Podstawowym parametrem charakteryzującym skuteczność działania uziemienia jest jego rezystancja, a dla uziemienia odgromowego rezystancja udarowa. Parametry te stosowane są często zamiennie, chociaż wyznacza się je różnymi metodami i często mają one różne wartości liczbowe dla tego samego uziemienia. W artykule przedstawiono różne metody pomiaru rezystancji uziemienia oraz zaprezentowano wyniki badań porównawczych wykonanych przy użyciu metody statycznej, wysokoczęstotliwościowej oraz udarowej.

Prawidłowo wykonywane pomiary parametrów uziemień, a także właściwa interpretacja uzyskanych wyników są niezwykle istotnymi czynnikami zapewnienia bezpieczeństwa obsługi oraz poprawnej pracy urządzeń elektrycznych i elektronicznych we wszelkich obiektach wyposażonych w uziemienia ochronne i robocze, bądź też narażonych na działanie wyładowań atmosferycznych.
Właściwości uziemień ochronnych i roboczych pracujących przy częstotliwości sieci w pełni określa rezystancja statyczna. Dla uziemień stosowanych w telekomunikacji i w stacjach radarowych należy niekiedy wyznaczać impedancję przy częstotliwości zmieniającej się w szerokim zakresie. Uziemienia odgromowe charakteryzuje natomiast rezystancja wyznaczana przy wymuszeniu udarowym obrazującym zachowanie się uziemienia przy odprowadzaniu do gruntu prądów o bardzo dużych prędkościach narastania.
Dla zapewnienia bezpieczeństwa obsługi i sprzętu należy kontrolować okresowo wartość rezystancji lub impedancji uziemienia metodami adekwatnymi do rodzaju chronionego obiektu, wykorzystując do tego celu narzędzia zapewniające uzyskanie wiarygodnych wyników [1 – 4].

Rys. 1. Błędny pomiar rezystancji uziemienia testerem dwurdzeniowym w obiektach o zamkniętych pętlach przewodzących

Metody pomiarowe

Rezystancję lub impedancję uziemienia można mierzyć różnymi metodami. Rezystancję statyczną wyznacza się zazwyczaj przy częstotliwościach kilkudziesięciu do stukilkudziesięciu herców, z wykorzystaniem metody technicznej lub kompensacyjnej. Rzadziej stosowana jest metoda dwucęgowa, a bardzo rzadko – rezonansowa. Miernik wysokoczęstotliwościowy pozwala na wyznaczanie zarówno rezystancji statycznej jak i impedancji uziemienia dla wyższych częstotliwości. Metoda udarowa przeznaczona jest natomiast do wyznaczania rezystancji udarowej charakteryzującej stan uziemień odgromowych. Poniżej przedstawiono główne cechy wspomnianych metod pomiarowych.

