Земно съпротивление и съпротивление на заземяване

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1, 2013

Земно съпротивление и съпротивление на заземяванеЗемно съпротивление и съпротивление на заземяванеЗемно съпротивление и съпротивление на заземяванеЗемно съпротивление и съпротивление на заземяванеЗемно съпротивление и съпротивление на заземяванеЗемно съпротивление и съпротивление на заземяване

Измервателни методи и уреди за измерване


   Заземяването се използва още от създаването на първите електрически инсталации, като представлява осигуряване по подходящ начин на електрическа връзка към земята на металните части на уредите (включително на металните стълбове на електропреносната мрежа), които при нормална работа не са свързани към електрическо напрежение. Основната цел на поставянето му е при допир по независимо каква причина на проводник под напрежение към замасена част да протече ток към земята и съответният предпазител да изключи напрежението. В противен случай незамасената част остава под напрежение, което създава опасност за хора и животни при докосването й. Използваното у нас зануляване на електрическите уреди в действителност е заземяване, тъй като нулевият проводник на мрежата е свързан към земята на подходящо място (Earth Grounding). При липса на заземяване на трансформаторните подстанции може да се получи значителна нестабилност на мрежовото напрежение. Особено важно е доброто заземяване на ефективното действие на мълниезащитните системи – при попадение на мълния през заземяването може да протече ток до стотина kA, който при лошо негово изпълнение да предизвика пожар.

За компютрите, комуникационните устройства и множество съвременни електроуреди (например микровълнови печки, електролуминесцентни лампи и др.) заземяването има втора, не по-малко важна роля. Поради естеството на своята работа те създават електрически смущения, които при липса на заземяване могат да повлияят на други подобни устройства. Същото се отнася и за попадане на електростатични заряди върху металните части.

За качественото заземяване еднакво важно значение има малкото електрическо съпротивление на всички части на връзката към земята (това е съпротивлението на заземяване) и електрическото съпротивление на почвата (земно съпротивление).

Земно съпротивление
Необходимост от измерване и същност. Логичното основно изискване на системите за заземяване е да имат минимално електрическо съпротивление, което реално представлява сумата от съпротивлението на заземяване и земното съпротивление. Последното обаче има важно значение и в две други области – геологията (например откриване на залежи от руда и определяне на дебелината на скални пластове) и в оценка на сигурността на подземни метални тръбопроводи (намаляването на земното съпротивление е предпоставка за по-бърза корозия). Прието е да се работи със специфичното съпротивление (Soil Resistivity) r, което е на куб със страна 1 m (мерна единица Wm) или 1 cm (мерна единица Wcm). Неговата стойност варира в широки граници (типично между 2 Wm и 10 kWm, но на някои скали достига 10 MWm) в зависимост от вида на почвата, съдържанието на влага в нея, температурата й и съдържанието на вещества със свойства на електролити (някои минерали и соли). Например намаляването на относителната влажност от 10% на 2,5% води до понижаване 5 пъти на r, увеличаването на температурата на почвата от
0 °С на 20 °С намалява r 2 пъти, а нарастването на съдържанието на соли от 0% на 1% предизвиква намаляване на r 20 пъти. Поради това при измерване на r задължително трябва да се взима предвид моментното състояние на почвата.

Методи за измерване. Най-масово разпространен е методът на Венер (Wenner), тъй като чрез него най-точно се определя r на земята. При него се използват 4 еднакви кръгли електрода (измерителни пръти), които се разполагат в права линия на едната страна на участъка, чието r трябва да се измери. Разстоянието А между тях (фиг. 1а) е равно на дълбочината, до която трябва да се измери r, като се препоръчва А да започва от 2,5 cm без горна граница, а всяка следваща стойност е около 1,5 пъти по-голяма от предната. Използваните електроди най-често са с дължина 2,5-3 m. Според някои производители на измервателно оборудване електродите се забиват на дълбочина не по-голяма от 0,1 А за двата крайни и 0,3 А за средните. При еднаква дълбочина на четирите електрода (което се препоръчва) стойността на r се изчислява по формула, давана в каталозите на оммерите. Според други производители дълбочината трябва да е не по-голяма от 0,05 А за всички електроди и затова е най-добре дълбочината да се избира в зависимост от указанията в каталога на използвания за измерване уред.

