Проверка сопротивления заземления

Проверка сопротивления заземления

ПОНИМАНИЕ ПРОЦЕССА

Под термином заземление подразумевается электрическое подключение какой-либо цепи или оборудования к земле. Заземление используется для установки и поддержания потенциала подключенного оборудования максимально близким к потенциалу земли. Цепь заземления образована проводником, зажимом, с помощью которого проводник подключен к электроду, электродом и грунтом вокруг электрода.Заземление используется для замыкания на землю тока пробоя, чтобы защитить персонал и компоненты оборудования от воздействия высокого напряжения.Низкое сопротивление цепи заземления обеспечивает стекание тока пробоя на землю и быстрое срабатывание защитных устройств. В результате постороннее напряжение как можно быстрее устраняется, чтобы не подвергать его воздействию персонал и оборудование.

СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗЕМЛЯЮЩЕГО ЭЛЕКТРОДА

На рис.1 показан заземляющий штырь. Его сопротивление определяется следующими компонентами:

(А) сопротивление металла штыря (если электрод плотно вбит и на его поверхности нет краски, масла и подобных веществ) и сопротивление контакта проводника со штырем;

(Б) сопротивление контакта штыря с грунтом;

(В) сопротивление поверхности земли протекающему току, иначе говоря, сопротивление земли, которое часто является самым важным из перечисленных слагаемых.



Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В конечном счете, вклад сопротивления удаленных слоев в сопротивление поверхности грунта становится незначительным. Область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется областью эффективного сопротивления. Ее размер зависит от глубины погружения электрода в грунт.

Теоретически сопротивление земли можно определить общей формулой:

R = сL / A

(Сопротивление = Удельное сопротивление х Длина / Площадь )

Эта формула объясняет, почему уменьшается сопротивление концентрических слоев по мере их удаления от электрода:

R = Удельное сопротивление грунта х Толщина слоя / Площадь

Наиболее часто используется формула сопротивления заземления для случая одного электрода, полученная профессором Дуайтом (H. R. Dwight) из Массачусетского технологического института:

R =с /2L x ((In4L)-1)/r

R - сопротивление заземления штыря в омах,

L - глубина заземления электрода,

r - радиус электрода,

с- среднее удельное сопротивление грунта в Ом·см.

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЭЛЕКТРОДА И ГЛУБИНЫ ЕГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Влияние размера: увеличение диаметра штыря уменьшает сопротивление заземления незначительно. Удвоение диаметра снижает сопротивление меньше, чем на 10% (см. рис.2).

Влияние глубины заземления штыря: сопротивление заземления уменьшается с увеличением глубины. Теоретически при удвоении глубины сопротивление уменьшается на 40 %. Стандарт NEC (1987, 250-83-3) предписывает заземлять штырь минимум на 8 футов (2,4 м) для обеспечения хорошего контакта с землей (см. рис.3). В большинстве случаев штырь, заземленный на 10 футов (3 м), удовлетворяет требованиям NEC.

Минимальный диаметр стального штыря равен 5/8 дюйма (1,59 см), а медного или покрытого медью стального штыря - равен 1/2 дюйма (1,27 см) (NEC 1987, 250-83-2).

На практике минимальный диаметр 3 м штыря заземления равен:

· 1/2 дюйма (1,27 см) для обычного грунта,

· 5/8 дюйма (1,59см) для сырого грунта,

· 3/4 дюйма (1,91 см) для твердого грунта или для штыря длиннее 10 футов.

ВЛИЯНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДА

Приведенная выше формула Дуайта показывает, что сопротивление заземления зависит не только от глубины и площади поверхности электрода, но и от удельного сопротивления грунта. Оно является главным фактором, который определяет сопротивление заземления и глубину заземления штыря, какая потребуется для обеспечения малого сопротивления. Удельное сопротивление грунта сильно изменяется в зависимости от района земного шара и времени года. Оно в значительной степени зависит от содержания в почве электропроводящих минералов и электролитов в виде воды с растворенными в ней и солями. Сухая почва, не содержащая растворимых солей, имеет высокое сопротивление (см. табл.1).