Metoda techniczna
Mierniki rezystancji uziemień wykorzystujące metodę kompensacyjną stosowane są obecnie coraz rzadziej. Większość produkowanych mierników rezystancji statycznej realizuje różne odmiany metody technicznej, w której do uziemienia badanego doprowadza się generowany w mierniku prąd o częstotliwości wybranej z zakresu 95 – 128 Hz. W metodzie tej mierzy się jednocześnie wartość prądu wpływającego do uziemienia oraz spadek napięcia na rezystancji badanej w odniesieniu do strefy ustalonego potencjału. Rezystancja wyznaczana w mikrokontrolerze zgodnie z prawem Ohma uwidaczniana jest na wyświetlaczu miernika.
W Polsce najbardziej rozpowszechnionym przyrządem tego typu jest prawdopodobnie miernik MRU-101 firmy Sonel.
Klasyczna metoda techniczna ma kilka wad. Największą z nich jest chyba duża pracochłonność gdyż w celu prawidłowego wykonania pomiaru należy rozkręcić zaciski kontrolne uziemienia. Pewne ograniczenia tej metody uwidaczniają się także w przypadku kontroli uziemień obiektów, w których oprócz uziomu metalicznego (otokowego, pionowego) część prądu odprowadzana jest do gruntu poprzez fundament. Rozkręcając zacisk kontrolny eliminuje się wpływ fundamentu na wynik pomiaru, gdy tymczasem jego udział w odprowadzaniu prądu do ziemi osiąga np. dla słupów linii wysokiego napięcia niejednokrotnie wartości rzędu 30%.
Selektywny pomiar wybranego uziemienia pracującego w systemie połączonych uziemień bez odłączania go od tego systemu możliwy jest przy użyciu miernika realizującego metodę techniczną z cęgowym pomiarem prądu. W przypadku wykorzystywania takiego miernika nie rozłącza się zacisków kontrolnych, zaś generowany w mierniku prąd zostaje doprowadzony do przewodu uziemiającego, gdzie rozpływa się na dwie części. Jedna z nich, mierzona przetwornikiem cęgowym, przepływa przez badany przewód uziemiający bezpośrednio do ziemi, druga zaś przez całą resztę systemu.
Wynik pomiaru wyznaczany jest w mierniku na podstawie wartości tylko tej części prądu, która przepływa przez badany przewód uziemiający. Spadek napięcia, tak jak dla metody klasycznej, wyznaczany jest w odniesieniu do sondy pomocniczej umieszczonej w strefie ustalonego potencjału.
W przypadku pomiarów cęgowych rezystancji uziemienia pracującego w dużym systemie uziemień może dojść do wyraźnego wzrostu błędów pomiarowych, gdyż prąd płynący przez badane uziemienie do gruntu będzie w tym przypadku wielokrotnie mniejszy od prądu generowanego w mierniku. Prąd płynący przez badane uziemienie może osiągać w skrajnych przypadkach wartości pojedynczych miliamperów. Pomiar tak małych prądów cęgami prądowymi może być obarczony znacznymi błędami, szczególnie dla cęgów używanych przez dłuższy okres bez kalibracji. Dlatego, mierząc tą metodą, należy pamiętać o częstym dokonywaniu kalibracji cęgów prądowych, szczególnie w trakcie pomiarów wykonywanych w obrębie dużych systemów uziemień [5].

Metoda dwucęgowa
Metoda dwucęgowa jest bardzo wygodna w użytkowaniu, gdyż nie wymaga rozłączania zacisków kontrolnych uziemienia ani stosowania sond pomocniczych umieszczanych w gruncie. Znalazła ona zastosowanie w testerach pętli uziemiającej traktowanych często (mylnie) jako mierniki rezystancji uziemienia. Przykładem takiego testera jest przyrząd firmy Kyoritsu – KEW4200.
Podstawową wadą testerów dwucęgowych jest fakt, iż mierzą one sumę rezystancji uziemienia badanego i – trudnej często do oszacowania – rezystancji pętli zamykającej obwód prądu pomiarowego. Nieumiejętne wykorzystanie tej metody może powodować poważne błędy interpretacyjne.
Tester wyposażony jest w dwa izolowane od siebie magnetycznie przetworniki cęgowe umieszczone we wspólnym mechanizmie zamykającym. Pierwszy z nich służy do zaindukowania w obwodzie siły elektromotorycznej o częstotliwości około 2,5 kHz. Pod wpływem tej siły przez badane uziemienie płynie prąd wyznaczany drugim przetwornikiem. Wartość prądu mierzonego zależy od sumy rezystancji badanej i rezystancji zastępczej reszty systemu uziemień zamykającej obwód prądu.
Jeżeli rezystancja wypadkowa systemu jest znacznie mniejsza od rezystancji badanego uziemienia, to wynik wyznaczony przy użyciu testera jest dość bliski rzeczywistej wartości rezystancji statycznej uziemienia. Wynik pomiaru jest tym bliższy rzeczywistości, im większy jest system uziemień, w którym pracuje uziemienie badane. Im większa jest rezystancja zastępcza systemu w stosunku do rezystancji badanej, tym większym błędem obarczony jest wynik. Jest to jednakże błąd „bezpieczny”, gdyż rezystancja wyznaczana jest zawyżona.
Znacznie gorsza sytuacja wystąpi przy wyznaczaniu rezystancji uziemienia obiektu o konstrukcji przewodzącej, np. stalowego słupa linii przesyłowej WN. W takim przypadku, jak to pokazano na rysunku 1a, zaindukowany prąd Iy nie popłynie przez badane uziemienie, lecz zamknie się wewnątrz przewodzącej konstrukcji słupa. Wynik takiego pomiaru będzie zawsze bardzo niski – nawet przy całkowicie niesprawnym uziemieniu, co może prowadzić do mylnego (i niebezpiecznego) wniosku o przydatności tego uziemienia do celów ochrony odgromowej. Podobna sytuacja wystąpi przy kontroli uziemienia odgromowego obiektu o zewnętrznej pętli przewodzącej. Obiektami takimi są np. budynki z uziomami otokowymi, do których zwód dołączony jest minimum dwoma przewodami odprowadzającymi. Sytuację taką uwidoczniono na rysunku 1b.
W tego typu obiektach pomiar testerem nie ma nic wspólnego z uziemieniem, gdyż wyznacza on rezystancję pętli metalicznej składającej się np. ze zwodu poziomego umieszczonego na dachu budynku, dwóch przewodów odprowadzających oraz uziomu otokowego ułożonego w gruncie. Wynik pomiaru będzie w tym przypadku zawsze bardzo niski, niezależnie od rzeczywistych parametrów uziemienia.