Първоначално електродите се поставят на едната страна на участъка, чието r ще се измерва (положение 1 на фиг. 1б), между двата външни електрода от оммера се подава неизменен ток с формата на двуполярни правоъгълни импулси (буксите за свързването им обикновено се означават с С1 и С2) и с него се измерва напрежението между двата вътрешни електрода (свързват се между буксите Р1 и Р2). Изборът на високочестотен или нискочестотен оммер (това определя честотата на подавания ток) зависи от А - при негови стойности до около 30 метра се препоръчват високочестотните. В резултат на свързването оммерът измерва съпротивление R1. След това електродите се поставят по същия начин на съседната перпендикулярна страна на участъка (2 на фиг. 1б) и се измерва съпротивление R2. Провеждат се още три аналогични измервания  с разположение на електродите 3, 4 и 5 на фиг. 1б, като се получават съпротивления R3, R4 и R5. При дълбочина на електродите до 0,05 А се изчислява r[Wcm] = 2pA[cm] x R[W], където R е средноаритметичната стойност на петте измерени съпротивления. Понякога за простота се правят само измервания 1, 2 и 5, но резултатът за r е малко по-неточен.

В случай че измерването на r е с цел реализиране на най-простото заземяване с един кръгъл електрод, дължината му и дълбочината на забиване в почвата се определят от номограми, предоставяни от производителя на измервателното оборудване. Твърде често обаче се получава много дълъг електрод, който трябва да бъде забит на голяма дълбочина. За избягване на това неудобство могат да се поставят няколко електрода с обща дължина, равна на изчислената, и разстояние помежду им два пъти по-голямо от тяхната дължина. Това обаче не дава автоматически стойността на желаното съпротивление на заземяване r, а по-голяма от нея. В много каталози на заземителни системи или в съответните приложни примери (Application Notes) към тях се дават подробности как да се постигне избраното r, което обикновено става чрез поставяне на един допълнителен електрод.

Както всяко измерване и описаното е свързано с грешки поради външни фактори. За намаляването им преди всичко трябва да се измерва r точно на участъка, където ще се постави заземлението. Две са основните причини за грешки - попадането на смущения във входовете на оммера и наличието на метални предмети (обикновено водопроводни тръби) в земята. За реално избягване на тяхното влияние трябва линията, по която са разположени електродите, да е успоредна на тръбите и на разстояние от тях не по-малко от А.

Обикновено производителите на специализирани оммери дават в упътванията им за работа начина на свързване на електродите, един пример за което е показан на фиг. 2.

Недостатък на метода на Венер е значителното време и усилия за извършването на измерванията, свързани с 3- и 5-кратното преместване на четирите електрода. При метода на Шлумбергер (Schlumberger) броят на преместванията е по-малък, тъй като за измерването на r на даден участък се налага само едно преместване на двата вътрешни електрода на 4 или 5 премествания на външните електроди. Поради това той се предпочита, когато трябва да се измерва r на няколко различни дълбочини в земята.

На фиг. 3а е дадено свързването на четирите електрода, които отново са разположени на една линия, но на различни разстояния. И в случая между външните електроди се пропуска неизменен ток и се измерва напрежението между вътрешните, като стойността на специфичното съпротивление на земята е r=0,5 pL2R/l, където R е измереното с оммера съпротивление, а L и l се виждат от фиг. 3а.
При затруднения от използването на описаните два метода може да се използва по-простият метод на трите електрода (Driven Rod Method, Three Probe Method, Three Pin Method) с разположение на електродите също по права линия, но с разстояния между тях и свързване, дадени на фиг. 3б. Специфичното съпротивление на участъка е r=2 plR/(ln(8l/d)), където l е дължината на левия електрод, намираща се в земята, а d се вижда от фиг. 3б.

