Ocena systemów uziemień z wykorzystaniem pomiarów metodą udarową

Ocena uziemień w przepisach normalizacyjnych

Odnośnie wymagań stawianych systemom uziemień, jak również zakresu ich kontroli, dominuje przekonanie, że procedura kontrolna powinna odbywać się na podstawie wskazań aktualnej edycji normy. Jednak w przypadku, gdy kontrolowany obiekt został zbudowany w czasie obowiązywania starszej normy, wtedy obowiązuje w stosunku do niego zasada ochrony zastanej i postanowienia tej normy są brane pod uwagę podczas kontroli. W takiej sytuacji jedynie odchylenia od przepisów obowiązujących podczas budowy będą wykazane w protokole jako usterki.

Zasada ochrony zastanej nie powinna być stosowana, jeżeli w obiekcie budowlanym nastąpiła zmiana polegająca na przykład na:

• przebudowie dachu albo na umieszczeniu na nim nowych konstrukcji budowlanych lub elementów dołączonych do instalacji elektrycznych obiektu,
• doprowadzeniu do obiektu nowej linii elektroenergetycznej lub telekomunikacyjnej,
• zmianach w obrębie funkcjonujących w obiekcie stref zagrożenia wybuchem.

Do dobrych zwyczajów w przypadku stosowania przez kontrolującego zasady ochrony zastanej powinno należeć wskazanie w protokole odchyleń od aktualnych przepisów. Uwagi takie oczywiście nie dyskredytują analizowanego systemu ochrony odgromowej, ale dają administratorowi obiektu informacje o tym, jak bardzo ochrona odgromowa obiektu odbiega od poziomu wiedzy inżynierskiej prezentowanego w obowiązujących aktualnie normach [8].

Według PN-E 05003.01:1986 (p. 1.3.16.) rezystancja uziemienia jest to: „rezystancja statyczna między uziomem a ziemią odniesienia zmierzona przy przepływie prądu przemiennego o częstotliwości technicznej”. Rezystancja statyczna dopuszczana jest przez normę jako miara przydatności uziemienia dla obiektów objętych podstawową ochroną odgromową [1].

Kryterium przydatności uziemienia w obiektach podlegających ochronie obostrzonej i specjalnej stanowi wg PN-E 05003.03:1989 (p.1.3.7) rezystancja udarowa określana jako: „rezystancja między uziomem a ziemią odniesienia mierzona przy prądzie udarowym o kształcie odwzorowującym prąd pioruna”. Norma ta określa również sprzęt potrzebny do wyznaczenia tej rezystancji jako mostek (miernik) udarowy, czyli: „urządzenie pomiarowe umożliwiające pomiar rezystancji tylko tej części uziemienia, która bierze udział w odprowadzaniu prądu pioruna”. Pomiar rezystancji udarowej wykonuje się bez rozłączania zacisków probierczych, ponieważ celem tego pomiaru jest określenie rezystancji wypadkowej uziemienia, czyli tej, która bierze udział w odprowadzaniu z danego punktu prądu piorunowego do gruntu [2, 3].

Przepisy PN-IEC 61024-1 definiują „zastępczą rezystancję uziemienia” jako: „stosunek wartości szczytowych napięcia do prądu uziemienia, które na ogół nie występują jednocześnie. Umownie służy on za wskaźnik skuteczności uziemienia” [4]. Określenie powyższe jest zgodne z definicją rezystancji (impedancji) udarowej wyznaczanej przy wymuszeniu prądowymi udarami pomiarowymi, jak to zostało pokazane na rysunku 1.

Przyjęta w 2009 roku norma PN-EN 62305-1:2008 dotycząca ochrony odgromowej wprowadza pojęcie „umownej impedancji uziemienia” określonej jako „stosunek wartości szczytowej napięcia na uziomie do wartości przepływającego w nim prądu, które na ogół nie występują jednocześnie” [5].

