Импульсный метод измерения заземляющих устройств в вопросах и ответах

Введение

Заземление является обязательным элементом любой электрической установки, независимо от величины номинального напряжения. Безопасность людей, контактирующих с устройствами, питающимися от электрической энергии, зависит от исправности системы заземления. Не менее важным является правильное функционирование электрооборудования, что невозможно без эффективной системы заземления. Защита имущества от воздействия атмосферных грозовых разрядов также реализуется путем устройства системы заземления – молниезащиты.

При возникновении нежелательного явления (короткое замыкание или разряд молнии) через заземление проходит ток, характер которого зависит от того, что вызвало появление этого тока.

Одни явления происходят в сети, когда через нее проходит ток короткого замыкания частотой 50 Гц и совершенно другие, когда это кратковременный импульс с очень высокой частотой (разряд молнии).

Цель проверки заземления - определить, имеет ли оно настолько маленькое сопротивление (конкретно измерить его значение), чтобы иметь возможность эффективно отвести проходящий ток и защитить от поражения людей или животных, которые оказались в опасной зоне. Испытание должно быть проведено таким образом, чтобы оно могло смоделировать условия, которые ожидаются в ходе развития таких нежелательных ситуаций.

Вопрос 1. Каковы преимущества импульсного метода по сравнению с классическим (техническим)?

Заданный вопрос необходимо переформулировать таким образом, чтобы ответить точнее: когда следует применить технический метод, а когда импульсный. Потому что, по сути, выбор метода измерения в этом случае определяет характер тестируемого заземления, а не качество метода. Следовательно, сопротивление рабочего или защитного заземления измеряется техническим методом, а молниезащита испытывается импульсным методом.

Из-за своих особенностей, импульсный метод иногда используется там, где это нежелательно, при обширной системе заземления, измеряя вместо результирующего сопротивления только локальное значение (в непосредственной близости от места присоединения измерительного прибора), если конструкция системы заземления не дает возможности отключить контрольные соединения или использовать технический метод с измерительными клещами. В качестве примера может послужить высоковольтная линия электропередач. Мы хотим измерить значение сопротивления заземления конкретного столба, а не итоговую величину заземлений опор по всей линии, причем без разрыва контрольных соединений (отключения общего грозотроса) и не снимая напряжение с ЛЭП. Можно это сделать, используя импульсный метод, поскольку измерительный ток будет протекать только в ограниченной области - в месте, на котором находится исследуемый столб, так как наличие импеданса (его составляющие и волновые явления, скин-эффект и т.д.) приводит к тому, что остальная часть высоковольтной линии, будет как бы "невидима" для измерительной цепи. Рассматривая с этой точки зрения, можно попытаться дать ответ на поставленный вопрос, который будет звучать: преимуществом импульсного метода является возможность измерения сопротивления заземления в сложных системах без их отключения. Иногда применение импульсного метода требуют внутренние правила. Это касается взрывоопасных зон, станций заправки сжиженного газа и т. д.

Объяснение.

Этот вопрос слишком важен, чтобы оставить его с таким лаконичным объяснением. Как уже упоминалось выше, ответом должен стать правильный выбор метода измерения. Поэтому необходимо изучить и сравнить между собой наиболее важные характеристики для каждого конкретного метода. Понимание их принципов будет основой для правильного использования на практике.

Методы измерения 3p, 4p и 3p с клещами – это тот же самый технический метод в различных вариантах.

Технический метод широко известен и повсеместно применяется. Он заключается в измерении падения напряжения на сопротивлении тестируемого заземления. Физика процесса достаточна проста: измерить ток, напряжение и можно вычислить сопротивление. В принципе, самым важным условием или, вернее, требованием является правильное размещение зонда, с помощью которого измеряется падение напряжение на тестируемом заземлении, в месте нулевого потенциала.

Если сопротивление зонда E, как на рисунке, будет состоять из многих элементов, то мы «увидим» параллельное соединение сопротивлений и измерим его результирующее значение. Измерение с клещами – это тот же технический метод, только ток, который мы используем для расчета сопротивления, измеряется для конкретного элемента заземления. Частота тока здесь 125 Гц (для сетей с номинальной частотой 50 Гц).

Качество заземления, независимо от метода, который используется для измерения, определяется, прежде всего, удельным сопротивлением грунта.

С импульсным методом дело обстоит немного иначе, хотя для расчета сопротивления, также используется ток и падение напряжения. Различия между статическими и импульсными характеристиками заземления, в принципе, вытекают из двух основных особенностей разряда молнии:
а) очень короткое время протекания тока и
б) очень большие значения силы тока.