Уреди за измерване (Soil Resistivity Tester). Масово използваното им наименование е заземителни тестери, като те представляват специализирани оммери, които трябва да осигуряват описаните методи за измерване, т. е. да определят съпротивлението на даден участък от земята между два измервателни електрода. Освен създаваният от самия прибор измервателен ток (в границите от няколко десети от mA до няколко mA) в земята текат много други токове – например поради заземените метални стълбове на електроразпределителните мрежи средно и високо напрежение, заземените трансформаторни подстанции, тези за захранване на трамваи, тролеи и електрифицирани железопътни трасета, на всякакви стационарни радиопредаватели и много други. Всички те създават сериозни смущения на входа на тестера за измерване на напрежението, които трябва практически да бъдат отстранени. Това налага поставянето в прибора на съответните блокове за филтриране, както и внимателен избор на подходящ прибор в зависимост от мястото, където ще се провеждат измерванията.

Споменатите високочестотни оммери се използват по-често, като осигуряват честота на импулсите типично 128 Hz или близки до нея стойности, но задължително различни от мрежовата честота и нейните хармоници. По-голямото им приложение се дължи главно на по-ниската цена, независимо че токът им, от своя страна, може да създава смущения. Последните реално не съществуват при нискочестотните оммери, тъй като импулсите на тока им са с честота между 0,5 Hz и 2 Hz. Резултатът от това е възможността за измерване на r на големи участъци, като разстоянието А между съседните електроди може да надхвърли 1 km. Цената им обаче е значително по-висока.

Тестерите се захранват с галванични батерии или акумулатори, като в последния случай често имат вграден блок за зареждане и индикатор за наличното количество електричество в акумулатора. Обикновено могат да определят r по всеки от трите описани метода и имат вграден блок за контрол на нивото на смущенията – когато те превишат определено ниво се получава алармен сигнал за спиране на измерванията. Съвременните тестери са с вградена памет (типичен обем няколко десетки КВ) за съхранение на данните обикновено от няколко стотици измервания, както и интерфейс за прехвърлянето им в компютър. Отчитането на измерваното съпротивление е в цифров вид на дисплей, като обхватът типично е от около 0,1 W до няколко десетки килоома и е разделен на няколко подобхвата. Съществуват и тестери, чийто обхват започва от 0,01 W. Поради споменатите смущения грешките при измерването обикновено са по-големи от тези на класическите оммери и мултимери – типичните стойности са няколко процента плюс 2-6 цифри от младшия разред на дисплея. Някои модели имат възможност за избор на няколко стойности на честотата на генерирания ток (например 94 Hz, 105 Hz, 111 Hz и 128 Hz) с цел свеждане до минимум влиянието на смущенията, който избор в немалко тестери се прави автоматично.

За разширяване на приложенията, към част от тестерите като опция се предлагат токови клещи, позволяващи използването им като ампермер с обхват от части от mA до 1-2 А. Други позволяват и измерване на променливо напрежение до няколко стотици волта, както и на честота между десетина Hz и няколко стотици Hz. Към тестерите производителите обикновено предлагат измервателни комплекти, съдържащи проводници с дължина няколко десетки метра за свързване на електродите към прибора, евентуално макари за навиването им, електроди (често наричани сонди) и дори (в някои случаи) чук за набиването им в земята.

Съпротивление на заземяване
То представлява съпротивлението между заземяваната електрическа верига, уред или съоръжение и земята, което в идеален случай трябва да е нула и се означава с Re  (Earth/Ground Resistance, Earthing/Grounding Resistance). Няма международно приети норми за неговата максимално допустима стойност, но някои национални организации в САЩ я приемат за 5 W, а други – за 25 W, като за телекомуникационни съоръжения обикновено се приема 5 W.

По своята същност Rе представлява последователно съединение на съпротивлението на заземителния проводник между съоръжението и мястото му на връзка с елемента на заземяване, съпротивлението на тази връзка, съпротивлението на самия елемент и съпротивлението между елемента и земята. Последното практически винаги е най-голямо и затова при определяне на Re понякога първите три се пренебрегват. Това обаче не означава, че те са без значение за безопасното функциониране на заземителната система, тъй като в много практически случаи върху макар и малкото им съпротивление може да се получи опасно голям пад на напрежение. Например електродвигател се захранва с напрежение 1,5 kV, към което е свързан с проводник със съпротивление 5 W, а корпусът му е заземен с проводник със съпротивление 10 W. Поради повреда захранващият проводник се допира до корпуса, при което през заземителния проводник протича ток 100 А и създава върху него напрежение 1 kV. Докосването в такъв случай на заземения корпус би било смъртоносно, т. е. заземителната система не изпълнява функциите си. Подобна опасност може да възникне и при попадане на статично електричество върху корпуса, например получено поради триенето на транспортна лента върху водещи метални валци. Тъй като максималният безопасен за човека ток през тялото му е 30 mA, дори при значително по-малки захранващи напрежения на заземеното съоръжение трябва съпротивлението на заземяване да е достатъчно ниско.