Impedancję udarową wyznacza się zgodnie z definicją zawartą w normach [2, 4, 5] według zależności:

gdzie: 

U_max oraz I_max – oznaczają odpowiednio amplitudy spadku napięcia na uziomie orazprądu wymuszającego ten spadek i zostały pokazane na rysunku 1.

W przypadku uziomu skupionego, np. pionowego o niewielkiej długości, można zaobserwować brak przesunięcia czasowego między ekstremami prądu i napięcia (rys. 1a). Dla bardziej rozległego uziomu spadki indukcyjne powodują przesunięcie między wartościami maksymalnymi obu przebiegów, jak to można zobaczyć na rysunku 1b, a więc impedancja uziemienia jest definiowana umownie w dziedzinie czasu.

W normach dotyczących instalacji powyżej 1 kV [6] oraz koordynacji izolacji [7] zostały wprowadzone w załącznikach uwagi, że w przypadku bardziej rozległych uziemień, zwłaszcza linii przesyłowych, do pomiarów impedancji uziemień należy używać testera pracującego przy wysokiej częstotliwości. Celem wprowadzenia pomiaru przy przebiegach szybkozmiennych jest przede wszystkim uwzględnienie wpływu na jego rezultat zarówno indukcyjnych spadków napięcia na uziomach, jak również faktu, że w odprowadzaniu prądów szybkozmiennych do ziemi biorą udział tylko części uziomu znajdujące się bliżej niż długość efektywna uziomu [9].

Długość efektywna uziomów

Na rysunku 2. przedstawiono schemat zastępczy uziomu poziomego złożonego z n szeregowo połączonych czwórników, z których każdy odpowiada długości podstawowego elementu uziomu. Pomiar impedancji uziomu przy wymuszeniu i (t) o częstotliwości zbliżonej do sieciowej sprowadza się praktycznie do określenia wypadkowej wartości przewodności G wynikającej z równoległego połączenia elementów G1 do Gn. W praktyce pomiarowej miernik wskazuje więc rezystancję uziomu R_u=1/G jako rezystancję przejścia z uziomu do otaczającego gruntu, która zależy od rezystywności gruntu oraz wymiarów uziomu. Pozostałe elementy schematu zastępczego mają niewielki wpływ na rezystancję wypadkową uziomu przy wymuszeniu wolnozmiennym, ponieważ:

• rezystancja podłużna uziomu (suma elementów R₁ do R_n) jest pomijalna ze względu na znaczny przekrój (nie mniej niż 90 mm²) uziomu,
• indukcyjność własna poszczególnych elementów (L₁ do L_n) jest zawarta w granicach 1–2 μH/m i nie odgrywa większej roli przy przebiegach o częstotliwości sieciowej,
• podobnie pomijane są prądy pojemnościowe związane z pojemnością własną uziomu C.

Wraz ze wzrostem częstotliwości sygnału wymuszającego i (t) lub zastąpieniem tego sygnału przebiegiem udarowym rośnie reaktancja indukcyjna ωL każdego z elementów uziomu. Wzrost spadku napięcia na indukcyjności zwiększa całkowitą impedancję uziomu mierzoną na jego wejściu. Potwierdzeniem wzrostu znaczenia indukcyjnych spadków napięcia na coraz dłuższym uziomie jest przesunięcie czasowe między prądem i napięciem pokazane na rysunku 1b.

Rozważania na temat stałej czasowej linii modelującej uziom długi pokazują, że zwiększanie długości uziomu poziomego jest skuteczne tylko do pewnej wartości nazywanej długością efektywną l_ef, którą można obliczyć jako [12]:

gdzie:

T – czas trwania czoła udaru prądowego,

L – indukcyjność jednostkowa,

G – konduktancja jednostkowa uziomu.

