Измерение сопротивления заземляющих устройств

Что такое заземление

Наряду с изоляцией, заземление является важнейшим средством защиты от поражения током, определяющим электробезопасность. На первый взгляд может показаться странным в буквальном смысле этого слова «закапывать деньги в землю». Но когда речь идет о здоровье и жизни человека, то любые затраты, позволяющие предотвратить несчастный случай или смягчить его последствия, будут оправданы! Для этого применяется рабочее заземление, заземление молниезащиты и защитное заземление.

Рабочее заземление — это преднамеренное соединение с землей определенных точек электрической цепи (например, нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, а также при использовании земли в качестве обратного провода). Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановок в нормальных и аварийных условиях и осуществляется непосредственно или через специальные устройства (пробивные предохранители, разрядники, резисторы).

Заземление молниезащиты — это преднамеренное соединение с землей разрядников и молниеприемников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Защитное заземление — это заземление, выполняемое в целях электробезопасности (согласно , далее — ПУЭ) т.е. намеренное соединение с землей металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением и предназначенное для защиты людей от поражения током при случайном прикосновении. Кроме того заземляющие устройства выполняют другие функции, связанные с безопасностью: снимают заряд статического электричества на взрыво- и пожароопасных объектах (например, на АЗС). Опасное напряжение на любой проводящей ток поверхности может оказаться по различным причинам: заряды статического электричества, вынос потенциала, разряд молнии, наведенное напряжение и пр.

На практике чаще всего встречается случайное замыкание фазы на корпус из-за механического повреждения токоведущих проводников или нарушении изоляции кабеля. Прикосновение к корпусу такой неисправной установки фактически является режимом однофазного прикосновения, хотя при этом человек не нарушает правил техники безопасности. Напряжение, под которым окажется человек, прикоснувшийся к корпусу на рисунке 1 при малых значениях емкости линии определяется формулой U пр = I h ∙R h . При равенстве сопротивлений изоляции фазных проводов, протекающий через тело R h = 1кОм ток, будет определяться состоянием изоляции относительно земли I h = 3U ф / (3R h + R iso) .

Рис. 1. Поражение током при замыкании фазы на изолированный от земли корпус

измерение сопротивления проводников присоединения к земле и выравнивания потенциалов (металлосвязь) (2p); измерение сопротивления заземляющих устройств по трёхполюсной схеме (3p); измерение сопротивления заземляющих устройств по четырехполюсной схеме (4p); измерение сопротивления многократных заземляющих устройств без разрыва цепи заземлителей (с применением токоизмерительных клещей); измерение сопротивления заземляющих устройств методом двух клещей; измерение сопротивления молниезащит (громоотводов) по четырехполюсной схеме импульсным методом; измерение переменного тока (ток утечки); измерение удельного сопротивления грунта методом Веннера с возможностью выбора расстояния между измерительными электродами; высокая помехоустойчивость;

Защитное заземление на рисунке 2 в такой ситуации снизит напряжение прикосновения до безопасного за счет уменьшения потенциала корпуса электроустановки и выравнивания потенциала основания, на котором стоит человек, до значения близкого к потенциалу заземленной установки U корп = U з = I з ∙r з. Сопротивление заземления r з примерно в 100 раз меньше сопротивления тела человека, поэтому напряжение прикосновения будет низким.

Заземление обеспечивает безопасность в ситуации, когда силы тока замыкания на землю не достаточно для срабатывания автоматического выключателя, и поэтому является основным видом защиты от поражения током в системах электроснабжения с изолированной нейтралью трансформатора или генератора. В сети с глухозаземленной нейтралью на рисунке 3 ток замыкания на землю I з = U ф /(r 0 + r з) определяется только соотношением сопротивлений заземлений r 0 и r з и не зависит от состояния изоляции. При равенстве r 0 и r з напряжение на заземленном корпусе будет опасным для человека U корп = U з = 0,5∙U ф, что доказывает неэффективность заземления, в этом случае для защиты от поражения электрическим током применяют зануление или УЗО.

