Zaloguj się
Twój koszyk:

Liczba produktów: 0
Wartość produktów: 0
 Skip Navigation LinksTomtronix : Artykuły : Pomiary uziemień : Pomiary rozległych uziemień

Spis artykułów

Artykuły techniczne


POMIARY ROZLEGŁYCH SYSTEMÓW UZIEMIEŃ

Czytelnik (1977 bytes)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.

Rysunek nr 1 (2655 bytes)
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.

Rysunek nr 2 (1424 bytes)
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.

Rysunek nr 3 (2016 bytes)

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.

Rysunek nr 4 (1620 bytes)

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.

Rysunek nr 5 (1360 bytes)

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.

Rysunek nr 6 (2038 bytes)

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.


Powiadomienie o plikach cookie. Witryna korzysta z plików cookie.
Pozostając na tej stronie, wyrażasz zgodę na korzystanie z plików cookie.
Dowiedz się więcej