Измерение сопротивления заземляющих устройств в городских условиях (Методические рекомендации)

В статье в методическом плане рассматриваются важные вопросы, относящиеся к специфическим особенностям измерения сопротивления заземляющих устройств в стесненных городских условиях.Защита от поражения электрическим током в электроус­тановках базируется на двух, неукоснительно соблюдаемых как в нормальных эксплуатационных условиях, так и при на­личии неисправности, базовых принципах электробезопас­ности. Первый — опасные токоведущие части электроуста­новки не должны быть доступными (что обеспечивается со­ответствующей электроизоляцией). Второй — её доступные проводящие части не должны быть опасными (что обеспечи­вается преднамеренным электрическим соединением этих ча­стей электроустановки с заземляющими устройствами).

Виды заземлений электроустановок

Электробезопасность электроустановок обеспечивается с помощью следующих трех видов заземляющих устройств, каж­дый из которых представляет собой совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих металличе­ские части электроустановки с заземлителем [1, глава 1.7]:

Защитное заземляющее устройство, предназначенное для защиты людей от поражения электрическим током в случае замыкания токоведущих частей электроустановки на землю. Защитное заземление устанавливают во всех электроустановках независимо от категории помещения при напряжении 380 В и более в случае переменного тока и 440 В и более в случае постоянного тока, причем такой вид заземления не требуется устанавливать в электроустановках переменного тока с номинальным напряжением до 42 В, а при постоян­ном токе — до 110 В во всех случаях, за исключением взры­воопасных помещений.

Рабочее заземляющее устройство, обеспечивающее нор­мальную работу электроустановки.

Молниезащитное (грозозащитное) заземляющее устройст­во, обеспечивающее защиту электрооборудования от пере­напряжений и молниезащиту зданий и сооружений.

Заземлению подлежат все металлические нетоковедущие части электрооборудования, такие как металлические корпу­са электрических машин, трансформаторов, светильников, при­воды электроаппаратов, металлические кожухи, ящики, щитки электроустановок и т. п., которые вследствие повреждения изо­ляции могут оказаться под напряжением и к которым может прикоснуться человек. В то же время заземлению не подле­жат: арматура изоляторов, кронштейны и устройства освеще­ния, смонтированные на деревянных опорах ЛЭП, электрообо­рудование, установленное на заземленных металлических кон­струкциях, корпуса электроизмерительных приборов, реле, устройств автоматики и др., установленные на щитках, и т.п.

Для обеспечения эффективного выполнения вышеотмеченных функций электрозащиты электрооборудования и об­служивающего персонала заземляющие устройства должны обладать требуемыми значениями электрических параметров: сопротивлением растеканию тока с заземлительного устрой­ства в землю (для краткости его называют сопротивлением растеканию заземлителя или еще короче — сопротивлением заземлителя), максимальным напряжениям шага прикоснове­ния и др. [1 — 6]. При этом обязательно должно также выпол­няться требование экономичности, т.е. конструкция заземля­ющих устройств должна обеспечивать необходимые электри­ческие параметры при минимальных расчетных затратах.

Процесс монтажа заземления в условиях города пока­зан на фото, помещенном в начале статьи.

Методы определения удельного электрического сопротивления грунта

Сопротивление любого заземляющего устройства пропор­ционально удельному электрическому сопротивлению грунта, в котором расположен заземлитель [1 — 6]. Поэтому, опре­делив (теоретически или экспериментально) удельное элект­рическое сопротивление, нетрудно рассчитать по нему и со­противление заземляющего устройства. Однако главная труд­ность как раз и заключается в сложности определения удельного электрического сопротивления грунта вследствие зна­чительной неоднородности электрических свойств земли.

Для одиночных стержневых и простых контурных заземлителей, основное влияние на их сопротивление оказывают поверхностные, а для контурных заземлителей, занимающих большие площади, — глубинные слои земли, что вызывает не­обходимость применения различных методов определения удельного электрического сопротивления грунта, по значению которого определяется сопротивление заземляющих устройств.

Метод простого пробного электрода

Суть этого метода достаточно проста: на территории, на которой планируется установка заземляющего устройства, в землю закладывают одиночный вертикальный пробный зазем­литель такой же длины, как у будущего стационарного заземлителя. Обычно таким пробным заземлителем является сплош­ной металлический стержень или металлическая труба диа­метром от 4 до 5 см с острым наконечником, которые подле­жат закладке до глубины предполагаемого заложения стацио­нарного заземлителя таким образом, чтобы его верхний конец несколько возвышался над землей. Затем известными мето­дами измеряют сопротивление растеканию R пробного элект­рода и по нему, а также по геометрическим размерам — глу­бине погружения / и диаметру d пробного электрода опреде­ляют измеренное удельное сопротивление грунта ρ [5, 6]:

ρ = 2πRI / [1n(4I/d)]      (1)

Полученное таким образом удельное электрическое со­противление земли с используется для расчета небольших по размерам заземляющих устройств, таких, например, как заземляющие устройства электроустановок напряжением до 1 кВ с различными системами заземления нейтрали, а также за­земляющих устройств электроустановок напряжением свыше 1 кВ с изолированной нейтралью, причем в основном тог­да, когда заведомо известно, что земля в месте планируе­мой установки стационарного заземляющего устройства од­нородна.