Potwierdzeniem powyższych rozważań są wyniki symulacji komputerowych impedancji uziomu poziomego w funkcji jego długości przedstawione na rysunku 3. Przy pomiarach statycznych (częstotliwość zbliżona do sieciowej) rezystancja maleje wraz z wydłużaniem uziomu bez względu na przedział tego wzrostu długości. Otrzymana wartość rezystancji uziomu R wynika z równoległego połączenia coraz większej liczby n elementów o przewodności G każdego z nich, jak to przedstawiono na rysunku 2. Przy wymuszeniu prądem udarowym (tutaj udar o czasie czoła 4μs [10]) spadek impedancji uziomu przez dodawanie liczby elementów jest obserwowany tylko do pewnej długości uziomu zbliżonej do długości efektywnej obliczonej ze wzoru (2) – wartość ta wynosi 26 m i została zaznaczona trójkątem na rysunku 3.

Z przedstawionych rezultatów symulacji wynika, że spotykane w praktyce łączenie uziomu odgromowego z rozległym uziomem roboczym lub z siecią wodociągową umożliwia uzyskanie bardzo niskiej wartości rezystancji uziomu mierzonej metodą niskoczęstotliwościową. Impedancja udarowa takiego uziemienia może jednak być wielokrotnie wyższa, co prowadzi do zagrożeń chronionego obiektu podczas wyładowania atmosferycznego. Problem ten został częściowo uwzględniony w przepisach normalizacyjnych, które dopuszczają określenie przydatności uziemienia dla celów ochrony obostrzonej i specjalnej na podstawie pomiarów ich rezystancji metodami statycznymi (niskoczęstotliwościowymi) jedynie pod następującymi warunkami:

• dla ochrony obostrzonej należy odłączyć od mierzonego uziomu wszystkie przyłączone do niego masy metalowe (p. 6.1.4.c) [2],
• dla ochrony specjalnej należy odłączyć uziomy położone dalej od rozpatrywanego zwodu niż 35 m w gruncie o rezystywności ρ≤500Ωm i 60 m w gruncie o rezystywności ρ≤500Ωm (p. 4.1.3.2) [3]. Wykonanie pomiarów metodami statycznymi zgodnie z powyższymi wymaganiami jest często bardzo trudne lub wręcz niemożliwe.

Długość efektywna uziomu obliczona z wyrażenia (2) zależy przede wszystkim od rezystywności gruntu otaczającego analizowany uziom oraz stromości czoła odprowadzanego do ziemi udaru. Na rysunku 4. zamieszczono krzywe przedstawiające długość efektywną uziomu w funkcji rezystywności gruntu dla udarów o czasach czoła 1, 4 oraz 10μs. Linią przerywaną zaznaczono maksymalną długość uziomu dopuszczalną przez normy PN-E 05003 [2; 3], a liniami ciągłymi – minimalne długości uziomu sugerowane przez normę PN-EN 62305 dla następujących poziomów ochrony: I, II oraz III–IV [5].

Wpływ indukcyjności uziomu zależny od jego geometrii jest uwzględniony poprzez badania metodami udarowymi. Wyniki pomiarów udarowych są miarodajne dla określenia jakości uziemień obiektów podlegających ochronie odgromowej. Krzywa długości efektywnej dla udarów o czasie czoła 4μs jest położona w bezpośrednim sąsiedztwie zaznaczonych liniami przerywanymi maksymalnych dopuszczalnych długości uziemień dla ochrony obostrzonej oraz specjalnej i może być uznana jako dość dobrze przybliżająca intencje wyrażone w omawianej normie [3]. Wobec tego należy przyjąć, że użyteczny zakres długości uziomu przy danej rezystywności gruntu ograniczony pomiarami z wykorzystaniem udarów o czasie czoła 4μs wskazuje strzałka na rysunku 4. [13].

