Pomiary uziemień ochronnych – metoda cęgowa
Pomiary uziemień ochronnych najczęściej wykonuje się w jednym z dwóch układów pomiarowych. Pierwszy z nich to klasyczna, 3-elektrodowa metoda techniczna, w której wykonuje się pomiar spadku napięcia na uziemieniu, przepływający przez nie prąd, a z prawa Ohma wylicza wartość rezystancji. Otrzymane wyniki są bardzo dokładne, za co płaci się jednak czasem oraz chwilowym zmniejszeniem ochrony – badany uziom musi zostać odpięty przed pomiarem. Druga metoda, zwana techniczną z cęgami (lub techniczną z ART) omija tę ostatnią niedogodność. Pomiar wykonuje się po odłączaniu badanego uziomu od systemu, a płynący w nim prąd mierzony jest przy pomocy cęgów i uwzględniany przez przyrząd.
Obie metody łączy duża czaso - i pracochłonność, a jednocześnie nie w każdym środowisku (np. miejskim) łatwo jest znaleźć dogodne miejsce na wykonanie pomiarów.
Czy można szybciej i wygodniej?
Z pomocą może przyjść metoda cęgowa (zwana też dwucęgową), która w odpowiednich warunkach zapewni nam możliwość wykonania skutecznych pomiarów.
Metoda oparta jest, podobnie jak metody techniczne, na prawie Ohma (R=U/I). Napięcie o znanej wartości jest przykładane do całego obwodu, wymuszając przepływ mierzonego jednocześnie prądu, co pozwala obliczyć rezystancję. Cęgowy miernik rezystancji uziemień doprowadza sygnał pomiarowy i wykonuje pomiar bez podłączenia galwanicznego. Cęgi wyposażone są w cewkę nadawczą wymuszającą prąd w obwodzie, oraz cewkę odbiorczą mierzącą natężenie prądu.
Zastosowanie powyższej metody wymaga, aby badany obwód był kompletny, ponieważ wykonujący pomiary nie ma możliwości zestawienia obwodu pomiarowego z użyciem uziomów pomocniczych. Operator musi mieć jednocześnie pewność, że wytypowana do badania pętla uwzględnia ścieżkę powrotną przez ziemię. Miernik zmierzy wtedy rezystancję całkowitego obwodu, którym popłynie prąd.
Rysunek 1. Pomiar rezystancji uziemienia z zastosowaniem miernika cęgowego Megger DET24C
Wszystkie elementy pętli mierzone są w układzie szeregowym. W tej metodzie zakłada się, że znaczący udział ma tylko rezystancja badanego uziomu.
Rysunek 2 poniżej ilustruje zasadę pomiaru:
Rys. 2 Zasada pomiaru rezystancji uziemienia uziomu metodą cęgową
Cęgi miernika obejmują elektrodę uziomową Rx. Całkowity prąd pomiarowy płynie przez uziom Rx, następnie rozdziela się pomiędzy pozostałe rezystancje i powraca do badanego uziomu przez ziemię. Zakłada się, że rezystancja Rx jest dużo większa niż wypadkowa wszystkich pozostałych rezystancji połączonych równolegle (R1, R2… Rn). W wielopunktowych systemach uziemienia obwód można rozpatrywać jako pętlę składającą się z pojedynczej elektrody uziomowej i ścieżki powrotnej, uwzględniającej wszystkie pozostałe uziomy i masę ziemi. W takim układzie pojedyncza elektroda uziomowa będzie miała wyższą rezystancję niż wszystkie pozostałe uziomy połączone równolegle.
Rysunek 3 przedstawia praktyczny przykład, w którym metoda cęgowa jest bardzo skuteczna. W przykładzie badany jest system połączonych ze sobą równolegle uziomów, jaki spotykamy w przypadku słupów oświetlenia ulicznego. Pętlę zamyka z jednej strony masa ziemi, a z drugiej przewód neutralny. Rezystancję całej pętli można obliczyć z równania:
Rloop = R6 + (1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + 1/R5 ))
Dla sześciu podobnych uziomów mających rezystancję 10 Ω każda, rezystancja pętli mierzona dla każdej elektrody wyniosłaby:
Rloop = 10 Ω + 2 Ω = 12 Ω
Przy sześćdziesięciu podobnych elektrodach z rezystancją uziemienia 10 Ω rezystancja pętli wyniosłaby:
Rloop 10 Ω + 0,17 Ω = 10,17 Ω
Jeśli jedna z sześciu elektrod uziomowych wykazuje rezystancję uziemienia 100 Ω a reszta ma rezystancję 10 Ω każda, rezystancja pętli mierzona na uziomie o dużej rezystancji wyniosłaby:
Rloop = 100 Ω +2 Ω = 102 Ω
Rezystancja pętli mierzona na każdym z pozostałych uziomów wynosiłaby:
10 Ω + 2,4 Ω = 12,4 Ω
Im więcej ścieżek do ziemi, tym mniejszy jest udział w odczycie elementu odbiegającego rezystancją od pozostałych i tym większa jest dokładność pomiaru. Nawet bardzo „zły” element (tj. o wysokiej rezystancji) wśród wielu ścieżek do ziemi o niskiej rezystancji nie jest w stanie uniemożliwić wykonania skutecznego pomiaru. Natomiast, jeśli ścieżek do ziemi jest niewiele, albo wszystkie elementy mają wysoką rezystancję uziemienia, wtedy błąd pomiaru będzie duży.