Тестируя заземлитель импульсным методом, мы не в состоянии генерировать большие токи. Измеритель MRU-200 или MRU-200-GPS может выдать максимально 1 A. Поэтому при измерении заземления с помощью прибора с импульсным методом, пункт б) не учитывается. Однако это не является критической ошибкой и ее можно не учитывать. Объяснить это явление не так просто и без определенной технической подготовки его можно лаконично описать таким образом:

Большое значения тока (высокой частоты), возникающие во время разряда молнии, вызывают уменьшение сопротивления грунта.

К этому явлению стоит присмотреться более внимательно. Если представить указанную область грунта, как электрическую цепь, к которой приложено напряжение значительно более высокой частоты (чем 50 Гц или 150 Гц), то и сила, вызванная эффектом релаксации и тормозящая движение ионов, значительно уменьшится. Проводимость раствора на больших частотах намного больше, чем на малых частотах. Это явление называется дисперсией проводимости или эффектом Дебая — Фалькенгагена (англ. Dobye-Falkenhagena).

Импульсная характеристика для различных видов грунта (в момент возникновения пика тока) зависит, прежде всего, от длительности фронта импульса и удельного сопротивления грунта, измеренного по статическому методу. Увеличение длительности фронта волнового импульса, вызывает значительное изменение сопротивления (при прохождении) для мокрых грунтов. Для сухой почвы увеличение длительности фронта оказывает незначительное влияние на импульсное сопротивление.

Необходимо также добавить, что при таком большом токе, напряженность электрического поля достигает предельных значений, при которых возникают местные разряды (микро-замыкания), снижающие удельное сопротивление грунта, и, как следствие, сопротивление заземления. В хорошо проводящих грунтах это явление имеет меньшее значение.

Независимо от того, как мы назовем эти явления, происходящие вследствие пункта б), они вызывают уменьшение значения сопротивления заземления.

Сравнение статического и импульсного методов

Очень короткое время протекания тока (высокая частота) вызывает увеличение импульсного сопротивления по сравнению с техническим методом.

Это связано с тем, что изменение силы тока при воздействии импульса происходит во много раз быстрее того, которое наступает при статическом методе. Индуктивность заземления не имеет большого значения для протекания тока частоты промышленной сети или частоты при измерении (125 Гц, 128 Гц), однако для импульсного тока – это один из ключевых элементов, влияющих на величину динамического сопротивления (собственно, уже импеданса) заземления. Падение напряжения на сопротивлении измеряемого заземлителя, через который проходит импульсный ток, в результате имеющейся индуктивности, может быть очень большим. Поэтому, другие элементы системы заземления имеют меньшее или вообще не оказывают никакого влияния (если они расположены очень далеко) на результирующее сопротивление заземление. Это происходит потому, что на этих далеких элементах системы заземления во время импульса возникает небольшой потенциал и они не принимают участия в процессе распределения токов. На самом деле, разумеется, они принимают участие, но в минимальной степени, во много раз меньше, чем элементы заземления, которые расположены рядом с местом подключения измерителя ("входа тока в цепь").

На рисунке представлена модель проводника заземления для разряда молнии. Наибольшее участие в отводе тока молнии в землю берет на себя начальная часть заземлителя. Реактивная индуктивность проводника приводит к тому, что другие части заземления имеют меньшее влияние на отвод тока молнии.

Подводя итог - описанные выше явления, в результате, увеличивают сопротивление заземления. Насколько будет большим этот рост напрямую зависит от:

• Скорости изменения интенсивности импульсного тока (его формы).



• Длины или обширности системы заземления.
• Удельного сопротивления грунта.

Динамический импеданс рассчитывается как отношение одновременных мгновенных значений тока и напряжения, хотя они и не происходят одновременно.

Но не все так просто. Поскольку в большинстве случаев импульсное сопротивление больше, это не значит, что это происходит всегда. Для обширных систем заземления, в принципе, можно принять это за стандарт. Однако для одиночных заземлителей (штырь в несколько метров) для импульса 10/350 результаты для технического и импульсного метода будут близки или даже такие же. В нестандартных условиях (короткие полосы, расположенные неглубоко в земле) импульсный метод может дать результат ниже, чем технический метод.

Не следует удивляться тому, что результат измерения импульсным методом может быть ниже, выше или такой же, как при использовании технического метода. Это зависит от площади, занимаемой системой заземления и удельного сопротивления грунта вблизи заземлителя. Важно уметь сделать правильные выводы и оценить результат.

Вопрос 2. Должно ли дать измерение импульсным методом такой же результат, как и измерения другими методами?