Rozległe uziemienia obiektów kubaturowych

Współczesne obiekty podlegające ochronie odgromowej są wyposażone w główną szynę wyrównania potencjałów, do której są dołączone elementy uziemiające poszczególnych mediów zasilających dany obiekt, jak to zostało przedstawione na rysunku 5. W przypadku zastosowania do pomiaru rezystancji uziemienia miernika niskiej częstotliwości, na uzyskaną wartość rezystancji mają wpływ uziomy położone nawet w znacznej odległości od badanego obiektu, np. system uziemień transformatora zasilającego. Pomierzona w ten sposób rezystancja wypadkowa uziemienia osiąga zwykle bardzo małe wartości, często znacznie poniżej 1Ω. Taka ocena systemu uziemień może być miarodajna dla prądów zwarciowych, ale w przypadku wyładowań atmosferycznych należy oczekiwać znacznie wyższej impedancji. W rozpraszaniu prądu o czasie czoła na poziomie mikrosekund, czyli zbliżonym do prądów piorunowych, biorą udział elementy uziomu oddalone od miejsca wyładowania poniżej długości efektywnej uziomu, jak to zostało zaznaczone na rysunku 5. Pojęcie długości efektywnej uziomu i sposób jej obliczenia zostały omówione w poprzednim rozdziale.

Potwierdzeniem tych spostrzeżeń są wyniki rejestracji prądu i napięcia na początku uziomu poziomego o długości 50 m złożonego z łączonych szeregowo odcinków po 5 m przedstawione na rysunku 6. Badany uziom był zagłębiony w gruncie o rezystywności 85Ωm i dla impulsów o czasie czoła 4μs jego długość efektywna wynosiła ok. 20 m. Ponieważ impulsy prądowe miały stałą amplitudę (ok. 0,9 A), wartość maksymalna napięcia może być traktowana jako wskaźnik impedancji udarowej uziomu. Przyrost długości uziomu o 10 m w zakresie poniżej długości efektywnej wywołuje zdecydowany (w tym przypadku ok. 2-krotny) spadek napięcia, a więc także impedancji uziomu – przebiegi a i b na rysunku 6. Taki sam 10-metrowy przyrost długości uziomu poza jego długością efektywną nie wpływa na jego impedancję udarową – taka sama amplituda napięcia na oscylogramach c i d. Efekt odprowadzania pewnej wartości ładunku przez dodaną długość można zauważyć dopiero na grzbiecie przebiegu napięciowego, co nie ma wpływu na impedancję udarową uziomu.

Rozważania o braku wpływu dalej położonych elementów uziemień na ich przydatność odgromową zostały potwierdzone pomiarami porównawczymi rezystancji przy niskiej częstotliwości oraz za pomocą mierników udarowych przeprowadzonymi na gdańskim stadionie PGE ARENA. Nadziemna część urządzenia piorunochronnego zewnętrznego stadionu widoczna na rysunku 7a składa się ze zwodów poziomych w postaci przewodów (1) zamykających pozbawiony zadaszenia fragment stadionu oraz z łukowatych dźwigarów zadaszenia trybun (2). Dźwigary zadaszenia odgrywające jednocześnie rolę zwodów i przewodów odprowadzających są osadzone na fundamentach stadionu za pomocą ruchomych przegubów, które są bocznikowane przewodami zapewniającymi przepływ prądów piorunowych pokazanymi na rysunku 7b. Zbrojenie fundamentu stadionu jest połączone z uziomami sztucznymi poszczególnych mediów i w ten sposób powstaje bardzo rozległy system.

Na rysunku 8a przedstawiono rezultaty rezystancji niskoczęstotliwościowej oraz impedancji udarowej systemu uziemień stadionu. Pokazany histogram wskazuje, że tak rozbudowany system charakteryzuje się bardzo małą rezystancją statyczną – 0,41Ω, a impedancja udarowa jest ponad 8 razy wyższa i wynosi 3,5Ω. Podobne wyniki zaprezentowane na rysunku 7b uzyskano dla budynku mieszkalnego o 3 kondygnacjach i długości ok. 30 m. System uziemień budynku jest zaopatrzony w szynę wyrównania potencjałów i zbliżony do zaprezentowanego na rysunku 5. Taki przypadek charakteryzuje się również bardzo małą rezystancją o wartości 0,5Ω, a impedancja w warunkach udarowych jest ponad 8 razy wyższa i wynosi 4,1Ω. Różnica ta wynika przede wszystkim z faktu, że na rezystancję statyczną wpływa cały system uziemień, a miernik udarowym uwzględnia wyłącznie elementy uziemiające znajdujące się w odległości mniejszej niż długość efektywna określona czasem czoła udaru i rezystywnością gruntu (2).