Защитное действие заземления основано на нескольких принципах:

• уменьшение до безопасного значения разности потенциалов между заземляемым устройством и другими проводниками, имеющими естественное заземление.
• отвод тока утечки при появлении напряжения в цепи заземляемого устройства. В правильно спроектированной системе появление тока утечки приводит к немедленному срабатыванию устройства защитного отключения (УЗО) и обесточиванию участка сети. Предельно допустимое время отключения по ГОСТ Р МЭК 60755-2012 составляет 0,3 с (0,5 с для селективных), но в действительности современные качественные УЗО имеют быстродействие порядка 20-30 мс.
• в системах с глухозаземлённой нейтралью — инициирование срабатывания автоматического выключателя при попадании фазы на заземлённую поверхность. Наибольшее допустимое время защитного автоматического отключения в такой системе согласно п. ПУЭ составляет соответственно 0,4/0,2 с для напряжений 220/380 В.

В электротехнике различают понятия естественного и искусственного заземления.

К естественному заземлению относятся токопроводящие конструкции, постоянно находящиеся в земле, например, водопроводные трубы. Поскольку их сопротивление не нормируется, такие конструкции естественного заземления нельзя использовать в качестве заземления электроустановки. При появлении опасного потенциала на водопроводной трубе возникает угроза жизни неограниченному числу людей. Поэтому пункт ПУЭ запрещает использование в качестве PE проводников обычные коммуникации или инженерные системы. Для гарантированного обеспечения условий безопасности в зданиях и сооружениях применяется система уравнивания потенциалов, предусматривающая электрическое соединение всех металлоконструкций и нулевого защитного проводника.

Искусственное заземление — это преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки электрической сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. Заземляющее устройство состоит из заземлителя (проводящей части или совокупности соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду) и заземляющего проводника, соединяющего заземляемую часть с заземлителем. Конструкция заземления может быть очень разнообразна: от простого металлического стержня до сложного комплекса элементов специальной формы (рис. 4).

Рис. 4. Конструкция заземления: а) штыревое, б) контурное, в) многоэлементное

Качество заземления определяется значением сопротивления растеканию тока через заземление (чем ниже, тем лучше), которое можно снизить, увеличивая площадь заземляющих электродов и уменьшая удельное электрическое сопротивление грунта, например, увеличивая количество заземляющих электродов или их глубину.

Система заземления должна подвергаться периодическим поверкам во время эксплуатации, чтобы коррозия или изменения удельного сопротивления грунта не могли значительно повлиять на ее параметры. Заземляющее устройство может долгое время не показывать своей неисправности до тех пор, пока не наступит опасная ситуация.

В Российской Федерации требования к заземлению и его устройство описаны в главе 1.7 ПУЭ. Наибольшие допустимые значения сопротивления заземляющих устройств для различных условий указаны в таблице ПУЭ и в таблице 36 Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей (далее — ПТЭЭП), а периодичность измерений приведены в таблице 26 приложения 3 ПТЭЭП. Сопротивление заземлителя не должно превышать нормируемого значения в любое время года.

Согласно п.1.17.118 ПУЭ опознавательный знак размещают у мест ввода заземляющих проводников в здания. Размеры и вид знака «Заземление» установлены в ГОСТ 21130-75 «Зажимы заземляющие и знаки заземления. Конструкция и размеры».

Рис. 5. Знак «Заземление»

Системы заземления

Для электроустановок напряжением до 1 кВ в соответствии с применяются следующие типы заземления систем переменного и постоянного тока:

Первая буква обозначает состояние нейтрали источника питания относительно земли:

• Т — заземленная нейтраль (лат. Terra);
• I — изолированная нейтраль (англ. Isolation).

Вторая буква обозначает состояние открытых проводящих частей относительно земли:

• Т — открытые проводящие части заземлены, независимо от отношения к земле нейтрали источника питания или какой-либо точки питающей сети;
• N — открытые проводящие части присоединены к глухозаземленной нейтрали источника питания.

Последующие после N буквы обозначают совмещение в одном проводнике или разделение функций для нулевого рабочего и нулевого защитного проводников:

• S — нулевые рабочий N и защитный РЕ проводники разделены (англ. Separated);
• С — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников совмещены в одном PEN-проводнике (англ. Combined);
• N — нулевой рабочий (нейтральный) проводник (англ. Neutral);
• РЕ — защитный проводник (нулевой защитный или заземляющий проводник, защитный проводник системы уравнивания потенциалов) (англ. Protective Earth);
• PEN — совмещенный нулевой защитный и нулевой рабочий проводники (англ. Protective Earth and Neutral).