Таблица 1

Почвы	Удельное сопротивление, Ом·см
	Мин.	Среднее	Макс.
Зольные почвы, шлаки, засоленные почвы, пустынные	590	2370	7000
Глины, глинистые сланцы, илистая, суглинок	340	4060	16000
Те же с песком или гравием	1020	15 800	135000
Гравий, песок, камни с небольшим количеством глины или суглинка	59000	94000	458000

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА УДЕЛЬНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ГРУНТА

Два типа почвы в сухом виде могут стать фактически изоляторами с удельным сопротивлением более 109 Ом см. Как можно видеть в таблице 2, сопротивление образца почвы изменяется весьма быстро при увеличении содержания влаги в ней приблизительно до 20%.

Таблица 2

Содержание влаги, %	Удельное сопротивление, Ом·см
	Земля	Песчаный суглинок
0	>109	>109
2,5	250000	150000
5	165000	43000
10	53000	18500
15	19000	10500
20	12000	6300
30	6400	4200

Удельное сопротивление почвы, также, зависит от температуры. Табл. 3 показывает, как меняется удельное сопротивление песчаного суглинка с содержанием влаги 12,5% при изменении температуры от +20 до -15°С. Как можно видеть, удельное сопротивление изменяется от 7200 до 330 000 Ом-сантиметров.

Таблица 3

Температура, °С	Температура по Фаренгейту, F	Удельное сопротивление, Ом·см
20	68	7200
10	50	9900
0	32(вода)	13800
0	32(лед)	30000
-5	23	79000
-15	14	330000

Поскольку удельное сопротивление грунта сильно зависит от температуры и содержания влаги, разумно считать, что сопротивление устройства заземления будет зависеть от времени года. Такие изменения показаны на рис.3. Поскольку стабильность температуры почвы и содержания в ней влаги улучшается по мере удаления от поверхности, то система заземления будет эффективна в любое время, если штырь вбит на значительную глубину. Отличные результаты получаются, когда штырь достигает уровня воды.

Рис. 3 Сезонные изменения сопротивления заземления водопроводной трубы диаметром 3/4 дюйма в каменистом грунте. Кривая 1 - заглубление трубы 3 фута, кривая 2 - 10 футов.

В некоторых случаях удельное сопротивление грунта настолько велико, что для получения низкого сопротивления заземления требуется сложное устройство и значительные затраты. В этих случаях оказывается более экономичным использовать заземленный штырь небольших размеров и снижать сопротивление заземления, периодически повышая содержание растворимых веществ в почве вокруг электрода. Таблица 4 показывает существенное уменьшение сопротивления песчаного суглинка при увеличении содержания в нем соли.

Таблица 4

Влияние содержания соли в грунте на его удельное сопротивление(Песчаный суглинок, содержание воды 15% от веса, температура 17°С)
Количество добавленной соли (% от веса воды)	Удельное сопротивление (Ом-сантиметров)
0 0,1 1,0 5 10 20	10700 1800 460 190 130 120

В табл. 5 показана зависимость удельного сопротивления грунта, пропитанного раствором соли, от температуры. Конечно, если используется пропитка грунта соляным раствором, штырь заземления должен быть защищен от химической коррозии.

Таблица 5

Влияние температуры на удельное сопротивление грунта, содержащего соль (Песчаный суглинок, 20% воды, 5% соли от веса воды)
Температура, °С	Удельное сопротивление, Ом·см
20 10 0 - 5 - 13	110 142 90 312 440

ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ ЭЛЕТРОДА НА СОПРОТИВЛЕНИЕ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Для получения заданного сопротивления устройства заземления, можно воспользоваться так называемой Номограммой заземления. Она показывает, что для получения сопротивления заземления 20 Ом на грунте с удельным сопротивлением 10000 Ом-сантиметров, потребуется заглубить на 20 футов штырь диаметром 5/8дюймов.

