uziemień nie powinien być jedynym stosowanym przyrządem pomiarowym. Jest on, jednakże ważną częścią zestawu narzędzi, łącznie z przyrządem wykorzystującym metodę spadku potencjału. Przyrząd cęgowy może być używany do szybkiej identyfikacji problemów. Przyrząd wykorzystujący metodę spadku potencjału może być następnie używany do potwierdzenia tych problematycznych wyników. Takie podejście pozwala operatorowi oszczędzać czas, zwiększając jednocześnie dokładność.

Rysunek 4. Maszt telefonii komórkowej - przykład niewłaściwego zastosowania

Rysunek 4 jest ilustracją, gdzie metoda cęgowa jest często niewłaściwie stosowana.  Przykład ten pomoże udowodnić dlaczego wiedza o systemie uziemienia jest krytyczna, aby móc wykonać prawidłowy pomiar. Ilustracja pokazuje problemy z próbowaniem użycia cęgowego miernika uziemień dla masztów telefonii komórkowej. Maszty telefonii komórkowej są uziemiane przy podstawie, gdzie każda kotwa odciągu jest uziemiona i wszystkie z nich są połączone ze sobą pierścieniem uziemiającym. Jeżeli operator założy cęgi dookoła głowicy jednej z kotew uziemiających odciągi, wtedy prąd pomiarowy będzie po prostu płynął obwodem w pierścieniu uziemiającym, a nie poprzez grunt. Należy zauważyć, że prąd pomiarowy krąży w przewodniku, który łączy poszczególne kotwy (elektrody uziomów), które obejmują pierścień. W tym przypadku, cęgowy miernik uziemień nie będzie mierzył jakości systemu uziemienia. Wynik pomiaru będzie w tym przypadku wynikiem rezystancji pętli tworzonej przez przewody.

Pomiar metodą cęgów można wykonać następującymi przyrządami Meggera: DET14C, DET24C, DET4TC2+CLAMPS, DET4TCR2+CLAMPS

Technika z dołączoną elektrodą (ART)
Metoda spadku potencjału jest niezawodna, bardzo dokładna i spełnia normę IEEE81, operator ma pełną kontrolę przygotowania pomiaru. Niestety, jest niezwykle czasochłonna i pracochłonna oraz wymaga, żeby indywidualne elektrody uziomów były odłączone od systemu w czasie pomiaru.

Metoda pomiaru cęgami jest szybka i łatwa, ale ma wiele innych ograniczeń. Wymaga dobrej drogi powrotnej, jest wrażliwa na zakłócenia, ma ograniczoną dokładność i nie może być zastosowana do odseparowanych uziomów. Nie można jej zatem zastosować do sprawdzenia lub odbioru uziomów w trakcie budowy (nie podłączonych) oraz nie daje możliwości zweryfikowania wyników.

Technika z dołączona elektrodą ( ART z ang. Attached Rod Technique) posiada kilka zalet metody pomiaru cęgami (nie wymaga odłączenia badanej elektrody uziomu od systemu), pozostając zgodną z metodologią pomiaru metodą spadku potencjału. W celu zrozumienia metody ART, konieczne jest zrozumienie teorii metody spadku potencjału oraz wykonywanych w niej obliczeń. W teorii, pomiar metodą spadku potencjału może być wykonany bez odłączenia elektrody uziomu, jeżeli zostaną wykonane dodatkowe pomiary za pomocą cęgowego miernika upływności (miliamperomierza). Rysunki 5 i 6 pokazują jak należałoby wykonać trzy kolejne pomiary.

Rysunek 5. Pomiar rezystancji uziomu.

Pierwszym krokiem jest pomiar rezystancji (R_T) całego systemu, przy użyciu typowej konfiguracji dla metody spadku potencjału. W tym przykładzie, wynik dla R_T wynosi 1,9Ω.

Krok drugi (patrz rysunek nr 6) wymaga pomiaru całkowitego prądu (I_T) wstrzykiwanego do systemu z C1 (zacisk prądowy). Dla tego przykładu I_T wynosi 9,00mA. Następnym krokiem jest pomiar wartości prądu (I_U) płynącego z chronionej przez uziom instalacji. W tym przykładzie I_U wynosi 5,00mA. Dla tych pomiarów, spadek napięcia od wybranej wartości gruntu do punktu P2 (zacisk potencjałowy) może być określony następująco:

V = I_T x R_T

V = 0,009A x 1,9Ω

V = 0,017V

Możemy również wyznaczyć prąd płynący przez elektrodę uziomu (I_G) .

I_G = I_T - I_U

I_G = 9,00mA - 5,00mA

I_G = 4,00mA

Rysunek 6. Pomiar prądu upływności.

Wykorzystując spadek napięcia oraz prąd płynący przez elektrodę uziomu, rezystancja elektrody uziomu (R_G) może być wyznaczona.

R_G = V / I_G

R_G = 0,017V / 0,004A

R_G = 4,25Ω

Jak wyżej wspomniano, jest to podejście teoretyczne, które wymaga idealnych warunków. Jakikolwiek dodatkowy prąd płynący z chronionego systemu do elektrody uziomu mógłby pogarszać dokładność pomiaru. Aby nie pogarszać dokładności pomiaru, miernik cęgowy upływności musiałby filtrować cały prąd poza prądem generowanym przez przyrząd i wypływającym z zacisku C1. Poza tym, powyższe podejście wymaga wykonania pewnej liczby obliczeń.

Technika z dołączoną elektrodą jest oparta na podanej powyżej teorii. Rysunek 7 ilustruje wykonanie pomiaru ART.

Rysunek 7. Pomiar techniką z dołączoną elektrodą (ART)

Mierniki uziemień, które są przeznaczone do wykonywania pomiarów ART zawierają specjalne wbudowane cęgi do pomiaru prądu. Cęgi te umieszczane są pomiędzy zaciskiem C1 i uziomem. Ten typ przyrządu zawiera ochronę przeciwzakłóceniową oraz cyfrowo filtruje wszystkie prądy inne niż generowany przez przyrząd. Mikroprocesor przyrządu automatycznie wykonuje wszystkie obliczenia konieczne do uzyskania wyniku pomiaru rezystancji badanej elektrody uziomu.

Pomiar jest nadal pomiarem metodą spadku potencjału, co oznacza, że wszystkie "reguły" są nadal stosowane. Operator mógłby wykonać nawet dziesięć pomiarów i narysować wyniki w celu wyznaczenia prawdziwej rezystancji. Właściwe rozmieszczenie sond pomiarowych pozostaje nadal krytyczne, jak w procedurze spadku potencjału i metodologia musi być przestrzegana. Jak w tradycyjnej metodzie spadku potencjału, wyniki mogą być weryfikowane przez zwiększanie odstępu elektrod.

Zaletą metody ART w stosunku do tradycyjnych pomiarów metodą spadku potencjału jest to, że badana elektroda uziomu nie musi być odłączona od systemu.

Ilustracja wykorzystania metody ART dostępnej w następujących
przyrządach Meggera: DET3TC, DET4TC2+CLAMPS, DET4TCR2+CLAMPS .

Copyright (c) 1998. This Page was created by Tomtronix on December the 5th, 2005.