Metody pomiaru rezystancji uziemienia (część 2.)
Przegląd metod pomiarowych
Pomiar rezystancji uziemienia metodą dwucęgową, rys. R. Domański
Opisane w pierwszej części artykułu („elektro.info” 11/2025) założenia teoretyczne znajdują swoje odzwierciedlenie w szeregu praktycznych metod pomiarowych, zaimplementowanych w nowoczesnych przyrządach. Wybór odpowiedniej metody zależy od rodzaju i rozległości badanego systemu uziemiającego oraz warunków terenowych.
Zobacz także
mgr inż. Grzegorz Loska Zmiany wartości pomiarowej impedancji pętli zwarcia w rzeczywistych niskonapięciowych sieciach IT
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia...
Przy pomiarach impedancji pętli zwarcia w przemysłowych, niskonapięciowych sieciach IT występuje wiele czynników wpływających na dokładność pomiarów. Wartości wyznaczonych pomiarowo impedancji pętli zwarcia są często znacząco różne od wartości otrzymanych na podstawie obliczeń. Mają na to wpływ czynniki związane z zastosowaną metodą pomiarową (sposób uziemienia na czas pomiarów punktu neutralnego transformatora zasilającego), a także konfiguracja samej sieci IT, w której wykonujemy pomiary, oraz...
KOLEN Sp. z o.o. Impulsowy miernik rezystancji IMR-6 do pomiarów rezystancji uziomów, pętli zwarcia, napięć rażenia itp.
Impulsowy miernik rezystancji IMR-6 wykorzystuje do pomiarów pojedynczy impuls probierczy, trwający ok. 40 ms, o maks. napięciu do 100 VDC, powodujący przepływ prądu pomiarowego o wartości maks. do 100...
Impulsowy miernik rezystancji IMR-6 wykorzystuje do pomiarów pojedynczy impuls probierczy, trwający ok. 40 ms, o maks. napięciu do 100 VDC, powodujący przepływ prądu pomiarowego o wartości maks. do 100 A. Źródłem energii impulsu jest wewnętrzny akumulator. W pełni naładowany akumulator wystarcza na wykonanie ponad 100 pomiarów w terenie. Chwilowe wartości napięcia i prądu pomiarowego są rejestrowane i prezentowane na wyświetlaczu urządzenia.
Felicity Polska Pożar magazynu energii? Zanim obwinisz baterię, sprawdź przewody
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź...
„Pożar domu jednorodzinnego. Zapalił się magazyn energii”. Takie nagłówki pojawiają się w mediach coraz częściej i za każdym razem wywołują to samo pytanie: czy baterie litowe w domu są bezpieczne? Odpowiedź jest mniej sensacyjna niż nagłówek. Nowoczesny magazyn energii ma kilka warstw zabezpieczeń, które reagują, zanim zrobi się groźnie. Gdy dochodzi do pożaru, przyczyną nierzadko okazuje się nie sama bateria, lecz sposób, w jaki została podłączona. Czasem wystarczy jeden przewód mniej.
W artykule:
|
StreszczeniePomiary rezystancji uziemienia są niezbędne do oceny sprawności systemów uziemiających. Odpowiadają one za zapewnienie bezpieczeństwa przeciwporażeniowego, odgromowego oraz stabilność pracy instalacji elektrycznych w zależności od ich charakteru. Niniejsze opracowanie omawia teoretyczne i praktyczne aspekty kluczowej metody spadku potencjału, w tym jej warianty 3-przewodowe (3p) i 4-przewodowe (4p), a także fundamentalną zasadę 61,8% wyznaczania optymalnej lokalizacji sondy napięciowej. Przedstawiono wpływ odległości sond pomiarowych oraz zabudowy terenowej na dokładność wyników, zwracając uwagę na wyzwania realizacji pomiarów w środowisku miejskim i przemysłowym. Omówiono także metody usprawniające pomiary, takie jak wykorzystanie cęgów pomiarowych (standardowych i elastycznych w przystawce ERP-1), technikę dwucęgową, pomiar metodą pętli zwarcia oraz pomiary udarowe, umożliwiające lokalne badania w rozległych układach uziemień. Wskazano ponadto na zaawansowane podejścia matematyczne – metody narastania zbocza oraz zastosowanie metody dr. Tagga – pozwalające ograniczyć konieczność stosowania długich przewodów pomiarowych. |
Metoda techniczna 3p i 4p
Jest to bezpośrednia realizacja metody spadku potencjału. W metodzie 3-przewodowej (3p) zaciski prądowy i napięciowy miernika są połączone, co powoduje, że do wyniku pomiaru dodawana jest rezystancja przewodu łączącego przyrząd z badanym uziomem. Błąd ten jest pomijalny przy krótkich przewodach. Metoda 4-przewodowa (4p) eliminuje ten błąd poprzez zastosowanie oddzielnego zacisku do pomiaru napięcia, podłączonego bezpośrednio do uziomu. Metody te są podstawą do pomiarów uziomów pojedynczych (pionowych, poziomych) oraz wypadkowej rezystancji układów złożonych, po przygotowaniu uziemienia do pomiarów (rys. 1.).