Rys. 3. Badanie metodą cęgową uziemień słupów oświetleniowych
Głównymi zaletami metody cęgowej jest szybkość i łatwość wykonywania pomiarów, ponieważ nie wymaga się wbijania w ziemię uziomów pomocniczych, oraz nie trzeba odłączać badanych uziomów od systemu uziemienia. W wyniku pomiaru ujęta jest rezystancja połączeń wyrównawczych, oraz rezystancja wszystkich złączy. Zastosowanie metody cęgowej ujawni przerwę lub wysoką rezystancję połączenia wyrównawczego, ponieważ obwód pomiarowy w tej metodzie uwzględnia połączenia uziemiające jako elementy ścieżki powrotnej sygnału.
Właściwe zastosowanie i ograniczenia
Metoda cęgowa jest skuteczna tylko w przypadku wielopunktowych systemów uziemień z równoległym łączeniem uziomów. Nie można jej użyć do pomiaru rezystancji uziemienia odłączonego uziomu, ponieważ nie istnieje wówczas ścieżka powrotna dla sygnału pomiarowego. Nie można jej użyć także wtedy, kiedy oprócz gruntu istnieje alternatywna niskorezystancyjna ścieżka powrotna dla prądu pomiarowego, jak to ma miejsce np. w przypadku masztów sieci komórkowych (Rys. 4).
Metoda cęgowa posiada wiele zalet, ale też nie jest pozbawiona ograniczeń. Ważne jest ich zrozumienie, aby niewłaściwe zastosowanie miernika nie prowadziło do błędnych interpretacji. Rysunek 4 poniżej przedstawia często spotykane błędne użycie miernika cęgowego w pomiarach uziemień. Maszty telefonii komórkowej uziemiane są przy podstawie, gdzie każdy odciąg jest indywidualnie uziemiany i wszystkie kotwy odciągów połączone są ze sobą w pierścieniu. Jeśli wykonujący pomiary obejmie cęgami głowicę jednej kotwy uziemiającej powyżej pierścienia łączącego wszystkie odciągi, prąd pomiarowy popłynie w pierścieniu i nie wpłynie do ziemi. Innymi słowy, prąd pomiarowy krąży w obwodzie utworzonym przez przewody łączące poszczególne kotwy (uziomy).
Rys. 4. Maszt telefonii komórkowej – przykład błędnego użycia miernika cęgowego w pomiarze rezystancji uziemienia.
Uzyskanie dokładnych wyników i wyciągnięcie prawidłowych wniosków z ich analizy wymaga dobrej znajomości niuansów tej metody. Jeśli rezystancja pozostałej części systemu uziemienia jest porównywalna z rezystancją badanego uziomu, wynik pomiaru będzie niższy niż faktyczna rezystancja uziemienia tej elektrody, co może prowadzić do fałszywego poczucia bezpieczeństwa. Dla uzyskania dokładnych wyników konieczna jest dobra ścieżka powrotna dla prądu pomiarowego. Relatywnie wysoka rezystancja ścieżki powrotnej sygnału skutkuje zawyżonymi odczytami rezystancji. Wykonujący pomiary powinien też dokładnie zapoznać się ze schematem badanego systemu uziemienia, aby by objąć prawidłowy fragment pętli dla badanego uziomu.
Jak wcześniej wspomniano, miernik cęgowy rezystancji uziemień nie powinien być wyłącznym instrumentem pomiarowym stosowanym przez pomiarowców. Jest on jednak ważnym elementem zestawu narzędzi, uzupełniającym instrumenty do badania uziemień klasyczną metodą techniczną. Miernik cęgowy można wykorzystać do szybkiej identyfikacji problemów, ale dla ich potwierdzenia powinno się zastosować metodę technicznego spadku napięcia. Takie podejście zaoszczędzi czas i jednocześnie poprawi wydajność naszej pracy.
Przygotował mgr inż. Tomasz Sozański,
pracownik polskiego oddziału firmy Megger
[Współpraca reklamowa z Megger Sp. z o.o.]