Impedancja udarowa pozwala więc na lepszą ocenę zachowania się rozległego systemu uziemień podczas przepływu prądu piorunowego, co zostało potwierdzone pomiarami uziemień w tak nietypowym przypadku, jakim jest stadion sportowy, jak również pomiarami współczesnego budynku mieszkalnego z układem wyrównania potencjałów łączącym elementy uziemień mediów wchodzących do budynku.

W tej sytuacji nie powinien dziwić fakt, że w literaturze pojawiają się stwierdzenia o braku konieczności mierzenia rezystancji statycznej podczas sprawdzania stanu technicznego urządzenia piorunochronnego [8]. Mała wartość rezystancji uziemienia nie musi świadczyć o jego dobrym stanie, podobnie jak wysoki wynik rezystancji nie musi dyskwalifikować przydatności uziomu w systemie ochrony odgromowej. Dla wydania ostatecznej oceny konieczna jest znajomość konfiguracji sieci uziemiającej i weryfikacja połączeń zapewniających ciągłość przewodu uziemiającego oraz połączeń przewodów odprowadzających z uziomem. W wielu przypadkach nieodzownym warunkiem oceny uziemień może być ich odkopanie, a to często okazuje się niewykonalne i wtedy metoda udarowa stanowi rozsądną alternatywę.

Ocena ciągłości przewodów uziemiających

Metoda udarowa pomiaru impedancji uziemień może być stosowana także do oceny ciągłości połączeń w systemie uziemień, zwłaszcza ciągłości przewodów uziemiających, dowolnych obiektów, w tym również obiektów podlegających ochronie obostrzonej [2]. Tym bardziej że w takich przypadkach ze względów bezpieczeństwa przewody odprowadzające są często wyposażone w połączenia spawane, które uniemożliwiają ich rozłączanie podczas pomiarów.

Przydatność udarowego miernika uziemień do oceny ciągłości połączeń uziemień przetestowano na przykładzie jednoklatkowego budynku mieszkalnego o 8 kondygnacjach. Instalacja odgromowa budynku zawiera 6 przewodów odprowadzających, z których każdy na wysokości ok. 1 m nad ziemią był zaopatrzony w zacisk kontrolny umożliwiający rozłączanie przewodu. Wykonano pomiary rezystancji udarowej uziemienia w następujących konfiguracjach połączeń, których istotę przedstawia rysunek 9.:

1. Z_Z – zwarty zacisk kontrolny,
2. Z_D – miernik dołączony do przewodu poniżej rozwartego zacisku kontrolnego,
3. Z_G – miernik dołączony do przewodu powyżej rozwartego zacisku kontrolnego.

Z rysunku 10a wynika, że przy zwartym zacisku kontrolnym (ZZ) otrzymuje się wartości obniżone o ok. 10% w stosunku do zacisku rozwartego (ZD). Przy obiektach niższych różnice te mogą być nieco większe ze względu na mniejszą indukcyjność przewodów bocznikujących mierzone połączenie z uziomem. Wyniki umieszczone na histogramie oznaczonym jako ZG odpowiadają sytuacji, w której mierzony przewód uziemiający jest przerwany poniżej powierzchni gruntu. Analiza pomiarów wszystkich przewodów odprowadzających obiektu wykonanych bez ich odpinania pozwoli na szybkie wykrycie przewodu niemającego galwanicznego połączenia z otokiem uziemienia, ponieważ uzyskany w tym przypadku wynik będzie znacznie przewyższał (w przypadku analizowanego budynku około dwukrotnie) poziom wyników uzyskanych dla pozostałych przewodów. Wzrost wartości impedancji w przypadku oznaczonym jako ZG wynika z tego, że przepływ prądu odbywa się poprzez przewody odprowadzające i zwody na dachu budynku, a wynikające stąd indukcyjne spadki napięcia zwiększają potencjał na uziomie oraz impedancję tak mierzonego uziomu.