Метод вертикального электрического зондирования (ВЭЗ)

Для реализации этого метода обычно используют четы­рехэлектродную электроустановку, принципиальная электри­ческая схема которой приведена на рис.1 [2, 5, 6].

В этой установке при проведении измерений источник ЭДС присоединяют к наружной паре электродов 1 и 2, а на­пряжение измеряют на внутренней паре 3 и 4. При этом метод ВЭЗ позволяет учитывать электрические свойства как поверхностных, так и весьма глубоко залегающих слоев земли, и поэтому он дает достаточно хорошие результаты, вполне пригодные для правильного проектирования заземля­ющих устройств любых размеров.

Метод вольтметра и амперметра

В настоящее время на практике чаще всего применяют видоизмененную схему измерения сопротивления заземля­ющих устройств, в которой, в отличие от схемы измерения, приведенной на рис.1, используется не четыре, а три элек­трода: контролируемый электрод Е, вертикальный потенци­альный электрод Р, используемый для подключения одного из проводов вольтметра к точке электрической цепи с нуле­вым потенциалом, а также токовый электрод С, служащий для создания цепи тока I (рис.2).

При этом для создания тока I вместо непосредственного питания установки от электросети обычно применяют сва­рочный трансформатор Тр, что позволяет исключить влияние на результаты измерений наличия связи с землей, а также плохой изоляции через заземленную нейтраль.

Для измерения характеристик заземляющих устройств по методу ВЭЗ применяются различные измерительные прибо­ры, например, такие, как:

• измерительный прибор Ф4103, позволяющий с большой точностью измерять сопротивление в широких пределах — от 0,03 до 1000 Ом;
• цифровые измерительные приборы с микропроцессором, позволяющие, кроме измерения сопротивления грунта, также контролировать рабочее состояние системы зазем­ления, и др.

Электротехники настолько привыкли к описанному спосо­бу измерения сопротивления заземляющих устройств с по­мощью трехэпектродной электроустановки, что перестали об­ращать внимание на ее недостатки, сосредоточив основное внимание на совершенствовании только измерительной ап­паратуры. А между тем трехэлектродная установка (вследст­вие ограничений на условия ее применения, требуемые для достижения необходимой точности измерения сопротивления) обладает рядом недостатков, подробно проанализированных в работах С. И. Кострубы [5, 6].

Один из наиболее существенных недостатков электриче­ской схемы, приведенной на рис.2, состоит в том, что для достижения требуемой точности измерения, сопротивления заземляющих устройств расстояния между электродами долж­ны быть достаточно большими.

Поэтому возникает вопрос: всегда ли, измеряя сопро­тивление заземляющих устройств, можно выдержать такие большие расстояния в условиях города, сплошь «нашпигован­ного» различного рода металлическими коммуникациями (тру­бопроводами, оболочками кабелей и т. п.)? Вряд ли. Кстати, эти коммуникации еще и сами по себе являются источника­ми значительных погрешностей измерения. Да и такой спо­соб измерения сопротивления сложен, относительно дорог и трудоемок из-за необходимости применения отдельного ис­точника тока, трех электродов, а также длинных соединитель­ных проводов. К тому же все эти тяжелые составные части измерительной установки необходимо переносить с места на место, а пробные электроды еще и погружать в землю, а затем, после проведенных измерений, из нее извлекать.

А нельзя ли в электросетях напряжением до 1000 В су­щественно упростить и удешевить способ измерения сопро­тивления заземляющих устройств, не понижая при этом точ­ности измерения? Оказывается можно, воспользовавшись методом измерения сопротивления заземляющих устройств с использованием калиброванного резистора.

Метод измерения сопротивления заземляющих устройств с использованием калиброванного резистора

В этом методе электрический ток на заземляющее уст­ройство подается через калиброванный резистор R_кр с во­дяным охлаждением непосредственно от фазного провода (например, L3) трехфазной электрической сети напряжени­ем до 1000 В с фазными проводами L₁, L₂, L₃ и нулевым защитным проводом РЕ так, как это показано на рис.3, на котором обозначено: 1 — выключатель, 2 — земля, 3 — заземлитель заземляющего устройства [5, 6].