Rys. 1. Metoda 3p oraz 4p, rys. R. Domański
Pomiary mogą zostać przeprowadzone zgodnie z zasadą 61,8%. Jeśli układ uziemiający, przedstawiony na rysunku 2., będzie wsparty otokiem lub uziemieniem fundamentowym, po rozłączeniu wszystkich zwodów pionowych wynikiem pomiaru będzie wypadkowa rezystancja całego układu uziemiającego. Dodatkowo konieczne jest przeprowadzenie pomiaru ciągłości między poszczególnymi zwodami.
Rys. 2. Rozłączanie zacisku kontrolnego do pomiaru pojedynczego uziemienia, rys. R. Domański
Układy złożone i rozległe również mogą być poddane pomiarowi rezystancji uziemienia metodą 3P lub 4P, jednak wyniki, w zależności od sposobu przygotowania badanego uziemienia do pomiarów, będą przedstawiać najczęściej rezystancję wypadkową całego układu. W takim przypadku niezbędne będzie rozmieszczenie elektrod pomocniczych w dużych odległościach, niekiedy nawet kilkuset metrów. Ponadto nie ma gwarancji, że początkowy wybór odległości i kierunku rozmieszczenia układu pomiarowego będzie skuteczny i pozwoli na uzyskanie poprawnych wyników. Problem ten wynika z trudności związanych z ekstrapolowaniem dowolnego układu uziemiającego na teoretyczną półsferę. W rzeczywistych warunkach terenowych mamy do czynienia z gruntami wielowarstwowymi, a nie jednorodnymi, jak zakłada to teoria. Trudność tę można zminimalizować, zwielokrotniając odległość elektrody pomocniczej sondy prądowej H. W takich przypadkach niezbędny jest swobodny dostęp do otoczenia badanego uziemienia na dość dużym obszarze.
Metoda techniczna z wykorzystaniem cęgów
W przypadku uziemień wielokrotnych połączonych ze sobą (np. zwody instalacji odgromowej bez uziomu otokowego) metoda ta pozwala na pomiar rezystancji pojedynczego uziomu bez konieczności rozłączania złącza kontrolnego.
Układ pomiarowy jest analogiczny do metody 3p, z tą różnicą, że prąd płynący w gałęzi badanego uziomu mierzony jest za pomocą cęgów prądowych (rys. 3.).
Rys. 3. Metoda 3p + cęgi, rys. R. Domański
Miernik oblicza rezystancję na podstawie spadku napięcia w tym układzie i prądu płynącego tylko w wybranej gałęzi. Szczególnym rozwinięciem tej techniki jest zastosowanie cęgów elastycznych o dużej średnicy (np. przy pomiarach uziemień słupów energetycznych), co pozwala objąć cały element (np. całą nogę słupa żelbetowego) i wyeliminować błędy wynikające z rozpływu prądu przez zbrojenie.
Korzystając z możliwości, jakie dają elastyczne cęgi i przystawka ERP-1, w miernikach MRU -200 zaimplementowano algorytm umożliwiający pomiar rezystancji uziemienia słupów kratowych, mimo że uziemienia te są połączone otokiem w gruncie. Jest to możliwe dla słupów kratowych z czterema, trzema, dwoma lub jednym uziemieniem. Podobne podejście można zastosować do słupów nn typu A posiadających dwa zwody uziemienia lub do słupów trójnożnych, np. w przypadku stacji nasłupowej Sn/nn (rys. 4.).