Теория измерения заземления и удельного сопротивления грунта

На сопротивление одноэлементного заземлителя оказывают влияние несколько факторов:

• сопротивление металла заземлителя и сопротивление контакта проводника со штырем. Искусственный заземлитель изготавливают из меди, черной или оцинкованной стали (пункт ПУЭ) и используют присоединяющий проводник соответствующего размера и сечения (таблица 1.7.4 ПУЭ), поэтому при наличии надежного контакта с заземляющим проводником величиной этих сопротивлений можно пренебречь;
• сопротивление контакта штыря с грунтом. Если штырь плотно вбит в грунт на достаточную глубину и не имеет на своей подземной поверхности следов краски, масла и значительной коррозии, то сопротивление контакта с грунтом также можно не учитывать;
• сопротивление земли (грунта). Представим штырь заземлителя на рис.11 в виде электрода, окруженного концентрическими слоями грунта одинаковой толщины.

Прилегающий к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. Вклад сопротивления удаленных слоев в общее сопротивление грунта быстро становится незначительным. Область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется областью эффективного сопротивления. Ее размер зависит от глубины погружения электрода в грунт. При вычислении сопротивления земли удельное сопротивление грунта считают неизменным. Сопротивление заземления для случая одного электрода определяется по формуле Дуайта:

R = ρ/2πL ∙ ((ln4L)-1)/r

где R — сопротивление заземления, Ом.
L — глубина погружения электрода под землю, м.
r — радиус электрода, м.
ρ — среднее удельное сопротивление грунта в Ом.м.

Анализ формулы Дуайта показывает, что увеличение диаметра штыря уменьшает сопротивление заземления незначительно, в частности удвоение диаметра снижает сопротивление меньше, чем на 10%. Гораздо сильнее влияет глубина залегания электрода. Теоретически при удвоении глубины сопротивление заземления уменьшается на 40%. Главный фактор, который в итоге определяет сопротивление заземления и глубину заземления штыря, требуемую для обеспечения заданного сопротивления — это удельное сопротивление грунта. В значительной степени оно зависит от содержания в почве электропроводящих минералов и электролитов, т.е. воды с растворенными в ней солями. Удельное сопротивление грунта сильно изменяется в зависимости от района земного шара и времени года. Сухая почва пустыни или вечная мерзлота имеют высокое сопротивление.

Из-за зависимости удельного сопротивления грунта от температуры и содержания влаги, сопротивление устройства заземления также меняется в течение года. Поскольку стабильность температуры и содержание влаги в грунте повышаются по мере удаления от поверхности, то система заземления будет эффективна круглый год, если заземлитель помещен на значительную глубину, превышающую максимальную глубину промерзания.

Необходимость измерения удельного сопротивления грунта и сопротивления заземляющего устройства возникает уже на этапе проектирования и монтажа. Для измерения сопротивления заземления используют специальные приборы, использующие принцип падения потенциала, созданного переменным током, протекающим между вспомогательным и проверяемым электродом.

Трехполюсная или трехпроводная (3p) схема измерения сопротивления на рис.12 является основной и заключается в установке в грунт двух измерительных электродов (токовый электрод H и электрод напряжения (потенциальный) S) вблизи заземляющего устройства (E) по однолучевой схеме. Электрод напряжения (S) помещают на одной линии между проверяемым заземляющим устройством (E) и токовым электродом (H) в области нулевого потенциала. Для точного измерения необходимо чтобы потенциал на вспомогательном электроде напряжения измерялся за пределами зон эффективного сопротивления, как заземляющего устройства, так и вспомогательного электрода тока. Область нулевого потенциала также расширяется с увеличением расстояния между измеряемым заземлением и вспомогательным электродом тока. На практике используется метод 62%, обеспечивающий наибольшую точность при условии однородности грунта. Пользуясь этим методом можно легко найти место установки вспомогательного электрода напряжения (точку нулевого потенциала), при расположении электродов вдоль прямой.

