Uziemienie ochronne polega na metalicznym połączeniu z ziemią metalowych części urządzeń elektrycznych nie będących normalnie pod napięciem, przewodu zerowego w sieciach o napięciu 380/220 V lub urządzeń piorunochronnych, teletechnicznych itp.
Działanie uziemienia ochronnego polega na obniżeniu napięcia dotykowego poniżej wartości niebezpiecznych dla człowieka albo na samoczynnym odłączeniu uszkodzonej fazy lub odbiornika za pośrednictwem bezpieczników topikowych, albo wyłącznika z wyzwalaczami zwarciowymi, ewentualnie wyłącznika przeciwporażeniowego. [1]
Istotnym czynnikiem charakteryzującym uziemienie pod względem elektrycznym jest jego rezystancja. Na rezystancję uziemienia składa się rezystancja elementów metalowych, łączących uziemione urządzenie z uziomem (przedmiot metalowy, np. płyta, taśma, rura, pręt zakopany w ziemi), rezystancja uziomu i rezystancja gruntu otaczającego uziom. Rezystancja gruntu zmienia się w zależności od różnych czynników. W pierwszym rzędzie zależy ona od rezystywności gruntu, na którą wpływa wilgotność i rozmaite związki chemiczne (sole), ulegające rozpuszczeniu w wodzie, a zmieniające warunki przewodzenia prądu. Liczne pomiary, przeprowadzone na terenie kraju a także za granicą, wykazały ogromną rozpiętość wartości rezystywności gruntów, nawet o podobnych cechach zewnętrznych. Np. w gruntach piaszczystych pomiary wykazały rezystywność w granicach od 50 do 500 ·m. Zależność rezystywności gruntu od wilgotności świadczy, że zależy ona również od temperatury, której wzrost powoduje wysychanie gruntów. Zmiany rezystywności gruntu powodują oczywiście zmiany rezystancji uziemienia. Ze względu na ochronę przeciwporażeniową ważna jest informacja o największej rezystancji, jaką badane uziemienie może wykazać. Z tego względu jest wskazane, aby pomiary przeprowadzać w okresie kiedy grunt jest suchy, a nie wilgotny. Jednak ponieważ trudno wyczekiwać z pomiarem na dogodne warunki stosuje się współczynniki poprawkowe, oparte na praktyce, które zestawiono w poniższej tabeli.
Rodzaj uziomu Wynik pomiaru mnożyć przez współczynnik, gdy grunt w czasie pomiaru był :
suchy wilgotny mokry
Poziomy zakopane na głębokości 0,6 do 1 m
1,4 2,2 3,0
Pionowy sięgający do 5 m 1,2 1,6 2,0
Pionowy sięgający głębiej niż 5 m 1,1 1,2 1,3
Czułym miejscem, które powinno zawsze się zbadać przed przystąpieniem do pomiarów, jest połączenie przewodu uziomowego z uziomem. Nieprawidłowo wykonane i źle zabezpieczone ulega ono korozji, a jego rezystancja stykowa nadmiernie zwiększa się , co oczywiście wpływa na ogólną rezystancję uziemienia.
Wartość rezystancji uziemienia urządzeń elektrycznych zależy od celu, któremu uziemienie ma służyć. Są trzy zasadnicze cele uziemień:
- ochronne (przed porażeniem) w urządzeniach elektrycznych,
- robocze (np. uziemienie punktu zerowego transformatora),
- odgromowe.
Maksymalna wartość rezystancji uziemienia ochronnego w urządzeniach elektrycznych zależy od rodzaju sieci elektrycznej. Obowiązujące w tym zakresie przepisy podają szczegółowe sposoby określania rezystancji uziemienia ochronnego. Na ogół jej wartość nie powinna przekraczać 5 .
Maksymalna wartość rezystancji uziemienia roboczego , np. punktu zerowego transformatora oraz dodatkowych uziemień przewodu zerowego również zależy od rodzaju sieci i także na ogół nie powinna przekraczać 5 .
Dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia odgromowego zależy od rodzaju gruntu i zawiera się w zakresie 10 50 . [3]
Podstawowym pomiarem określającym stan uziemienia jest pomiar jego rezystancji. Pomiar ten może być dokonany za pomocą amperomierza i woltomierza lub za pomocą specjalnych przyrządów, najczęściej metodą kompensacji napięcia. [4]
W pewnej odległości od badanego uziomu Z wbija się uziom pomocniczy Zp. Oba uziomy łączy się przez amperomierz ze źródłem prądu przemiennego (prąd stały wywoływałby w ziemi zjawiska elektrolityczne m. in. powstawanie sem polaryzacji, podobnie jak w ogniwach galwanicznych, powodując błędne wyniki pomiarów. [4] W odległości ok. 20 metrów od uziomu Z wbija się sondę pomiarową Sp połączoną przez woltomierz z uziomem badanym. Woltomierz wskazuje napięcie między uziomem i tzw. ziemią odniesienia. Rezystancja uziemienia (w ) wynosi :
gdzie:
UZ – napięcie wskazane przez woltomierz
I – natężenie prądu wskazane przez amperomierz [3]
Aby pomiar jednak dał poprawne wyniki, muszą być spełnione odpowiednie warunki, wynikające ze schematu zastępczego przedstawionego na rys. 3 . Prąd I płynie do uziomu pomocniczego dwoma drogami, a mianowicie drogą a-d-c, tzn. przez rezystancję woltomierza i rezystancję sondy pomiarowej, oraz drogą a-b-c, tzn. przez rezystancję badanego uziemienia. Spadek napięcia na tych obu drogach jest oczywiście taki sam, tzn.
i (RV +RS) = (I-i) RZ
gdzie:
i - prąd płynący przez woltomierz i sondę pomiarową
RV – rezystancja woltomierza
RS – rezystancja sondy pomiarowej
I – prąd płynący ze źródła prądu przemiennego
RZ – rezystancja uziemienia badanego
Z równania tego wynika, że do dokładnego obliczania rezystancji uziemienia powinno się znać rezystancję woltomierza RV , rezystancję sondy pomiarowej RS, a ponadto natężenie prądu
płynącego przez woltomierz oraz sondę pomiarową. Ponieważ uzyskanie tych dodatkowych danych byłoby przy pomiarze w terenie, bardzo trudne, więc stosuje się woltomierz o możliwie dużej rezystancji wewnętrznej, gdyż wtedy natężenie prądu i będzie pomijalnie małe i tylko nieznacznie wpłynie na wyniki pomiaru. Rezystancja uziemienia pomocniczego wpływa jedynie na natężenie prądu w całym obwodzie.
Ważne jest miejsce wbicia sondy pomiarowej Sp. Powinna ona być umieszczona w ziemi odniesienia, tak aby woltomierz wskazał całkowity spadek napięcia od uziomu do ziemi odniesienia, czyli UZ.[2] Obszar ten praktycznie znajduje się w odległości ok. 20 m od badanego uziomu punktowego. Ziemia odniesienia jest to taki obszar na powierzchni ziemi, na którym nie występuje przyrost spadku napięcia w funkcji odległości od badanego uziomu. Na rys.4 przedstawiono krzywą spadku napięcia między uziomem badanym z i uziomem pomocniczym ZP. Na pewnym odcinku krzywa jest pozioma, co znaczy, że nie zachodzi tam zmiana wartości spadku napięcia. Gdybyśmy sondę pomiarową wbili w punkcie X, tzn. przed ziemią odniesienia, to woltomierz wskazałby npięcie o wartości Ux mniejszej od Uz , a gdybyśmy ją wbili zbyt blisko uziomu pomocniczego Zp np. w punkcie Y, to woltomierz wskazałby napięcie o wartości Uy, większej niż Uz . Zatem w obu przypadkach pomiar rezystancji byłby fałszywy. [3]Praktyczne wskazówki, gdzie wbijać sondy pomiarowe i uziom pomocniczy, są podane przy opisie induktorowych mierników rezystancji uziemienia, którymi zwykle dokonuje się tego pomiaru.