Rys. 4. Pomiar uziemienia słupa kratowego, rys. R. Domański
Jest to niezwykle skuteczne i pożądane ułatwienie, ponieważ nie wymaga wyłączania linii w celu przeprowadzenia pomiarów. Procedura pomiaru przebiega następująco: w zdecydowanej większości przypadków sonda prądowa umieszczona w odległości do 50 m od słupa, prostopadle do linii WN, znajduje się we właściwej pozycji. Sonda napięciowa powinna znajdować się w odległości 61,8% odległości między sondą prądową a słupem. Następnie zakładamy cęgi elastyczne na nogę słupa, obejmując nimi jednocześnie uziemienie danej nogi. Cęgi można owinąć wokół nogi słupa pojedynczo lub wielokrotnie, do czterech zwojów. Liczbę zwojów należy potwierdzić na przystawce ERP-1 poprzez naciśnięcie przycisku, co będzie sygnalizowane odpowiednią diodą LED. Następnie wykonujemy pomiar, uprzednio wybierając odpowiednią procedurę w menu miernika. Po pierwszym pomiarze wynik wyświetlony na mierniku nie jest wartością ostateczną, a jedynie częścią procedury. Cęgi należy następnie przenieść na drugą nogę słupa w taki sam sposób, jak były założone na pierwszej nodze. Jest to bardzo istotne, ponieważ podczas pomiaru miernik sprawdza również fazę prądu pomiarowego, więc cęgi muszą być założone na każdej z nóg w tym samym kierunku. Pomiary powtarzamy dla kolejnych nóg słupa, trzeciej i czwartej. Miejsce przyłączenia miernika do słupa, oznaczone jako E (czyli miejsce pomiaru spadku napięcia), nie zmienia się w trakcie całej procedury. W ten sposób uzyskujemy cztery pomiary prądu dla każdej nogi z osobna, a na podstawie ich sumy oraz spadku napięcia, obliczamy wartość rezystancji stanowiska, mimo obecności otoku w tym miejscu. Procedura ta jest możliwa do przeprowadzenia wyłącznie z użyciem miernika MRU-200 oraz przystawki ERP-1.
Metoda dwucęgowa
Metoda ta eliminuje konieczność stosowania sond pomocniczych, co jest jej główną zaletą. Pomiar jest możliwy tylko w zamkniętych obwodach uziemiających (więcej niż jeden uziom, ale bez otoku; pomiar nie jest możliwy dla uziomów pojedynczych). Jedne cęgi (nadawcze) indukują w obwodzie prąd o znanej częstotliwości, a drugie cęgi (pomiarowe) mierzą natężenie tego prądu (rys. 5.).
Rys. 5. Pomiar rezystancji uziemienia metodą dwucęgową, rys. R. Domański
Miernik, znając napięcie i prąd, oblicza rezystancję takiego obwodu. Wynik jest sumą rezystancji badanego uziomu oraz wypadkowej rezystancji pozostałych, połączonych równolegle uziomów. Metoda jest najbardziej miarodajna, gdy rezystancja wypadkowa pozostałych uziomów jest znacznie mniejsza od rezystancji uziomu badanego. Błędne zastosowanie tej metody – np. do pomiaru uziomu pojedynczego czy też uziemień otokowych lub fundamentowych – jest częstym źródłem nieporozumień.
Przykład z rysunku 6.: przyjmijmy, że mierzony uziom E1 ma rezystancję R = 10 Ω, natomiast pozostałe uziemienia (E2–E6) charakteryzują się jednakową rezystancją R = 20 Ω. Wówczas wskazanie miernika oblicza się jako:
Istotne jest, że dodanie wypadkowej rezystancji, szczególnie gdy jej wartość jest znaczna, może prowadzić do błędnej interpretacji wyniku pomiaru.
Rys. 6. Schemat zastępczy układu uziomów. Pomiar dwucęgowy, rys. R. Domański
Metoda pętli zwarcia
Zgodnie z normą PN-HD 60364-6, pomiar rezystancji uziemienia np. ochronnego można wykonać z wykorzystaniem miernika impedancji pętli zwarcia. Pomiar polega na podłączeniu przyrządu pomiędzy przewód fazowy L a badany uziom (odłączony od szyny PE/PEN) (rys. 7.).