Прибор измеряет величину протекающего тока в созданной цепи и напряжение между исследуемым заземлителем и электродом напряжения. Результатом измерения является рассчитанное по закону Ома значение сопротивления заземляющего устройства. В городских условиях трудно найти место для установки двух вспомогательных электродов на требуемом расстоянии. Но при хорошо развитой инфраструктуре, рядом с измеряемым заземлителем (N) может оказаться еще одно заземление (M) с известным сопротивлением, рис. 14. В этом случае применяют двухточечный метод измерения (2p), который показывает сопротивление двух устройств заземления, включенных последовательно. Поэтому второе заземление должно быть настолько хорошим, чтобы его сопротивлением можно было пренебречь. Кроме того, необходимо дополнительно определить сопротивление измерительных проводов и вычесть его из полученного результата. Такой упрощенный метод применяется как альтернативный способ, и он не такой точный, как стандартный 3-проводный (метод 62%), поскольку сильно зависит от расстояния между измеряемым и вспомогательным заземлением.

В том случае, когда требуется исключительно высокая точность измерения, используют четырехполюсную или четырехпроводную (4p) схему, исключающую влияние сопротивления измерительных проводов.

Все вышеперечисленные способы на время измерения требуют отключения исследуемого заземлителя от общей системы заземления (раскручивания резьбового соединения/демонтаж сварного соединения). Для многоэлементного заземления такой процесс является очень трудоемким, поэтому в приборах Sonel существует возможность проведения измерения без отсоединения исследуемого заземлителя. При этом методе (3p+клещи) токовый электрод (Н) и электрод напряжения (S) помещаются в грунт также как при классическом трехполюсном методе, но ток измеряется при помощи клещей, устанавливаемых на исследуемом заземлителе. Прибор определяет сопротивление заземлителя, на котором установлены токовые клещи (рассчитывает сопротивление по величине тока через исследуемый заземлитель и игнорирует ток, протекающий через смежные заземлители).

После измерения значения сопротивлений отдельных элементов заземления R E1 , R E2 , R E3 ...R EN , общую величину сопротивления R E на рисунке 16 рассчитывают по формуле:

Измерение сопротивления заземляющих устройств на территории мегаполисов представляет собой огромные трудности. Особенно в центре города, где особенно плотная застройка, из-за дорожного покрытия или тротуарной плитки невозможно установить вспомогательные электроды. В случае сложной системы заземления, элементы которой не соединены под землей, применяют метод двух клещей. Если заземления соединены под землей, этот метод позволяет установить только отсутствие обрыва в цепи. Передающие клещи за счет электромагнитной индукции возбуждают ток в измеряемом контуре, а дополнительные клещи измеряют его. Не имеет значения, какие из них находятся вверху, важно обеспечить минимальное расстояние между ними (>3см), чтобы исключить влияние передающих клещей на токоизмерительные клещи.

После измерения прибор покажет величину сопротивления R E , которое для четырехэлементного заземления на рисунке 17 можно также рассчитать по формуле:

Как следует из приведенного выше соотношения, величина R E будет суммой значения измеренного сопротивления заземлителя и результата параллельного соединения остальных заземлителей. Поэтому полученная величина сопротивления заземления будет немного завышена (дополнительная погрешность измерения). Это неустранимая ошибка метода. Поскольку результирующая величина параллельного соединения остальных элементов заземления будет тем меньше, чем больше будет таких заземлителей, рекомендуется выполнять измерения этим методом только в многоэлементных системах.

Как следует из формулы Дуайта, удельное сопротивление грунта непосредственно влияет на конструкцию устройств заземления (глубину залегания заземлителя при заданном сопротивлении и количество элементов). При разработке систем заземления большого размера, важно найти области наименьшего сопротивления грунта, чтобы сконструировать наиболее экономичный вариант с минимальным числом элементов.

Для измерения удельного сопротивления грунта по методу Веннера, реализованному в приборах Sonel, используют четыре электрода, размещенных линейно на равных расстояниях, рисунок 18. Значение удельного сопротивления грунта автоматически рассчитывается в процессе измерения по формуле: ρ = 2πd ∙ U/I [Ом∙м] .