Работа с Номограммой заземления

1. Выберите необходимое сопротивление по шкале R.

2. Отметьте на шкале Р точку удельного сопротивления грунта.

3. Проведите прямую линию через точки на шкале R и Р до шкалы K.

4. Отметьте точку на шкале K.

5. Выберите диаметр штыря и проведите прямую линию до шкалы D через точки на шкале DIA и на шкале K.

6. Пересечение этой прямой с линией шкалы D покажет величину заглубления штыря, необходимую для того, чтобы обеспечить выбранное вначале сопротивление заземления.

Рис. 4. Номограмма для расчета заземления в виде штыря

ЗНАЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Естественно один электрод в виде штыря, трубы или пластины не обеспечит сопротивление равное или меньшее, чем 4 Ом, необходимо применить дополнительно группу штырей, труб или пластин. Где бы ни устанавливалась группа штырей, труб или пластин, Вставка расстояние между ними не менее 1,8 м.

Низкое сопротивление заземления обеспечивает большую защиту персонала и оборудования. Поэтому стоит стремиться сделать его меньше одного Ом.

В сетях электропитания или на узлах связи часто приемлемым значением считается 4 Ом. Если в сетях электроосвещения применяется громоотвод, то он должен подключаться к цепи заземления с сопротивлением не больше одного Ом?

Для измерения сопротивления заземления требуется специальные приборы. Большинство из них используют принцип падения потенциала, созданного переменным током (AC - alternative current) протекающим между вспомогательным и проверяемым электродом. Измерение проводится в омах и показывает сопротивление между заземленным электродом и окружающей его землей. В числе приборов недавно появились измерители сопротивления заземления, применяющие клещи тока.

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ

(Принцип падения потенциала, 3-точечная схема.)

Вольтметром измеряется напряжение между штырями X и Y и амперметром - ток, протекающий между штырями X и Z (см. рис. 5).

Рисунок 5

(Заметьте, что точки X,Y и Z соответствуют точкам X,P и C прибора, работающего по 3-точечной схеме или точкам С1,Р2 и С2 прибора, работающего по 4-точечной схеме.)

Пользуясь формулами закона Ома E = R I или R = E / I, мы можем определить сопротивление заземления электрода R. Например, если

Е = 20 В и I = 1 А, то:

R = E / I = 20 / 1 = 20 Ом

При использовании тестера заземления не потребуется производить эти вычисления. Прибор сам сгенерирует необходимый для измерения ток и прямо покажет значение сопротивления заземления.

ПОЛОЖЕНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ПРИ ИЗМЕРЕНИИ

Для точного измерения сопротивления заземления размещать вспомогательный электрод тока Z достаточно далеко от измеряемого электрода для того, чтобы потенциал на вспомогательном электроде напряжения Y измерялся за пределами зон эффективного сопротивления как проверяемого электрода X, так и вспомогательного электрода тока Z. Наилучшим способом проверить, находится ли электрод за пределами зон эффективного сопротивления остальных электродов, будет проводить измерения, меняя его местоположение. Если вспомогательный электрод напряжения Y находится в зоне эффективного сопротивления одного из остальных электродов (или одновременно в обеих зонах, если зоны перекрываются), то при смене его местоположения показания прибора будут значительно меняться и в этом случае нельзя точно определить сопротивление заземления (см. рис 6).

Рисунок 6.



Рисунок 7

С другой стороны, если вспомогательный электрод напряжения Y расположен за пределами зон эффективного сопротивления (рис. 7), то при его перемещении показания будут изменяться незначительно. Это и есть наилучшая оценка сопротивления заземления электрода Х. Результаты измерения лучше изобразить на графике, чтобы убедиться, что они находятся на почти горизонтальном участке кривой, как показано на рис.7. Часто расстояние от этого участка до проверяемого электрода равно приблизительно 62% расстояния от вспомогательного электрода тока до проверяемого электрода.