Rys. 2. Sposób połączenia rezonansowego miernika rezystancji uziemienia MRr do uziemienia badanego RX (a) oraz schemat zastępczy układu w stanie rezonansu (b)

Metoda rezonansowa
Metoda rezonansowa realizowana w mierniku Hioki 3143 nie wymaga stosowania uziemień pomocniczych, gdyż rolę sondy prądowej spełnia tu przewód powrotny o długości około 20 m układany bezpośrednio na gruncie w miejscu pomiaru. Indukcyjność przewodu L oraz jego pojemność do gruntu C wykorzystywane są do uzyskania rezonansu szeregowego. Schemat połączenia miernika rezonansowego z obiektem badanym pokazano na rysunku 2a.
Przestrajając częstotliwość generowanego sygnału pomiarowego w zakresie
100 kHz – 1,5 MHz poszukuje się w tej metodzie rezonansu strojąc miernik na minimum wskazania. W stanie rezonansu szeregowego schemat zastępczy układu przybiera postać pokazaną na rysunku 2b, zaś wartość mierzonej rezystancji jest określana z zależności:

gdzie: U_C – napięcie źródła zasilającego, U_m – napięcie na zaciskach miernika,
R₀ – rezystancja wewnętrzna źródła.
Wskazania miernika realizującego metodę rezonansową mogą być obarczone większymi od innych metod błędami (o czym lojalnie uprzedza wytwórca), gdyż wynik pomiaru rezystancji wyznaczany jest przy częstotliwości bardzo znacznie różniącej się od częstotliwości, dla której uziemienie zostało zaprojektowane. Metoda ta może być jednak cenna na obszarach o znacznym stopniu zurbanizowania, w których bywają problemy z dostępem do gruntu w strefie ustalonego potencjału. Metodą rezonansową można dokonać pomiaru nawet na terenie całkowicie zaasfaltowanym.

Rys. 3. Model zastępczy uziomu: poziomego (a) oraz pojedynczego uziomu pionowego (b)

Metoda wysokoczęstotliwościowa
Szeroki zakres częstotliwości sygnału pomiarowego wykorzystuje także metoda wysokoczęstotliwościowa zastosowana we francuskich miernikach AES 1002. Mierniki te pozwalają na wyznaczanie zarówno rezystancji statycznej, jak również impedancji uziemień odgromowych. W metodzie wysokoczęstotliwościowej zakłada się model uziemienia o parametrach RLCG, gdzie R i L oznaczają rezystancję oraz indukcyjność uziomu (np. bednarki ułożonej w gruncie), natomiast G i C reprezentują konduktywność i pojemność między uziomem i otaczającym go gruntem. Modele zastępcze uziomu poziomego oraz uziomu skupionego (np. szpilkowego) pokazano na rysunku 3.
Impedancję mierzonego uziemienia opisuje zależność [6, 7]:

W miernikach wysokoczęstotliwościowych wyznacza się szereg wartości impedancji badanego uziemienia dla 20-tu różnych wartości częstotliwości z zakresu
100 Hz – 1 MHz. Uzyskana w ten sposób charakterystyka umożliwia dość dokładną ocenę przydatności uziemień pracujących w bardzo zróżnicowanych warunkach. Do wad omawianego rozwiązania można zaliczyć wrażliwość na zakłócenia zewnętrzne wynikającą z niskiej wartości sygnału pomiarowego (U = 3 V_p-p) [8] oraz wysoki koszt miernika. Mierniki wykorzystujące omawianą metodę znalazły zastosowanie w zachodniej Europie, głównie w telekomunikacji i w stacjach radarowych.