Spostrzeżenia wynikające z rezultatów testu pokazanego na rysunku 10a zostały zweryfikowane pomiarami impedancji udarowej uziemienia urządzenia piorunochronnego obiektu budowlanego o 4 przewodach odprowadzających, a wyniki zostały przedstawione na rysunku 10b. Pomiary przeprowadzone przy zwartych zaciskach kontrolnych przewodów odprowadzających wskazują, że dla przewodu oznaczonego jako 1 impedancja udarowa przekracza prawie 4-krotnie wyniki uzyskane dla pozostałych przewodów. Po odkopaniu fragmentu uziomu okazało się, że miejsce styku tego przewodu z uziomem było skorodowane, co skutkowało brakiem połączenia galwanicznego. Należy podkreślić, że wspomniana usterka systemu uziemień została stwierdzona na podstawie pomiarów metodą udarową bez rozłączania zacisków kontrolnych urządzenia.

Wnioski

Metoda udarowa pozwala na określenie impedancji uziemienia, która jest miarą jego przydatności do celów ochrony odgromowej. Przydatność takiej metody jest ważna przede wszystkim w przypadku rozległych systemów uziemień, a zwłaszcza przy połączeniu elementów uziemiających mediów z szyną wyrównania potencjału. Wtedy są uwzględniane tylko te części systemu instalacyjnego, które biorą udział w odprowadzaniu prądu piorunowego do ziemi, czyli ich długości efektywne.

Na podstawie przeprowadzonej analizy czas czoła udaru pomiarowego o czasie 4Ωs należy uznać jako najbardziej uniwersalny oraz przydatny w testach uziemień.

Wprowadzane aktualnie przepisy normalizacyjne dotyczące ochrony odgromowej wnoszą w niektórych fragmentach wymaganie, aby w pomiarach rezystancji uziemień prowadzonych metodą niskoczęstotliwościową uwzględniać ich ograniczoną długość, co może nawet sprowadzać się do konieczności odkrywania uziomów podczas procedury weryfikacyjnej.

Literarura

1. PN-E 05003-1:1986 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Wymagania ogólne.
2. PN-E 05003-3:1989 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona obostrzona.
3. PN-E 05003-4:1992 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Ochrona specjalna.
4. PN-IEC 61024-1-1:2001 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych. Zasady ogólne. Wybór poziomów ochrony dla urządzeń piorunochronnych.
5. PN-EN 62305-1:2008 Ochrona odgromowa. Część 1: Zasady ogólne.
6. PN-E 05115:2002 Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV.
7. PN-EN 60071-2:2000 Koordynacja izolacji. Przewodnik stosowania.
8. Musiał E.: Kontrola stanu technicznego urządzeń ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, Biul. SEP INPE, 2008, Nr 100, s. 18-36.
9. Wołoszyk M., „Pomiary impedancji (rezystancji) udarowej uziemień odgromowych”, Rozdział w publikacji: Gryżewski Z.: Prace pomiarowo – kontrolne przy urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu do 1 kV, COSiW SEP, Warszawa, 2002.
10. PN-E 04060:1992 - Wysokonapięciowa technika probiercza. Ogólne określenia i wymagania probiercze.
11. ANSI/IEEE Std 81-1983 - IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance and Earth Surface Potentials of a Ground System.
12. Szpor S., Samuła J.: Ochrona Odgromowa, WN-T, Warszawa, 1983.
13. Wojtas S., Wołoszyk M.: Ocena uziemień odgromowych według aktualnych przepisów normalizacyjnych, VI Krajowa Konferencja N-T "Urządzenia Piorunochronne w Projektowaniu i Budowie, SEP Kraków, 20.10.2011.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!