Нет. Результат для импульсного метода может быть другой. Описанные свойства такого метода измерения допускают существование трех возможных исходов. В большинстве случаев, и, конечно, для сложных или обширных систем заземления, измерения импульсным методом дадут в результате большее значение сопротивления (импеданса), чем выполненные классическим методом. Также могут получиться результаты такие же или даже сопротивление окажется меньше. Все зависит от площади заземляющего устройства, его геометрии и удельного сопротивления грунта. Для одиночного заземлителя и большого времени нарастания и спада импульса, результаты обоих методов могут быть одинаковыми. При заземлениях очень мало заглубленных в почву, коротких и при соответствующем удельном сопротивлении грунта, импульсный метод может показать результат меньше, чем технический метод.

Вопрос 3. На выбор доступны различные формы импульса, которые дают различные результаты измерения, на каком основании выбрать «правильный»?

Выбор конкретной формы измерительного сигнала определяется характером измеряемого заземления и местом измерения. На выбор есть три формы измерительного импульса. Каждый из них отражает некоторые явления, возникающие в заземлении во время грозы (два из них - это удар молнии):
10/350 – такую форму импульса будет иметь ток, протекающий в результате разряда молнии, прямо попавшей в тестируемую систему заземления.
8/20 – эта форма соответствует току, который индуктивно наведется в системе заземления в результате разряда молнии, которая не попала непосредственно в тестируемую систему заземления.
4/10 – более высокая частота импульса, приводящая к еще большему уменьшению рассеивающей области заземления, которая участвует в отводе энергии измерительного импульса. Применяется в энергетике при измерении заземления столбов. Ранее проводились тесты с импульсом 1/4. Однако, при такой огромной частоте невозможно сохранить стабильность измерения и использование этой формы прекращено. Описанные ранее явления, определяющие особенности импульсного метода измерения объясняют, почему при увеличении частоты измерительного импульса результаты выше, чем для более низких частот. Используя эти зависимости можно провести сравнительное исследование и проверить, как для указанных параметров изменяется значение импеданса. Импульсы 8/20 и 10/350 упомянуты в стандарте PN-EN 62305.

Вопрос 4. По какой причине при импульсном методе допустимое сопротивление вспомогательных зондов такое низкое по сравнению с техническим методом?

Максимальное значение сопротивления вспомогательных зондов строго определено особенностями метода измерения. Речь идет о мощности, которая вносится в измерительную систему. Максимальное напряжение импульса 1,5 кВ, а ток 1 A. Невозможно выполнить измерение при этих параметрах, если зонды будут иметь такое же сопротивление, как для технического метода: до 40 кОм (50 кОм) при напряжении 50 В (25 В) и токе в цепи порядка миллиампер. Таким образом, ограничение вытекает непосредственно из того факта, что импульсный метод измерения должен иметь более высокое напряжение и больший ток.

Вопрос 5. При использовании импульсного метода необходимо выдерживать угол 60-90 градусов между измерительными проводами (в целях сохранения достаточного расстояния между ними) и полностью размотать их с катушек. Как выполнять измерения этим методом в условиях ограниченного пространства? Можно ли применить короткие провода, какая длина минимально допустимая? Допустимо ли располагать измерительные провода не по прямой линии?

Любой метод измерения, независимо от измеряемых величин, имеет особенности, которые определяют его правильный способ применения.

Однозначное объяснение этому вопросу дать не так просто. Это следует из-за большого числа переменных факторов, которые возникают во время измерения. Ограниченное пространство может иногда помешать провести измерения данным методом (не только импульсным, но также и техническим). Длина измерительных проводов такая, потому что по статистике, имея провода 25 м и 50 м, в большинстве случаев можно успешно выполнить измерения. Конечно, как показывает практика, бывают ситуации, когда нужно соединять друг с другом катушки провода для получения большей длины измерительных проводников. При измерении сопротивления заземления мачты ретранслятора на горе Сленжа (Польша), токовый зонд потребовалось отнести на расстояние примерно 400 м. Только тогда можно было сделать правильное измерение. Подобный пример есть и в Москве, когда прибором MRU-200 проводились работы на объекте Москва-сити. Потребовался провод длиной более 300 м.

То, какой длины могут быть самые короткие провода, зависит от места, в котором проводятся измерения, удельного сопротивления грунта, сопротивления зондов, а прежде всего, от сопротивления и геометрии тестируемого заземления. Для обычного заземления можно было бы уменьшить эти расстояния до 15/30 м, но тут внимание!!!: каждый такой случай требует отдельного рассмотрения.

Что касается угла между зондами. Из опыта известно, что в почти однородном грунте (песчаная почва, лесистая местность; на фото пример из практики – запорный клапан на газопроводе перекачивающей станции в Польше), увеличение угла до 160 градусов не повлияло на результат измерения. При углах между зондами от 60 до 160 градусов результаты были такие же. Предполагается, что увеличение угла даже до 180 градусов не повлияло бы на результат. Следует, однако, обратить внимание, что там не было никакой другой инфраструктуры, которая могла бы повлиять на измерение. Нужно избегать ситуаций, в которых угол будет меньше, чем 60 градусов Для того, чтобы обеспечить правильное выполнение измерений, необходимо придерживаться рекомендаций производителя!!!