Елементи за заземяване. Важността на заземяването и разностранните му приложения са причина за съществуването на няколко вида елементи. Масово се използват метални пръти (често се наричат заземителен кол), независимо че първото им приложение е дело на Бенджамин Франклин в средата на 18-ти век. Съвременните пръти са от неръждаема стомана, студено или горещо поцинкована стомана (дебелина на покритието около 80 микрона), стомана с медно покритие с дебелина 0,1 - 0,2 mm и сравнително рядко медни (главно поради високата цена). Не се използват алуминиеви пръти. Целта на споменатите покрития не е за намаляване на съпротивлението на заземяване, а за предпазване на прътите от корозия, която силно увеличава Re. Полезно е да се имат предвид някои недостатъци на медта като покритие – при забиване на пръта в земята част от покритието може да бъде остъргано, а освен това поради естеството на стоманата и медта се получава процес на електролиза при протичане на ток през заземлението.

На фиг. 4а е показан типичен прът заедно със заземителния проводник и пръстена за връзка. С прекъснати линии е означена т.нар. сфера на влияние (Sphere of Influence) на пръта, в която при протичане на ток през него се получава по-голям потенциал. Обемът на сферата е V=5,24 L3, където L е дължината на частта от пръта в земята. Типичните стойности на последната са 1,5 – 3 m, като е установено, че нейното удвояване намалява Re с около 40%. Диаметърът на прътите се определя основно от гледна точка на тяхната здравина, обикновено е 15 – 20 mm, а удвояването му намалява Re едва с десетина процента. Трябва да се има предвид, че боядисването на прътите, както и всякакви замърсявания по повърхността им преди поставянето в земята (например омазняване), значително увеличават Re. Стойността на последното нараства и при недобър контакт между пръта и земята, което е често срещано при забиване в скали.

Съществува съвременна разновидност на прътите, при която те имат спираловидна форма (подобна на свредло), осигуряваща значително по-добър контакт със земята, особено в меки почви. Обикновено дължината им е до 1,5 m, а набиването им се прави с ударна бормашина.

Заземителните плочи (Grounding Plate) обикновено са с размери не по-малки от 60x60 cm, като при медните е достатъчна дебелина от около 1,5 mm, докато стоманените не трябва да са по-тънки от 5 mm. Поставят се в земята хоризонтално на дълбочина не по-малка от 80 cm, като заземителният проводник се свързва в единия от ъглите им. Основен недостатък на плочите е значително по-малката им сфера на влияние в сравнение с прътите. Поради това при еднаква маса на двата вида електроди Re с плочи е по-голямо.

Друг вид елемент за заземяване е меден прът, поставен в бетонова капсула (фиг.4б). Проводникът трябва да е с дължина и диаметър не по-малко съответно от 6 m и 5 mm, а дебелината на бетона да е поне 5 cm. Ползата от бетона е рязкото подобряване на контакта със земята, като съпротивлението между нея и проводника е само малко по-малко в сравнение с непосредственото полагане на проводника в земята при използване на цимент с примеси от въглероден прах.

Хоризонталните железобетонни плочи, поставяни в основата на някои постройки, също могат да служат като заземителни елементи, но арматурата трябва да е с диаметър поне 12 mm и да има добра електрическа връзка със заземяваното устройство. Класическото приложение на водопроводните тръби като елемент за заземяване продължава да се използва, но за да бъде ефективно, трябва поне 3 m от тръбата да е в контакт със земята, а заземителният проводник да се свързва към нея най-малко на 1,5 m преди влизането й в сградата. Поради все по-масовото разпространение на водопроводни тръби с предпазно пластмасово покритие или изцяло от пластмаса, тези елементи постепенно губят значение.