Rys. 7. Pomiar uziemienia metodą pętli zwarcia, rys. R. Domański
Miernik mierzy impedancję pętli, w skład której wchodzi rezystancja uzwojenia transformatora, rezystancja przewodów oraz suma rezystancji uziemienia roboczego transformatora i uziemienia badanego. Ze względu na niską zazwyczaj rezystancję pozostałych składowych, wynik jest obarczony błędem „na korzyść bezpieczeństwa” (wartość zmierzona jest wyższa od rzeczywistej). Ograniczeniem jest konieczność dostępu do napięcia sieciowego oraz możliwość zadziałania wyłączników RCD. W takim przypadku przyłączenie do przewodu fazowego L należy wykonać przed RCD.
Metoda udarowa
Metoda udarowa służy do oceny impedancji uziemienia dla prądów o kształcie zbliżonym do wyładowania atmosferycznego (np. 10/350 μs, 8/20 μs). Wykorzystuje się ją głównie do badania skuteczności uziemień odgromowych i w obiektach o specjalnych wymaganiach (np. strefy zagrożone wybuchem). W odróżnieniu od metod „statycznych” (niskoczęstotliwościowych), wynik pomiaru udarowego uwzględnia składową indukcyjną uziemienia, która ma kluczowe znaczenie przy gwałtownych zmianach prądu. Impedancja udarowa może być znacznie wyższa niż rezystancja statyczna, zwłaszcza dla uziomów rozległych, jednak nie jest to regułą, ponieważ mogą się zdarzyć wyniki mniejsze, jak i takie same jak dla pomiarów metodą statyczną. Zależeć to będzie od wielkości i geometrii układu uziemiającego. Zastosowanie tej metody nie wymaga rozłączania złącz kontrolnych dla układów złożonych, jednak sondy pomocnicze muszą mieć rezystancję mniejszą niż 1 Ω. Biorąc pod uwagę szczególne właściwości tej metody, można ją zastosować w pomiarach hal przemysłowych, gdzie układ uziemiający i konstrukcja nośna są połączone. Pomiar wielopunktowy uziemienia metodą udarową da obraz stanu uziemienia, a wsparcie procedury pomiarami ciągłości połączeń ochronnych i uziemiających pozwoli na ocenę ochrony przed porażeniem prądem elektrycznym.
Zaawansowane metody dla uziemień rozległych i ograniczonych warunków pomiarowych
Klasyczna metoda spadku potencjału zakłada możliwość umieszczenia sondy prądowej w odległości gwarantującej osiągnięcie płaskiego „plateau” potencjału zerowego. W praktyce – przy pomiarach uziemień rozległych (np. siatek uziemiających stacji elektroenergetycznych) lub w terenie silnie zurbanizowanym – jest to często niewykonalne. W odpowiedzi na te wyzwania opracowano metody, które poprzez zaawansowaną analizę matematyczną pozwalają na uzyskanie wiarygodnego wyniku nawet przy niewystarczającym oddaleniu sond.
Ciekawostka: problem pomiaru uziemień rozległych dostrzeżono już w połowie XX wieku. Pionierskie prace dr. George’a F. Tagga nie tylko dały podwaliny pod metodę 61,8%, ale również zapoczątkowały poszukiwania technik kompensacyjnych, które do dziś są stosowane bez zmian.
Jedną z takich technik jest metoda narastania zbocza (Slope Method) – również opisana przez Tagga. Polega ona na wykonaniu serii pomiarów dla różnych położeń sondy napięciowej (w odległościach 20%, 40% i 60% dystansu do sondy prądowej). Uzyskane wyniki nanoszone są na wykres, a następnie, na podstawie analizy nachylenia krzywej, ekstrapoluje się wartość rezystancji, jaka zostałaby uzyskana przy idealnym, nieskończonym oddaleniu sondy prądowej. Metoda ta, choć wymaga nieco pracy, pozwala na znaczną redukcję błędu systematycznego wynikającego ze zbyt bliskiego umieszczenia sondy prądowej.
Podobne zależności wykorzystuje metoda matematyczna proponowana przez Sonel S.A., umożliwiająca na podstawie trzech pomiarów (40%, 60% i 80% d dla sondy S) obliczenie właściwej rezystancji uziemienia. (Materiały z dokładnym opisem tych metod dostępne są w materiałach Sonel S.A.)