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕННОГО ЭЛЕКТРОДА (Метод 62-х процентов)

Метод 62% был принят после изучения графиков и практических проверок. Этот метод обеспечивает наибольшую точность при условии однородности грунта.

Этот метод применяется, если проверяемое устройство заземления и два вспомогательных электрода можно расположить в линию и когда проверяемое устройство заземления состоит из одного штыря, одной трубы , одной пластины и т.п., как показано на рис. 8.

Рисунок 8

На рис. 9 показано, что зоны эффективного сопротивления (группа концентрических поверхностей вокруг штырей) проверяемого электрода Х и вспомогательного электрода тока Z перекрываются. Если переместить электрод потенциала Y по направлению к электроду Х или Z и повторить измерение, то показания будут сильно различаться и измеренное значение будет неприемлемо далеко от истинного сопротивления заземления. Области эффективного сопротивления пересекаются и это приводит к тому, что измеренное значение сопротивления возрастает по мере удаления электрода Х от проверяемого электрода Y.

Рисунок 9

Теперь рассмотрим рисунок 10, на котором электроды Х и Z удалены на расстояние достаточное, чтобы зоны эффективного сопротивления электродов не пересекались. Если мы теперь построим график сопротивления в зависимости от расстояния между электродами X и Y, мы увидим, что разница между сопротивлением слева и справа от точки 62% (относительное расстояние от Y Х) приемлемо мала. Обычно эта разница измеряется в процентах от измеренной величины: ± 2%, ± 5%, ± 10% и т.д.

Рисунок 10

УДАЛЕННОСТЬ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА

Нельзя назвать одно на все случаи значение расстояния от вспомогательного электрода тока Z до проверяемого электрода Х, поскольку оно зависит от длины и диаметра проверяемого электрода, однородности грунта и, особенно, от размеров эффективных областей сопротивления электродов. Однако, в данном параграфе дано приблизительное значение этого расстояния для электрода диаметром 1 дюйм при однородном грунте (для диаметра ? дюйма уменьшите расстояние на 10%, для диаметра 2 дюйма увеличьте расстояние на 10%).

Таблица 6

Приблизительное расстояние до вспомогательных электродов для метода 62%
Глубина заземления проверяемого электрода, футов	Расстояние до электрода Y, футов	Расстояние до электрода Z, футов
6 8 10 12 18 20 30	45 50 55 60 71 74 86	72 80 88 96 115 120 140

ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ПРОВОДНИКА ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Проводимость проводника заземления можно измерить, включив его между двумя входами измерительного прибора (см. рис. 11).

Рисунок 11

ДВУХТОЧЕЧНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ (Упрощенный метод)

Этот альтернативный способ применяется , когда доступно другое очень хорошее заземление, кроме измеряемого.

В густонаселенных районах, где трудно найти места для установки двух вспомогательных электродов, можно применить двухточечный метод. Измерение показывает сопротивлению двух устройств заземления, включенных последовательно. Поэтому второе заземление должно быть очень хорошим, настолько, чтобы его сопротивлением можно было пренебречь. Необходимо, также, измерить сопротивление провода и вычесть его из полученного измерения.

Двухточечный метод не такой точный, как 3-точечный метод (метод 62%), поскольку зависит от расстояния между измеряемым электродом и вспомогательным заземлением (неиспользуемое заземление или водопроводная труба). Этот метод нельзя использовать как стандартный. Скорее, - это выход из положения в густонаселенных районах (см. рис. 12).



Рисунок 12

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГРУНТА (4-точечный метод)

Сопротивление грунта непосредственно влияет на конструкцию устройств заземления. И именно поэтому здесь обсуждается вопрос о сопротивлении грунта. При разработке систем заземления большого размера, разумно определить области наименьшего сопротивления грунта, чтобы сконструировать наиболее экономичную установку.