В принципе, всегда замеры заземления требуют творческого подхода. Удельное сопротивление грунта в лесных районах очень высокое. Чтобы получить требуемое сопротивление вспомогательных зондов пришлось вбить вертикальные элементы заземления Galmar на глубину 7 м и использовать их в качестве зондов. Они там остались навсегда. Угол между зондами получился вынужденным из-за узкой полосы участка. Фотографии иллюстрируютт вышеупомянутую ситуацию.

Вопрос 6. Желательно расположить измерительные проводники перпендикулярно к проводам высоковольтной ЛЭП (для устранения индукции), на опоре которой проводятся измерения? Или это не имеет значения?

Да, желательно расположить измерительные провода перпендикулярно линии электропередач, поскольку сложно оценить, как сильно в такой ситуации электрическое поле будет влиять на результат измерения импульсным методом (токовый провод экранирован и частота измерения во много раз больше, чем 50 Гц). Безусловно, будет влияние поля при измерениях техническим методом. Отсюда по аналогии лучше, если это возможно, исключить ненужные явления, которые могут потенциально иметь влияние на результат измерения.

Вопрос 7. Поставляемые SONEL стандартные вспомогательные зонды выполнены из того же материала, что и 80 см зонд?

Да. Зонды изготовлены из оцинкованной стали 45, 45H (PL). По стандарту ЕС - это 41Cr4 и C45.

Вопрос 8. Где находит применение измерение сопротивления импульсным методом?

Основное применение: импульсный метод используется там, где измеряется сопротивление заземления молниезащиты.

Бывает, что импульсный метод также требуется при измерениях по некоторым внутренним правилам предприятий или учреждений. Как правило: проверка заземлений во взрывоопасных зонах, на АЗС и газовых заправках, хранилищах и местах добычи нефти/газа.

Возможно также использование импульсного метода для выполнения измерений там, где нельзя разъединить контрольные соединения в многоэлементных сложных системах заземления. Но человек, выполняющий измерения, должен быть знаком с описанными выше явлениями, происходящими во время измерения.

Что касается второй части вопроса, то, описывая импульсный метод, всегда имеем в виду импеданс (Z). Обычно употребляемое слово «сопротивление» в этом случае является ошибочным. Это происходит из-за явлений, возникающих во время протекания тока импульса высокой частоты через заземление. Поскольку измерение системы молниезащиты учитывает реактивные компоненты (индуктивность и емкость заземления), существенно влияющие на распределение тока молнии, а импульсный характер разряда молнии приводит к тому, что для распределения тока важным становится учет влияния индуктивного сопротивления тестируемого заземлителя, мы должны говорить о полном сопротивлении. Иногда, также в обиходе, но более логично, результат измерения называют импульсным или динамическим сопротивлением. Правильно – это полное сопротивление (импеданс).

Если речь идет о корреляции между статическим сопротивлением и импедансом заземления, то ее описывает формула:

Ru=R*α
Где: R – статическое сопротивление α – импульсный коэффициент.

Импульсный коэффициент принимает значения в диапазоне от 0,2 до 1,2, зависимости от удельного сопротивления грунта, крутизны импульса, физических размеров заземления, пикового значения тока.

Вопрос 10. Замеры опор высоковольтных ЛЭП выполняются методом 3P во время нормальной работы линии электропередачи – есть ли для этого какие-то рациональные противопоказания?

Нет. Никаких противопоказаний нет. Но имейте в виду, что в этом случае мы измеряем!!!

На самом деле, вся процедура измерения зависит от того, что вы хотите измерить. Если проводят измерения опор высоковольтных ЛЭП методом 3p и под напряжением, то здесь нет ни ошибки, ни опасности – при условии, что сознательно хотят измерить равнодействующее сопротивление всей линии. Рассмотрим, о чем идет речь в этом измерении.

Измерения должны определить, удовлетворяет ли значение сопротивления заземления в случае возможной аварии (т.е. для защиты от поражения электрическим током) от атмосферных грозовых разрядов и, несомненно, для правильного функционирования линии электропередачи.

Начиная с конца. Правильное функционирование системы, в принципе, обеспечит сопротивление, которое является результирующим параллельного соединения всех заземлений в этой линии. Это значит, что метод измерения 3p при таких обстоятельствах дает возможность правильно оценить заземление. Однако безопасность во время аварии обеспечивает местное заземление (металлического столба в качестве элемента, составляющего заземление). Даже при полностью разрушенном заземлении столба метод 3p покажет очень хорошее сопротивление. Правильный замер должен учитывать только местное заземление, поэтому необходимо применение импульсный метод, который сразу решит проблему молниезащиты.