Kontrola stanu izolacji doziemnej jest niezbędna dla prawidłowej eksploatacji sieci izolowanych względem ziemi (IT). Dlatego też wszystkie ważne układy zasilania IT DC i AC są obecnie wyposażane w urządzenia do kontroli (ciągłego pomiaru i sygnalizacji) stanu izolacji i ewentualnie dodatkowo w system automatycznej lokalizacji doziemień.

Parametrami elektrycznymi izolacji doziemnej są rezystancja i pojemność. Wartość rezystancji izolacji doziemnej posiada istotne znaczenie dla pracy sieci zarówno w stanie ustalonym, jak i podczas przebiegów przejściowych. Mimo przestrzennego rozkładu (wzdłuż linii i jej elementów) oporność izolacji doziemnej poszczególnych przewodów przedstawia się najczęściej w postaci skupionej jako oddzielne rezystory. Praktyczna przydatność takiej reprezentacji rezystancji izolacji jest jednak ograniczona, gdyż większość stosowanych urządzeń do kontroli izolacji mierzy zastępczą oporność izolacji. Jest nią wypadkowa rezystancja wszystkich elementów istniejących między galwanicznie połączonymi punktami danego obwodu elektrycznego a ziemią. Cel stosowania tego parametru wynika bezpośrednio z zasady Thevenina. Pozwala ona na proste obliczanie prądu zwarcia doziemnego, który jest odwrotnie proporcjonalny do sumy oporności przejścia w miejscu zwarcia i zastępczej rezystancji izolacji doziemnej sieci. Z tego powodu, jak również z uwagi na dogodność wykonywania pomiaru, pojęcie zastępczej rezystancji doziemnej izolacji sieci jest znacznie częściej używane od rezystancji izolacji poszczególnych przewodów względem ziemi.

Rys. 1. Schemat zastępczy baterii prądu stałego dla upływności dowolnie rozłożonych na poszczególnych ogniwach (a), schemat zastępczy z upływnościami izolacji skupionymi na zaciskach baterii (b)

Metody

Dotychczas opracowano i wdrożono szereg metod okresowego (dorywczego) i ciągłego wyznaczania rezystancji izolacji w czynnych (tj. pod napięciem roboczym) sieciach izolowanych prądu stałego i przemiennego. Obok stosowania dedykowanych przyrządów pomiarowych wartość tego parametru można określać za pomocą woltomierza i odpowiednich rezystorów. Oczywiście, wobec powszechnej dostępności wspomnianych mierników (zwanych izometrami), tradycyjne sposoby włącznie z metodami woltomierzowymi niewątpliwie tracą na znaczeniu. Niemniej jednak przedstawione poniżej proste procedury bywają przydatne w sieciach pozbawionych izometrów lub dla sprawdzenia poprawności ich działania.

Rys. 2. Schemat obwodu prądu stałego dla wyznaczania zastępczej rezystancji izolacji z użyciem regulowanego rezystora (a), schemat zastępczy w oparciu o zasadę Thevenina (b)

Rys. 3. Pomiar parametrów izolacji doziemnej metodą woltomierzową na przykładzie sieci
3-fazowej

Pomiary w obwodach prądu stałego

Krajowa norma PN-76/E-83005 (wycofana) zaleca do pomiaru stanu izolacji sieci prądu stałego prostą metodę z użyciem woltomierza. Dla jej zastosowania należy dokonać lokalizacji tzw. punktu zerowego baterii, czyli miejsca o napięciu względem ziemi równym zeru. Przy skończonej oporności izolacji punkt ten znajduje się wewnątrz baterii lub na jej zacisku; jedynie przy idealnym stanie izolacji doziemnej (oporność równa nieskończoności) napięcie wszystkich punktów względem ziemi wynosi zero, lecz pomiar stanu izolacji staje się wtedy zbędny. Następnie należy zmierzyć kolejno woltomierzem o znanej oporności wewnętrznej R_V napięcia doziemne U_a i U_b dowolnych dwóch punktów baterii (w szczególności mogą to być jej bieguny) położonych po obu stronach punktu zerowego. Wartość zastępczej rezystancji izolacji sieci prądu stałego (lub samej baterii, jeśli została odłączona od obwodów zewnętrznych) oblicza się ze znanego wzoru:

(1)
Wzór (1) można łatwo wyprowadzić dla źródła napięcia o upływnościach (przewodnościach) izolacji skupionych na jego zaciskach [1]. Dla ogólnego przypadku, czyli przy dowolnym rozkładzie upływności izolacji na poszczególnych ogniwach baterii (rys. 1a) uzasadnienie zależności (1) podano w [2].
Schemat zastępczy z rys. 1a wygodnie jest zastąpić uproszczonym obwodem czwórnika typu P pokazanym na rys. 1b. Oporności skupione na obu biegunach R1 i R2 wyznacza się z wzorów:
(2)
(3)
przy czym zgodnie z określeniem zastępczej rezystancji izolacji obowiązuje zależność:
(4)
Przykład innej procedury okresowego wyznaczania tego parametru w czynnej sieci prądu stałego pokazano na rys. 2a. Pomiar przebiega następująco. Przy zwolnionym przycisku S należy odczytać na woltomierzu napięcie doziemne U₂. Rezystor regulowany r (np. opornicę dekadową lub potencjometr) należy ustawić na maksymalną oporność. Po naciśnięciu przycisku należy obniżać rezystancję rezystora r, śledząc obniżanie napięcia U₂ do wartości U₂’. Po zmniejszeniu napięcia do połowy wartości odczytanej przed wykonaniem pomiaru (czyli dla U₂’ = 0,5U₂) należy zwolnić przycisk. Wartość nastawiona na rezystorze r jest równa zastępczej rezystancji doziemnej izolacji sieci R_i, co wynika z zasady Thevenina (rys. 2b).

Pomiary w obwodach AC IT

Również w czynnych obwodach AC IT o dowolnej liczbie faz (rys. 3 – przykład dla sieci 3-fazowej) można wyznaczać wartości zastępczej rezystancji R_i i pojemności C_i izolacji doziemnej dokonując pomiaru napięć między dowolnym punktem sieci i ziemią [3], [4]. Dla zachowania ogólności rozważań założono dowolny, niekoniecznie znany, rozkład upływności i pojemności izolacji doziemnej wewnątrz źródeł napięcia i wzdłuż przewodów linii. W tym przypadku zastępcza konduktancja i pojemność doziemnej izolacji sieci wynoszą:
(5)
(6)
gdzie G_Ea, G_Eb, G_Ec, C_Ea, C_Eb, C_Ec są przewodnościami i pojemnościami izolacji doziemnej uzwojeń źródła, zaś G_a, G_b, G_c, C_a, C_b, C_c przewodnościami i pojemnościami izolacji doziemnej przewodów fazowych linii. W tym rozumowaniu pomija się impedancje wzdłużne wspomnianych uzwojeń jako znacznie mniejsze od impedancji badanej izolacji. Zakłada się też, że wewnętrzna impedancja woltomierza jest znacznie większa od impedancji doziemnej izolacji sieci. Procedura obejmuje pomiary wartości skutecznej napięcia doziemnego dowolnego wybranego punktu (fazy) sieci w trzech stanach roboczych: (1) U₁ podczas normalnej pracy, (2) U₂ przy rezystorze R₁ = 1/G₁ włączonym między ten punkt i ziemię, (3) U₃ przy rezystorze R₂ = 1/G₂ włączonym w miejsce R₁. Wartości skuteczne tych napięć można wyrazić następująco zgodnie z zasadą Thevenina:
(7)
(8)
Z układu tych równań wyznacza się poszukiwane wartości parametrów izolacji:
(9)
(10)
gdzie

Należy zauważyć, że przy pomijalnej wartości pojemności doziemnej sieci wystarczy wykonać jedynie pomiary napięć U1 i U2. Wartość Ri wynosi wtedy:

Opracował Piotr Olszowiec

Literatura
[1] Е. Иванов, А. Дьячков „Как правильно измерить сопротивление изоляции электроустановок”, Новости Электротехники № 1/2002;
[2] P. Olszowiec „Kontrola izolacji w sieciach prądu stałego”, COSiW Warszawa 2011;
[3] P. Olszowiec „Insulation Measurement and Supervision in Live AC and DC Unearthed Systems”, Springer 2012;
[4] Е. Иванов, А. Дьячков „Как правильно измерить сопротивление изоляции электроустановок”, Новости Электротехники № 2/2002