Pomiary uziemień ochronnych najczęściej wykonuje się w jednym z dwóch układów pomiarowych. Pierwszy z nich to klasyczna, 3-elektrodowa metoda techniczna, w której wykonuje się pomiar spadku napięcia na uziemieniu, przepływający przez nie prąd, a z prawa Ohma wylicza wartość rezystancji. Otrzymane wyniki są bardzo dokładne, za co płaci się jednak czasem oraz chwilowym zmniejszeniem ochrony – badany uziom musi zostać odpięty przed pomiarem. Druga metoda, zwana techniczną z cęgami (lub techniczną z ART) omija tę ostatnią niedogodność. Pomiar wykonuje się po odłączaniu badanego uziomu od systemu, a płynący w nim prąd mierzony jest przy pomocy cęgów i uwzględniany przez przyrząd.
Obie metody łączy duża czaso - i pracochłonność, a jednocześnie nie w każdym środowisku (np. miejskim) łatwo jest znaleźć dogodne miejsce na wykonanie pomiarów.
Czy można szybciej i wygodniej?
Z pomocą może przyjść metoda cęgowa (zwana też dwucęgową), która w odpowiednich warunkach zapewni nam możliwość wykonania skutecznych pomiarów.
Metoda oparta jest, podobnie jak metody techniczne, na prawie Ohma (R=U/I). Napięcie o znanej wartości jest przykładane do całego obwodu, wymuszając przepływ mierzonego jednocześnie prądu, co pozwala obliczyć rezystancję. Cęgowy miernik rezystancji uziemień doprowadza sygnał pomiarowy i wykonuje pomiar bez podłączenia galwanicznego. Cęgi wyposażone są w cewkę nadawczą wymuszającą prąd w obwodzie, oraz cewkę odbiorczą mierzącą natężenie prądu.
Zastosowanie powyższej metody wymaga, aby badany obwód był kompletny, ponieważ wykonujący pomiary nie ma możliwości zestawienia obwodu pomiarowego z użyciem uziomów pomocniczych. Operator musi mieć jednocześnie pewność, że wytypowana do badania pętla uwzględnia ścieżkę powrotną przez ziemię. Miernik zmierzy wtedy rezystancję całkowitego obwodu, którym popłynie prąd.
Rysunek 1. Pomiar rezystancji uziemienia z zastosowaniem miernika cęgowego Megger DET24C
Wszystkie elementy pętli mierzone są w układzie szeregowym. W tej metodzie zakłada się, że znaczący udział ma tylko rezystancja badanego uziomu.
Rysunek 2 poniżej ilustruje zasadę pomiaru:
Rys. 2 Zasada pomiaru rezystancji uziemienia uziomu metodą cęgową
Cęgi miernika obejmują elektrodę uziomową Rx. Całkowity prąd pomiarowy płynie przez uziom Rx, następnie rozdziela się pomiędzy pozostałe rezystancje i powraca do badanego uziomu przez ziemię. Zakłada się, że rezystancja Rx jest dużo większa niż wypadkowa wszystkich pozostałych rezystancji połączonych równolegle (R1, R2… Rn). W wielopunktowych systemach uziemienia obwód można rozpatrywać jako pętlę składającą się z pojedynczej elektrody uziomowej i ścieżki powrotnej, uwzględniającej wszystkie pozostałe uziomy i masę ziemi. W takim układzie pojedyncza elektroda uziomowa będzie miała wyższą rezystancję niż wszystkie pozostałe uziomy połączone równolegle.
Rysunek 3 przedstawia praktyczny przykład, w którym metoda cęgowa jest bardzo skuteczna. W przykładzie badany jest system połączonych ze sobą równolegle uziomów, jaki spotykamy w przypadku słupów oświetlenia ulicznego. Pętlę zamyka z jednej strony masa ziemi, a z drugiej przewód neutralny. Rezystancję całej pętli można obliczyć z równania:
Rloop = R6 + (1 / (1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4 + 1/R5 ))
Dla sześciu podobnych uziomów mających rezystancję 10 Ω każda, rezystancja pętli mierzona dla każdej elektrody wyniosłaby:
Rloop = 10 Ω + 2 Ω = 12 Ω
Przy sześćdziesięciu podobnych elektrodach z rezystancją uziemienia 10 Ω rezystancja pętli wyniosłaby:
Rloop 10 Ω + 0,17 Ω = 10,17 Ω
Jeśli jedna z sześciu elektrod uziomowych wykazuje rezystancję uziemienia 100 Ω a reszta ma rezystancję 10 Ω każda, rezystancja pętli mierzona na uziomie o dużej rezystancji wyniosłaby:
Rloop = 100 Ω +2 Ω = 102 Ω
Rezystancja pętli mierzona na każdym z pozostałych uziomów wynosiłaby:
10 Ω + 2,4 Ω = 12,4 Ω
Im więcej ścieżek do ziemi, tym mniejszy jest udział w odczycie elementu odbiegającego rezystancją od pozostałych i tym większa jest dokładność pomiaru. Nawet bardzo „zły” element (tj. o wysokiej rezystancji) wśród wielu ścieżek do ziemi o niskiej rezystancji nie jest w stanie uniemożliwić wykonania skutecznego pomiaru. Natomiast, jeśli ścieżek do ziemi jest niewiele, albo wszystkie elementy mają wysoką rezystancję uziemienia, wtedy błąd pomiaru będzie duży.