Измерять сопротивление можно двумя методами: двухточечным или 3-точечным. Двухточечный метод заключается просто в измерении сопротивления между двумя точками. В большинстве случаев наиболее точным является 4-точечный метод, который применен в тестере заземления модели 4500.

Как следует из названия, 4-точечный метод (см рис. 19 и 20 ниже) на измеряемом участке требуется установить в линию четыре равноудаленных электрода. Между крайними электродами протекает ток известной величины, созданный генератором тока. Между внутренними электродами измеряется падение напряжения. Модель 4500 показывает непосредственно значение сопротивления в омах:

с= 4AR/ (1+2A/(A2+4B2) -2A/(4A2+4B2))

А - расстояние между электродами в см;

В - глубина заземления электродов в см.

Если А > 20 В, то формула такова:

с= 2AR (если А - в см)

с= 191,5AR (если А - в футах)

с= Сопротивление грунта (в Ом·см)

Это значение есть среднее удельное сопротивление грунта на глубине равной расстоянию А между электродами.

ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИКОСНОВЕНИЯ

Первой причиной для измерения напряжения прикосновения является необходимость оценить безопасность персонала и защиту оборудования от высокого напряжения. Однако, в некоторых случаях степень электрической безопасности можно оценивать с различных точек зрения.

Периодические измерения сопротивления устройства заземления в виде электрода или решетки электродов рекомендуются в следующих случаях:

1. Когда устройство заземления в виде электрода или решетки относительно мало и его удобно отключать.

2. Когда есть подозрение, что идет коррозия электрода, вызванная низким сопротивлением грунта и гальваническими процессами.

3. Когда пробой на землю поблизости от проверяемого устройства заземления маловероятен.

Измерение напряжения прикосновения является альтернативным способом определения безопасности. Он рекомендуется в следующих случаях:

1. Когда невозможно физически или по экономическим соображениям отключать заземление для того, чтобы произвести измерение.

2. Когда можно ожидать пробоев на землю рядом с проверяемым заземлением или рядом с оборудованием, которое подключено к проверяемому заземлению.

3. Когда “след” оборудования сравним с размером заземления, которое подлежит проверке. ( “След” - контур той части оборудования, которая соприкасается с землей.)

Ни измерение сопротивления заземления методом падения потенциала, ни измерение напряжения прикосновения не говорят о способности проводника заземления выдержать большие токи утечки с проводника фазы на проводник заземления. Требуется другой тест с использованием большого тока для того, чтобы это проверить.

Для измерения напряжения прикосновения применяется 4-точеный тестер заземления. В процессе измерения прибор генерирует в земле небольшое напряжение, имитирующее напряжение неисправности неподалеку от проверяемой точки на земле. Прибор показывает значение в вольтах на ампер тока, протекающего при этом в цепи заземления. Отображенное на экране значение затем умножается на максимальную величину тока, ожидаемого в земле, чтобы вычислить напряжение прикосновения данной установки для худшего случая.

Например, если при проверке системы с максимальным ожидаемым током неисправности 5000 А, прибор показал значение 0,100, то напряжение прикосновения будет равно 500 В.

Измерение напряжения прикосновения похоже на метод падения потенциала тем, что так же требует установки вспомогательных электродов в землю или на ее поверхность. Но расстояние между вспомогательными электродами будет другое - см. рис. 13.

Рисунок 13

Рассмотрим следующий пример. Пусть изоляция изображенного на рисунке подземного кабеля была пробита недалеко от изображенной подстанции. В земле появятся токи, вызванные аварией, которые потекут к устройству заземления подстанции, создавая разность потенциалов. Это напряжение может быть опасным для здоровья, и даже жизни, персонала, который находится на данном участке земли.