Характерной особенностью метода Веннера является прямо пропорциональная зависимость расстояния между электродами и глубиной, на которой протекает ток. Предельное значение глубины проникновения тока в землю составляет 0,7∙d. Выполняя серию измерений удельного сопротивления, при одновременном изменении расстояния между электродами, можно приблизительно оценить на какой глубине находится наименьшее ее значение. Затем следует развернуть электроды под прямым углом к линии, на которой проводились измерения и повторить всю серию. Если прибор покажет значительный разброс результатов, затрудняющий выполнение измерений, то вероятно наличие в данном месте подземных коммуникаций (трубы водопровода, металлоконструкции и т.п.). В таком случае необходимо переставить электроды на несколько метров в сторону от места, где наблюдались неоднородные показания, и повторить измерение удельного сопротивления грунта. Близкие результаты свидетельствуют об однородности грунта и правильности проведения измерений.

Полученные данные используются для геофизического изучения залегающих пород с целью определения зон и глубины залегания. Кроме того, по величине сопротивления грунта можно оценить скорость коррозии подземных трубопроводов. Значительное уменьшение сопротивления грунта приводит к усилению процесса коррозии и требует специальной защитной обработки подземных металлических поверхностей.

Выводы:

1. Измерение сопротивления заземляющего устройства проводят в сухой период года.
2. Растворенные в воде соли и минералы придают почве свойства электролита, поэтому для измерения сопротивления заземления необходимо использовать переменный ток.
3. Чтобы избежать влияния токов промышленной частоты и их высших гармоник, применяют не кратную 50 Гц (60 Гц) частоту измерительного напряжения.
4. Наилучшую точность измерения заземления обеспечивает схема 4p по методу 62%.
5. Измерение сопротивления с помощью двух клещей имеет методическую погрешность, поэтому его рекомендуется применять только в многоэлементных системах заземления.
6. Метод Веннера позволяет быстро и просто измерить удельное сопротивление грунта.

Молниезащита

В рассматриваемых выше системах заземления, которые предназначены в основном для защиты от поражения током, важно поведение токов низкой частоты.

Задачей грозозащитного заземления является отвод в землю удара молнии. Импульсный характер этого разряда определяет существенное влияние индуктивной составляющей заземления, поэтому эффективно используется для отвода тока молнии лишь часть заземления, расположенная в непосредственной близости от места разряда. Заземление с низким статическим сопротивлением, гарантирующее хорошую основную защиту, не обеспечит достаточных параметров молниезащиты — особенно в случае обширных систем заземлений, которые обладая низким статическим сопротивлением, могут иметь многократно превосходящий динамический импеданс. В Российской Федерации в настоящее время кроме нормативных документов, устанавливающих требования к молниезащите зданий: «Инструкция по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87 и «Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» CO 153-343.21.122-2003, в 2011 году выпущены две первые части ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии», которые представляют собой переводы стандарта МЭК 62305, состоящего из четырёх частей. К сожалению, ни одна из указанных инструкций не освещает вопроса практического применения устройств защиты от грозовых и коммутационных перенапряжений.

Список литературы:

Правила устройства электроустановок, издание 7.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, введены с 2003 года.
ГОСТ Р МЭК 61557-5-2008 «Электробезопасность. Аппаратура для испытания, измерения или контроля средств защиты. Часть 5. Сопротивление заземлителя относительно земли»
ГОСТ Р 50571.1-2009 Электроустановки низковольтные, часть 1 «Основные положения, оценка общих характеристик, термины и определения».
ГОСТ Р МЭК 60755-2012 «Общие требования к защитным устройствам, управляемым дифференциальным (остаточным) током».
ГОСТ Р МЭК 62305-2-2010 «Менеджмент риска. Защита от молнии», ч.1 и ч.2
«Инструкция по молниезащите зданий и сооружений» РД 34.21.122-87.
«Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций» CO 153-343.21.122-2003.
А.В. Сакара. «Организационные и методические рекомендации по проведению испытаний электрооборудования и аппаратов электроустановок потребителей» Москва, ЗАО «Энергосервис», 2004.