Opisana metoda techniczna, choć dobra przy pomiarze bardzo małych rezystancji uziemienia (mniejszych niż 1 ) oraz w przypadku występowania zakłóceń, spowodowanych prądami błądzącymi, ma jednak wady, gdyż wymaga obcego źródła prądu przemiennego, izolowanego od sieci elektrycznej, zasilającej dany obiekt w którym przeprowadza się pomiary, a wynik pomiaru otrzymuje się nie bezpośrednio, lecz przez wyliczenia. Ponadto trzeba montować cały układ pomiarowy.[2]
Częściej stosowany jest pomiar rezystancji uziemienia metodą kompensacyjną, np. miernikiem induktorowym IMU. Układ do pomiaru rezystancji uziemień metodą kompensacyjną przedstawiono na rys. 5. Obwód prądu przemiennego płynącego ze źródła zamyka się przez uzwojenie pierwotne transformatora, badany uziom Z i uziom pomocniczy Zp. Spadek napięcia między uziomem Z i sondą pomiarową Sp jest kompensowany przez napięcie o kierunku przeciwnym, pobierane z potencjometru, a więc przez sondę pomiarową prąd nie płynie. Pokrętło potencjometru, zaopatrzone w tarczę z podziałką, ustawia się tak , aby galwanometr wskazywał zero, co oznacza, że napięcie na uziomie zostało skompensowane. Wartość rezystancji uziemienia odczytuje się z podziałki potencjometru. Prądnicę stanowiącą źródło prądu napędza się ręcznie.
prostownikiem mechanicznym sprzężonym z osią prądnicy. Przykładem przyrządu opartego na tej metodzie jest krajowy induktorowy miernik uziemień typu IMU, który ma trzy zakresy pomiarowe (mnożnik 1, 10 i 100).
Przed pomiarem sprawdza się prawidłowe działanie przyrządu przez ustawienie przełącznika zakresów na literę K (kontrola), co powoduje włączenie w obwód opornika o rezystancji 30 . Po zwarciu zacisków RS i RP , uruchomieniu prądnicy i ustawieniu tarczy na liczbę 30, wskazówka galwanometru powinna wskazać zero. Następnie, po wykonaniu połączeń z uziomem i sondą pomiarową (rys.6), należy ustawić przełącznik na największym zakresie, tzn. na 100 i powoli obracać korbką. Jeżeli układ nie da się zrównoważyć na tym zakresie, to należy ustawić przełącznik na następny zakres i znowu powoli obracając korbką, równoważyć układ. Jeżeli widać, że układ da się na tym zakresie zrównoważyć, to zwiększa się obroty korbki do normalnych i równoważy układ dokładnie. To wstępne równoważenie przy zmniejszonej liczbie obrotów jest bardzo ważne, gdyż z góry nie wiadomo jaka może być rezystancja uziemienia, a przy nieodpowiednio dobranym zakresie i szybkim obracaniu korbką może nastąpić gwałtowne odchylenie wskazówki galwanometru i jego uszkodzenie.
Rezystancja uziomu pomocniczego wpływa tylko na natężenie prądu płynącego w obwodzie, ma jednak związek z czułością układu. Czułość układu kontrolujemy w następujący sposób: po dokładnym zrównoważeniu mostka należy zwiększyć lub zmniejszyć wartość ustawioną na tarczy potencjometru o 10 % i wtedy wskazówka galwanometru powinna odchylić się od położenia zerowego co najmniej 0 1,5 działki, przy normalnej prędkości prądnicy. Mniejsze odchylenie świadczy, że czułość pomiaru jest za mała i że należy zmniejszyć rezystancję uziemienia pomocniczego i sondy pomiarowej. Czynimy to, zwilżając grunt dookoła sond lub wbijając w pobliżu dodatkowe sondy i łącząc je razem.
Zdarza się, że w terenie, na którym prowadzi się pomiary występują prądy błądzące. Stałe lub przemienne. Od wpływu prądów stałych chronią układ kondensatory w obwodzie sondy pomiarowej. Od wpływu prądów przemiennych chroni większa częstotliwość prądów wytwarzanych przez prądnicę, która przy 160 obr./min wynosi 64 Hz. Prostownik mechaniczny połączony z osią prądnicy prostuje więc prądy tylko o takiej częstotliwości, jaką daje prądnica. Jednak przy mniejszej prędkości prądnicy częstotliwość może się zbliżyć do częstotliwości sieciowej 50 Hz i wtedy przemienne prądy błądzące są również prostowane i dostaną się do galwanometru, co objawi się gwałtownymi, o dużej amplitudzie, drganiami wskazówki i układ nie da się zrównoważyć. Po zwiększeniu prędkości obrotowej prądnicy zjawisko to powinno ustąpić. [3]