Analiza wyników i dobór kryteriów oceny
Interpretacja wyniku pomiaru wymaga odniesienia go do maks. wartości dopuszczalnej. Powszechnie przywoływana w normie PN-EN 62305 (Ochrona odgromowa…) wartość rezystancji uziemienia poniżej 10 ma charakter zalecenia, a nie bezwzględnego wymogu. Norma ta sugeruje, że niska rezystancja jest pożądana, ale ostatecznie skuteczność ochrony zależy od całościowego projektu. Starsze, wycofane normy, jak PN-86/E-05003, uzależniały wymaganą wartość od rodzaju gruntu i typu uziomu, dopuszczając wartości od 10 Ω w gruntach podmokłych do 50 Ω w gruntach skalistych dla uziomów otokowych.
Tab. 1. Przykład wymaganych rezystancji uziemienia sztucznego wg normy PN-86E-05003-2
Należy podkreślić, że kluczowym czynnikiem determinującym wymaganą wartość rezystancji uziemienia stają się inne wymagania, np. producentów ograniczników przepięć (SPD). Gwarantują oni skuteczne działanie swoich urządzeń, pod warunkiem że rezystancja uziemienia, do którego są przyłączone, nie przekracza 10 Ω. W praktyce oznacza to, że wymóg ten staje się decydujący dla zapewnienia skutecznej ochrony przeciwprzepięciowej w nowoczesnych instalacjach. W energetyce zawodowej z kolei wartości dopuszczalne mogą wynikać z obliczeń prądów zwarciowych doziemnych i warunków ochrony przeciwporażeniowej w sieci. Istotnym elementem diagnostyki jest również analiza trendów – porównywanie wyników pomiarów z danymi historycznymi pozwala na wczesne wykrycie procesów korozyjnych i degradacji systemu uziemiającego.
Podsumowanie
Pomiary rezystancji uziemienia ewoluowały od prostych technik opartych na idealizowanych modelach do zaawansowanych metod obliczeniowych, które rewolucjonizują podejście do badań w trudnych warunkach terenowych. Współczesny pomiarowiec musi dysponować nie tylko biegłą znajomością obsługi przyrządu, ale przede wszystkim gruntowną wiedzą teoretyczną, świadomością ograniczeń każdej z metod oraz znajomością najnowszych trendów. Nie istnieje jedna, uniwersalna technika pomiarowa. Poprawne wykonanie badań wymaga kompleksowego podejścia, uwzględniającego cel pomiaru (ochrona przeciwporażeniowa, odgromowa, zapewnienie pracy urządzeń), rodzaj i rozległość systemu uziemiającego, warunki środowiskowe oraz obowiązujące normy i wymagania techniczne. Wybór właściwej metodyki, wspartej w razie potrzeby zaawansowanymi technikami kompensacyjnymi, oraz prawidłowa interpretacja wyników są fundamentalne dla rzetelnej oceny stanu bezpieczeństwa instalacji elektrycznej.
Na zakończenie warto poruszyć kwestię aprobowania praktyk polegających na potwierdzaniu nieprawdziwych wyników pomiarów. W wielu mocno zurbanizowanych rejonach wymaga się przeprowadzenia pomiarów uziemienia, gdzie jest to w praktyce niemożliwe do zrealizowania. W takich przypadkach często wpisywane są nieprawdziwe wartości rezystancji uziemienia. Warto zaznaczyć, że dla takich obiektów jak stacje Sn/nn można wykonać pomiary ciągłości połączeń z innymi obiektami zasilanymi przez tę stację. Dla zintegrowanych systemów uziemiających takie pomiary (jeśli zostały rzeczywiście przeprowadzone) mogą zostać uznane za wystarczające. W rozległych obszarach miejskich, gdzie uziomy wszystkich obiektów są zazwyczaj połączone ze sobą (np. przez przewód PEN), mało prawdopodobne jest, aby wypadkowa rezystancja uziemienia okazała się niewystarczająca, jeśli są zachowane ciągłości połączeń między nimi. Należy stanowczo zabronić działań prowadzących do wprowadzania fałszywych wyników, na rzecz rzetelnej oceny ciągłości w takich sytuacjach.
Literatura
- R. Domański, Pomiary rezystancji uziemienia, opracowanie Sonel S.A., materiały własne.
- PN-HD 60364-6:2016-07 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 6: Sprawdzanie.
- PN-EN 62305-1:2012 Ochrona odgromowa. Część 1: Wymagania ogólne.
- PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia.
- NFPA 70: National Electrical Code (NEC), 2020 Edition.
- G.F. Tagg, Earth Resistances, George Newnes Limited, London 1964.
- L.D. Grcev, Impulse Efficiency of Grounding Grids, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 24, No. 1, January 2009.