Metoda udarowa
Do wyznaczania parametrów uziemień odgromowych przeznaczona jest również metoda udarowa, której jednak nie należy stosować do kontroli uziemień ochronnych i roboczych (pracujących przy częstotliwości sieci).
Wartość rezystancji udarowej określa zależność:

gdzie U_xmax oraz I_gmax oznaczają wartości maksymalne prądu i spadu napięcia na uziemieniu badanym, przy czym te wartości maksymalne zazwyczaj nie występują jednocześnie [2, 4, 9].
Ponieważ prądy piorunowe cechuje znaczna stromość narastania (do 100 kA/ms), o skuteczności uziemienia odgromowego decydują często indukcyjne spadki napięcia na poszczególnych elementach systemu uziemień. Rezystancja uziemienia przewodzącego prądy udarowe jest funkcją stromości narastania prądu i jego natężenia, ale także długości uziomu [4, 9]. Wpływ tej długości na parametry udarowe uziemienia ilustruje rysunek 4, na którym porównano przebiegi udarowe na uziemieniu szpilkowym i średniej wielkości uziemieniu otokowym. Wpływ indukcyjności uziemienia – związanej przede wszystkim z jego długością – wyraźnie uwidacznia się w postaci przesunięcia między szczytami prądu i wywołanego przez ten prąd spadku napięcia.

Rys. 4. Przykładowe oscylogramy prądów i napięć udarowych uzyskanych na: uziomie skupionym (a) oraz uziomie rozległym (b)

W uziemieniach o konstrukcji skupionej dominującą rolę odgrywa rezystancja. Przesunięcie między prądem i napięciem jest znikome, a cały uziom prawie równomiernie odprowadza prąd do gruntu. W uziemieniach dłuższych i średnich otokach istotny staje się wpływ indukcyjności – napięcie zaczyna wyraźnie wyprzedzać prąd, a odleglejsze części uziomu odprowadzają znacznie mniej prądu do ziemi niż część znajdująca się bliżej miejsca wyładowania. Problemy te pogłębiają jeszcze zjawiska falowe, które zaczynają występować w uziemieniach długich i bardzo rozległych [7, 9].
Z powyższych rozważań wynika, iż poprawa skuteczności uziemienia odgromowego poprzez jego rozbudowę jest skuteczna tylko w ograniczonym zakresie. Nadmierne wydłużanie uziomu służącego do ochrony odgromowej zwiększa tylko jego koszty, nie poprawiając skuteczności ochrony. Wykres zmian długości efektywnej uziomu [2] dla różnych czasów czoła udaru pokazano na rysunku 5.

Rys. 5. Długość efektywna uziomu w funkcji rezystywności gruntu dla różnych czasów czoła narastania udaru prądowego

Rzeczywisty stan uziemień odgromowych można kontrolować np. za pomocą miernika typu WG-407 firmy Atmor [3, 7] realizującego pomiar metodą udarową z udarem o czasie czoła 4 ms.
Obecnie wchodzą na rynek mierniki wykorzystujące udar pomiarowy o czasie narastania 10 ms, jednak brak jeszcze doświadczeń eksploatacyjnych pozwalających na jednoznaczne stwierdzenie przydatności takiego sygnału testowego do oceny stanu uziemień odgromowych.