Rys. 3. Badanie metodą cęgową uziemień słupów oświetleniowych
Głównymi zaletami metody cęgowej jest szybkość i łatwość wykonywania pomiarów, ponieważ nie wymaga się wbijania w ziemię uziomów pomocniczych, oraz nie trzeba odłączać badanych uziomów od systemu uziemienia. W wyniku pomiaru ujęta jest rezystancja połączeń wyrównawczych, oraz rezystancja wszystkich złączy. Zastosowanie metody cęgowej ujawni przerwę lub wysoką rezystancję połączenia wyrównawczego, ponieważ obwód pomiarowy w tej metodzie uwzględnia połączenia uziemiające jako elementy ścieżki powrotnej sygnału.
Właściwe zastosowanie i ograniczenia
Metoda cęgowa jest skuteczna tylko w przypadku wielopunktowych systemów uziemień z równoległym łączeniem uziomów. Nie można jej użyć do pomiaru rezystancji uziemienia odłączonego uziomu, ponieważ nie istnieje wówczas ścieżka powrotna dla sygnału pomiarowego. Nie można jej użyć także wtedy, kiedy oprócz gruntu istnieje alternatywna niskorezystancyjna ścieżka powrotna dla prądu pomiarowego, jak to ma miejsce np. w przypadku masztów sieci komórkowych (Rys. 4).
Metoda cęgowa posiada wiele zalet, ale też nie jest pozbawiona ograniczeń. Ważne jest ich zrozumienie, aby niewłaściwe zastosowanie miernika nie prowadziło do błędnych interpretacji. Rysunek 4 poniżej przedstawia często spotykane błędne użycie miernika cęgowego w pomiarach uziemień. Maszty telefonii komórkowej uziemiane są przy podstawie, gdzie każdy odciąg jest indywidualnie uziemiany i wszystkie kotwy odciągów połączone są ze sobą w pierścieniu. Jeśli wykonujący pomiary obejmie cęgami głowicę jednej kotwy uziemiającej powyżej pierścienia łączącego wszystkie odciągi, prąd pomiarowy popłynie w pierścieniu i nie wpłynie do ziemi. Innymi słowy, prąd pomiarowy krąży w obwodzie utworzonym przez przewody łączące poszczególne kotwy (uziomy).
Rys. 4. Maszt telefonii komórkowej – przykład błędnego użycia miernika cęgowego w pomiarze rezystancji uziemienia.
Uzyskanie dokładnych wyników i wyciągnięcie prawidłowych wniosków z ich analizy wymaga dobrej znajomości niuansów tej metody. Jeśli rezystancja pozostałej części systemu uziemienia jest porównywalna z rezystancją badanego uziomu, wynik pomiaru będzie niższy niż faktyczna rezystancja uziemienia tej elektrody, co może prowadzić do fałszywego poczucia bezpieczeństwa. Dla uzyskania dokładnych wyników konieczna jest dobra ścieżka powrotna dla prądu pomiarowego. Relatywnie wysoka rezystancja ścieżki powrotnej sygnału skutkuje zawyżonymi odczytami rezystancji. Wykonujący pomiary powinien też dokładnie zapoznać się ze schematem badanego systemu uziemienia, aby by objąć prawidłowy fragment pętli dla badanego uziomu.
Jak wcześniej wspomniano, miernik cęgowy rezystancji uziemień nie powinien być wyłącznym instrumentem pomiarowym stosowanym przez pomiarowców. Jest on jednak ważnym elementem zestawu narzędzi, uzupełniającym instrumenty do badania uziemień klasyczną metodą techniczną. Miernik cęgowy można wykorzystać do szybkiej identyfikacji problemów, ale dla ich potwierdzenia powinno się zastosować metodę technicznego spadku napięcia. Takie podejście zaoszczędzi czas i jednocześnie poprawi wydajność naszej pracy.
Przygotował mgr inż. Tomasz Sozański,
pracownik polskiego oddziału firmy Megger
[Współpraca reklamowa z Megger Sp. z o.o.]