Структурата на един от най-добрите засега елементи за заземяване е показана на фиг. 4в. В издълбан със сонда отвор се поставя кух меден цилиндър, пълен с хигроскопични естествени соли. Те поемат влагата от въздуха и образуваният електролит непрекъснато изтича в почвата, което е предпоставка за много малко Re. Медният цилиндър се предпазва от външни въздействия (промяна на температурата и състава на почвата и корозия) чрез силикатна глина, а експлоатационният срок на елемента е 30-50 години, като за разлика от всички други елементи качеството на заземлението се подобрява с времето. Всички тези предимства обаче са за сметка на по-високата цена на подобна система.

Независимо от вида на елемента, съвременните конструкции осигуряват достатъчно малко негово съпротивление, което може да бъде пренебрегнато спрямо останалите съставки на Re. Съпротивлението между елемента и почвата също може да бъде направено пренебрежимо малко чрез доброто й уплътняване (трамбоване) и евентуално прибавяне в нея на специални смеси.

Необходимост на измерване на Re. По принцип съпротивлението Re може да бъде изчислено с помощта на класическата формула Re=rL/S, където r е специфичното съпротивление на земята, L е дължината на тоководещите части на заземителната система и S e напречното им сечение. Още през 30-те години на миналия век са създадени по-точни формули в зависимост от вида на заземителните елементи, но на практика изчисленията се използват рядко, тъй като стойността на r зависи от много фактори, не може да бъде приета за константа и това е причината практически Re да се определя само чрез измервания.

Методи за измерване. Класически и масово използван е триполюсният метод (Three-Terminal Test, Fall-of-Potential Method), който изисква две забити в земята сонди на определено разстояние от заземлението. Най-простият случай на заземление с един електрод е показан на фиг. 5. Опорният електрод С се поставя на разстояние D от заземлението в съответствие с табл. 1, между двата се свързва източник на напрежение U и с ампермер се измерва протичащия ток I. На разстояние 0,62 D от заземителния електрод по правата линия между него и С се поставя измервателен електрод Р и с волтмер се определя напрежението UP между него и заземителния електрод, при което търсеното съпротивление на заземяване е Rе=UP/I.

Когато заземлението е от два еднакви електрода, разстоянието D се увеличава с около 20%, докато при заземление повече електроди, разположени по стените на квадрат, разстоянието D зависи от диагонала d на квадрата и се дава в табличен вид. Няколко примера могат да бъдат намерени в табл. 2.

Има случаи, когато около заземителния електрод има бетонни плочи, в които не е възможно да се забият електродите Р и С. Те могат да бъдат заместени с метални решетки, поставени върху бетона и заляти с вода при спазване на разстоянията D и 0,62 D.

Съвременна разновидност е селективният метод, при който измерването се провежда при същото разположение на електродите, но съоръжението, чието Re се измерва, остава в работещо състояние. Токът през заземителния електрод се измерва чрез токова сонда и тъй като е променлив, реално се определя импедансът на заземлението при мрежовата честота.

Двуполюсният метод (Dead Earth Method) може да се използва, когато на достатъчно разстояние от заземителния електрод (D > 3L) има водопроводна инсталация със значителен брой неизолирани тръби. В такъв случай между заземителния електрод и инсталацията се подава напрежение U, измерва се протичащият ток I и Re=U/I.

Един от новите методи (Clamp-on Ground Resistance Measurement, Induced Frequency Testing) се прилага главно в електроразпределителни мрежи, където металните стълбове са заземени (фиг. 6). На заземителния проводник на един от стълбовете чрез специален трансформатор (често оформен като токови клещи) се подава напрежение Е с честота 1,7 kHz или 2,4 kHz и чрез токов трансформатор (също оформен като клещи) се измерва протичащият ток I, като разстоянието между двата прибора трябва да е не по-малко от 1,2 m. Тъй като съпротивлението на заземление на стълба Rx е много по-голямо от това на успоредно свързаните R1-Rn съпротивления на останалите стълбове, всяко с практически същата стойност, то отношението E/I е равно на Rx. Реално така се измерва и съпротивлението на единично заземление (Stackless Measurement, Contactless Earthing Resistance Measurement), което понякога се приема за отделен метод. Един от примерите за приложение е измерването на Re на металните шкафове на трансформатори. При еднакви съпротивления на заземяване на стълбовете (както би трябвало да бъде) през заземителния проводник на всеки от тях протича ток I/n. По-малка от тази стойност при измерването му означава увеличено съпротивление на заземяване на съответния стълб. За избягване на влиянието на смущенията трябва в токовите клещи за измерване на I да има теснолентов филтър със средна честота, равна на индуцираната от трансформатора.