Pomiary porównawcze

W celu porównania właściwości użytkowych różnych metod przeprowadzono szereg badań porównawczych na rzeczywistych obiektach z wykorzystaniem miernika rezystancji statycznej MRU-101, miernika wysokoczęstotliwościowego AES1002 oraz mierników udarowych WG-307S i WG-407.
Badania wykonano na typowych obiektach obejmujących: uziom pionowy pogrążony na głębokość około 10 m, uziom poziomy o długości około 70 m oraz uziom otokowy na budynku o wymiarach około 60 x 20 m. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 6.
Porównując uzyskane wyniki można stwierdzić, że impedancja uziemienia wyznaczana przy niższych częstotliwościach jest tożsama z rezystancją statyczną. Im bardziej rozległe uziemienie, tym niższa jest częstotliwość, przy której następuje wyraźny wzrost wartości impedancji. Daje się także zauważyć, iż rezystancji udarowej wyznaczanej przy udarze o czasie czoła 4 ms odpowiada impedancja dla częstotliwości 20 – 40 kHz, zaś dla udaru 1 ms: 50 – 100 kHz. Rozległość uziemienia nie ma tutaj bardzo istotnego znaczenia.
Z rysunku 6c wynika, iż dla testowanego uziemienia otokowego widoczny wzrost impedancji następuje już przy częstotliwości rzędu 1 kHz. Z porównania przytoczonych na rysunku 6 wyników można również wnioskować, iż dla bardzo rozległych uziemień wartość tej częstotliwości będzie jeszcze niższa. Podważa to dodatkowo wiarygodność testerów dwurdzeniowych z sygnałem o częstotliwości około 2,5 kHz stosowanych w bardzo rozległych systemach uziemień.

Rys. 6. Wartość impedancji uziemienia pionowego (a), poziomego (b) i otokowego (c) w funkcji częstotliwości z zaznaczonymi wynikami pomiarów rezystancji statycznej oraz rezystancji udarowej dla impulsów o czasie czoła 1 i 4 ms

Wnioski

Podsumowując omawiane powyżej zagadnienia należy podkreślić, iż nie ma jedynej, uniwersalnej metody pomiaru każdego typu uziemienia. Nasuwa się jednak kilka spostrzeżeń:
• kontrolując stan uziemień należy dobierać metody pomiarowe odpowiednie do warunków, w jakich pracują te uziemienia,
• pomiary rezystancji pętli uziemienia należy traktować jako orientacyjne,
• stan uziemień ochronnych i roboczych w pełni charakteryzuje ich rezystancja statyczna,
• metoda wysokoczęstotliwościowa pozwala na określenie właściwości uziemienia w szerokim paśmie częstotliwości, jednakże jest ona wrażliwa na zakłócenia zewnętrzne,
• uziemienia odgromowe najlepiej charakteryzuje impedancja udarowa uwzględniająca składowe indukcyjne uziemienia.

Marek Wołoszyk
Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej

Stanisław Wojtas
Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej

Miron Galewski
Autor jest pracownikiem
firmy Atmor Elektronika Pomiarowa

Literatura
[1] PN – IEC 061024-1. Ochrona odgromowa obiektów budowlanych.
[2] S. Szpor, J. Samuła: Ochrona Odgromowa. WNT, Warszawa, 1983.
[3] M. Wołoszyk: Pomiary rezystancji statycznej i udarowej uziemień odgromowych. Rozdział w publikacji: Z. Gryżewski: „Prace pomiarowo-kontrolne przy urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu do 1 kV”, COSiW SEP, Warszawa, 2006.
[4] S. Wojtas, M. Galewski, M. Wołoszyk: Influence of test procedure on surge impedance of lightning earthings. Proc. 14-th EMD, Vilnius, 2004
[5] M. Wołoszyk: Wpływ zewnętrznych czynników zakłócających na dokładność pomiarów rezystancji statycznej i udarowej uziemień. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 12/2007.
[6] S. Wojtas, A. Rousseau: Impulse and high frequency tests of lightning earthing, Proceedings of 27-th ICLP, Avignon, France, 13 Sept. 2004.
[7] S. Wojtas: Ocena uziemień odgromowych metodami: udarową i wysokoczęstotliwościową. Pomiary Automatyka Kontrola, nr 4/2007.
[8] M. Wołoszyk, S. Wojtas: Wyznaczanie właściwości uziemień metodami statycznymi, wysoko-częstotliwościowymi i udarowymi. PAK 12/2008 – (przyjęte do druku).
[9] M. I. Lorenzou, N. D. Hatziargyriou: Effective dimensioning of extended grounding systems for lightning protection, Proceedings of 25-th LCLP, Rhodos, Greece, 18-22 Sept. 2000.