Ток, протекающий через заземляющее устройство 3, оп­ределяется по сопротивлению калиброванного резистора и напряжению на нем. При этом напряжение на заземляющем устройстве определяется по фазному напряжению электро­сети и напряжению на калиброванном резисторе как раз­ность между этими напряжениями. Выполнив эти неслож­ные операции, можно рассчитать сопротивления заземляю­щего устройства:

R_зу = R_кр (U_ф – U_кр)/U_кр. (2)

где R_кр и U_кр — сопротивление калиброванного резисто­ра и напряжение на нем соответственно; U_ф — фазное на­пряжение электросети.

В приведенной выше формуле (2) не учитывается сопро­тивление заземления нейтрали трансформатора на подстан­ции и связанных с нею РЕ и PE-N проводов, поскольку, как показывают приведенные в работах [5, 6] расчеты, это со­противление на порядок ниже измеряемых сопротивлений. Поэтому неучет этого сопротивления приводит к погрешнос­ти, не превышающей +10%. Кроме того, эта погрешность та­кова, что фактическое сопротивление заземляющего устрой­ства заведомо никогда не будет превышать значение изме­ренного сопротивления R_зу. Таким образом, если измерен­ное значение сопротивления будет соответствовать нормиру­емому, то электробезопасность у потребителя при прочих равных условиях заведомо будет обеспечена.Сопротивление заземляющего устройства измеряют сле­дующим образом. Вначале отсоединяют заземлитель 3 за­земляющего устройства от нулевого защитного провода РЕ электросети, а затем между заземлителем 3 и одним из фаз­ных проводов электросети напряжением 380/220 В, напри­мер, проводом L3, включают вольтметр V (выключатель 1 при этом должен находиться в разомкнутом состоянии) и изме­ряют фазное напряжение U_ф электросети. После этого вклю­чают выключатель 1 и тем самым подключают калиброван­ный резистор R_кр параллельно вольтметру V. Поскольку на этом резисторе выделяется мощность, составляющая сотни Ватт, он должен быть с водяным охлаждением.

Всесторонняя проверка эффективности описанного выше метода измерения сопротивления заземляющего устройства бы­ла проведена в России в различных почвенно-климатических зонах с использованием нескольких сотен серийно выпускае­мых мощных нагрузочных калиброванных резисторов сопротив­лением 46 Ом типа НР-64/220. С их помощью было выполне­но более тысячи измерений сопротивления заземляющих уст­ройств, предназначенных для повторного заземления нулевого провода электросети напряжением 380/220 В. При этом результаты проведенных измерений сравнивались с данными, полученными другими методами измерений (компенсационным методом при малом измерительном токе, методом, использую­щим измерение напряжения на заземляющем устройстве с по­мощью достаточно удаленного потенциального электрода, и др.).

Результаты выполненной проверки показали, что метод, основанный на применении калиброванного резистора с во­дяным охлаждением, достаточно точен: его погрешность не превышает +10%, т.е. результат измерений всегда оказы­вался либо точным, либо с небольшим запасом по электробезопасности.

Преимущества метода измерения сопротивления зазем­ляющих устройств с использованием калиброванного резис­тора очевидны: вместо трех электродов достаточно иметь лишь один, отсутствуют длинные многометровые соединитель­ные провода, находящиеся в земле в зоне размещения заземлителя, протяженные металлические коммуникации никак не влияют на результаты измерений и др. И, наконец, главное достоинство метода — локальность измерений, т. е. этот метод позволяет измерять сопротивления заземляющих устройств на небольших участках земли, что особенно важно в стесненных городских условиях.

Таким образом, в условиях города для измерения со­противления заземляющих устройств, предназначенных для электрических сетей напряжением до 1000 В, можно реко­мендовать достаточно простой и в то же время весьма эф­фективный метод измерения сопротивления заземляющих ус­тройств с использованием калиброванного резистора с во­дяным охлаждением.

Литература

1. Правила устройства электроустановок, 7-е изд. — М.: ЗАО «Изд-во НЦ ЭНАС», 2002.
2. Васильев А. А. Крючков И. П., Наяшкова Е. Ф., Около- вич М. П. Электрическая часть станций и подстанций. — М.: Энергоатомиэдат, 1990.
3. Урусов С. В., Михалев Б. Н., Черновец А. К. и др. Эле­ктрическая часть электростанций. — Л.: Знергоатомиз- дат, 1987.
4. Долин П. А. Основы техники безопасности в электроус­тановках. — М.: Энергия, 1979.
5. Коструба С. И. Измерение электрических параметров земли и заземляющих устройств. — М.: Энергоатомиз- дат, 1983.
6. Коструба С. И. Как правильно измерить сопротивление заземляющего устройства электроустановки // Новости электротехники, 2002, № 5(17).

Автор: Светлана Любас, г. Киев