Уреди за измерване. Същесвуват тестери с аналогово и цифрово отчитане на Re, като в количествено отношение вторите преобладават. Обикновено всеки тестер може да измерва Rе по два или три метода, например двуполюсен и триполюсен. Както при приборите за измерване на земно съпротивление и тези се захранват с галванични батерии или акумулатори. Подаваното напрежение за измерване обикновено е 25 V или 50 V, обхватът за измерване на Re типично е 0,01 W - 2 kW, но има прибори, в които той започва от 1 mW а в други достига 50 kW. Типичната грешка е 2-3%. Поради ползването на тестерите на открито те са прахо- и влагоустойчиви в съответствие с IP54.

Специфичен и съществен параметър е максималната амплитуда от връх до връх на шумовете, които се потискат, с типична стойност 40 V. В зависимост от изпълняваните функции, параметрите и конструкцията теглото на тестерите се движи от малко над 100 g до 5 kg. И тук съществуват тестери, запаметяващи данните от няколко стотици измервания, като обикновено данните автоматично се номерират и могат да се извличат от паметта, като се изписват на дисплея. В част от тестерите данните могат да се прехвърлят в компютър, обикновено чрез USB интерфейс.

В значителна част от тестерите като опции се предлагат токови клещи за измерване (типичен обхват от 1 mA до около 1 А) и такива за индуциране на променливо напрежение с честота от няколко десетки Hz до няколко kHz (избира се от работещия с уреда). За добиващия все по-голяма популярност метод с токови клещи съществуват множество тестери с вградени клещи и редица допълнителни възможности. Един типичен представител на тези уреди може да се използва и като променливотоков ампермер с обхват до 30 А, а за случаите, когато Re трябва да се следи непрекъснато, дава звуков сигнал при намаляването му под 40 W. Съществуват тестери със зелен и червен индикатор, чрез които се показва дали Re е над или под определена стойност. При зареждането на цистерни с гориво е задължително те да бъдат добре заземени. Затова съществуват стационарни тестери, през които преминава заземителният проводник и със светлинен сигнал те показват наличието на добро заземяване.
Комбинирани уреди

Твърде близките методи за измерване на земното съпротивление и съпротивлението на заземяване позволяват реализацията на тестери за измерване на двата параметъра. Често чрез тях могат да се провеждат и множество други измервания например изолационно съпротивление, ток на утечка, хармоници на мрежовото напрежение и неелектрически величини (температура, влажност, осветеност), а едно от използваните наименования е многофункционални тестери за електрически инсталации.

Стандарти
Металната екранировка на кабелите в телекомуникациите се заземява в съответствие с изискванията на БДС ETS 300 253: 1999, заменящ БДС 1149-89, а съпротивлението на заземяване трябва да се измерва при въвеждане на системата в експлоатация и след това ежегодно. Съществуват два международни стандарта – IEEE Std 81-1983 за измерване на r на земята и импеданса на заземленията и IEEE 1100-2005 с препоръки за заземяването на електронни и мощни съоръжения.

За заземяване на мрежи и системи средно напрежение е в сила БДС HD 63751. Специално за мълниезащита са в сила стандартите IEC-61000-5-2, IEC-62305-3 и БДС EN 62305-3:2006, които изискват земно съпротивление под 10 ома (последният стандарт е с препоръчително действие).

За съпротивлението на заземяване е в сила IEC/EN61557, part 5. В БДС 11623:83 са дадени изисквани максимални стойности на съпротивление на заземяване в рудници.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top