Чтобы приблизительно измерить напряжение прикосновения для данной ситуации, выполните следующие действия. Включите кабели между ограждением подстанции и точками С1 и Р1 4-точечного тестера заземления. Установите электрод в земле в точке,. где можно ожидать пробой кабеля и подключите электрод к выводу С2 прибора. Установите в землю еще один электрод на линии между первым электродом и точкой подключения к ограждению на расстоянии одного метра (или вытянутой руки) от места подключения к ограждению и подключите этот электрод к точке Р2 прибора. Включите прибор, выберите диапазон 10 мА и снимите измерение. Умножьте его на максимально возможный в случае аварии ток.

Устанавливая электрод, подключенный к выводу Р2 прибора, в различные места вокруг ограждения, примыкающие к неисправной линии, можно получить карту изменения потенциала.

ИЗМЕРЕНИЕ ПРИБОРОМ С.А 6415 C ПРИМЕНЕНИЕМ ТОКОВЫХ КЛЕЩЕЙ

Это новый уникальный метод измерения сопротивления заземления. Он позволяет проводить измерение без отключения цепи заземления. Кроме того, преимущество метода в том, что он позволяет измерять общее сопротивление устройства заземления, включая сопротивление соединений в цепи заземления.

ПРИНЦИП РАБОТЫ

Рисунок 14	Рисунок 15

Обычно, проводник заземления электросети общего назначения можно представить схемой, показанной на рис. 14 или эквивалентной схемой, показанной на рис. 15. Если в какой-нибудь ветви с сопротивлением RX с помощью трансформатора создать напряжение E, через цепь потечет ток I .

Описанные величины связаны соотношением

E / I = RX.

При известном неизменном напряжении Е сопротивление RX можно получить, измерив ток I.

Обратимся снова к рис. 14 и 15. Ток создается специальным трансформатором, подключенным к через усилитель мощности к источнику напряжения с постоянной амплитудой и частотой 1,6 кГц. Этот ток регистрируется в образующемся контуре. Измеряемый сигнал регистрируется синхронным детектором, усиливается избирательным усилителем, преобразуется аналогово-цифровым преобразователем и отображается на ЖК-дисплее.

Избирательный усилитель применяется для очищения полезного сигнала от сигналов с частотой сети и от высокочастотных шумов. Напряжение регистрируется катушками, охватывающими проводник в возбуждаемом контуре, затем усиливается и очищается, когда сравнивается в компараторе с опорным сигналом. Если клещи тока неправильно закрыты, на дисплее появляется сообщение “open jaws” (“клещи открыты”).

ПРИМЕРЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Снимите защитную крышку с провода заземления и обеспечьте достаточно свободного места для захвата проводника клещами тока. Клещи должны свободно охватывать проводник заземления. Клещами можно захватить и непосредственно штырь заземления.

Примечание: клещи должны находиться на электрическом пути от нейтрали системы или проводника заземления к штырю или штырям (в зависимости от исполнения)

Выберите измерение тока “А”. Захватите клещами проводник заземления и измерьте ток в проводнике. Максимальное значение равно 30 А. Если значение тока превышает 30 А, измерение сопротивления заземления невозможно. Прекратите измерение. Снимите прибор С.А 6415 с данной точки и продолжите измерение в других точках.

Если измеренный в цепи заземления ток не превышает допустимого, выберите режим “?” прибора и прочитайте результат измерения в омах. Измеренное значение соответствует не только сопротивлению системы заземления, но и включает сопротивление контакта нейтрали со штырем и всех соединений между нейтралью и штырем.

Примечание: большое значение сопротивления может быть вызвано:

А) плохим заземлением штыря;

Б) отключенным проводником заземления;

В) большим сопротивлением контактов или мест сращивания проводника; осмотрите клещи, соединение на конце штыря, нет ли заглублённых трещин на стыках.

Рисунок 16

Во многих случаях, наилучшее измерение можно получить при помощи клещей 3710 или 3730, подключенных непосредственно к заземленному штырю. При этом измеряется исключительно сопротивление устройства заземления. Подключайте клещи только в той точке, где имеется единственный путь для тока, текущего в нейтраль.