ftd

7.Контрольные вопросы

7.1.Какова структурная схема УЗО?

7.2.Какие требования предъявляют к устройствам защитного отключе-

ния?

7.3.Каков принцип действия устройств защитного отключения?

7.4.Каким образом подразделяются УЗО по чувствительности?

7.5.При каких условиях УЗО обладает наибольшей эффективностью?

7.6.Какие УЗО исследуются в лабораторной работе, и их основные параметры?

51

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЗЕМЛЕНИЯ МЕТОДОМ АМПЕРМЕТРА-ВОЛЬТМЕТРА

Цель работы

Изучить и исследовать измерение сопротивления заземляющих устройств методом «амперметра-вольтметра».

1. Основные положения

Заземляющее устройство после его монтажа подлежит проверке, включающей измерение сопротивления растеканию тока. Сопротивление заземляющего устройства численно равно отношению напряжения на заземляющем устройстве (в месте ввода тока) к току, стекающему с него в землю. Следовательно, экспериментальное определение сопротивления заземляющего устройства сводится в конечном счете к одновременному измерению на нем напряжения и стекающего в землю тока. Для этого используют так называемую схему «амперметра-вольтметра» (рис. 1).

2 3

1

Рис. 1. Принципиальная схема измерения сопротивления заземлителя по методу амперметра и вольтметра

Несмотря на сравнительную простоту схемы измерений сопротивления заземлителя по методу амперметра и вольтметра многие специалисты все же допускают серьезные ошибки при производстве измерений. Заключаются они в неправильном выборе расстояний между заземлителем и измерительными электродами. При измерении сопротивлений заземлителя такие ошибки зачастую приводят к погрешностям, достигающим сотен процентов. Дли того чтобы понять причины появления этих погрешностей, рассмотрим теоретические основы процесса измерения.

Во время измерений ток I от источника тока (рис. 1) проходит по цепи, образованной заземлителем 1, вспомогательным токовым электродом 3, амперметром и соединительными проводами. При этом часть тока, обозначенная на рис. 1 I1, проходит непосредственно через заземлитель, а часть,

52

обозначенная I2, ответвляется в потенциальную цепь и через вольтметр проходит к потенциальному электроду 2. В земле токи I1 и I2 суммируются и через токовый электрод 3 возвращаются к источнику тока.

Потенциал, наведенный на заземлителе 1 токами I1 и I2, будет равен:

а потенциал, наведенный на потенциальном электроде 2,

где α11 и α22 − собственные сопротивления заземлителя и потенциального электрода; α12, α13 и α23 − взаимные сопротивления между заземлителем и соответствующими электродами.

Заметим, чтоα11 иестьискомоесопротивлениерастеканиюзаземлителяRз. Поскольку внутреннее сопротивление вольтметра, как правило, весьма велико, то ток I2, проходящий по потенциальной цепи, всегда на много порядков меньше тока I1, стекающего с заземлителя. Поэтому в (1) и (2) влиянием потенциального тока можно пренебречь и считать, что через за-

землитель проходит весь ток I, т. е.

В том случае, когда электроды 2 и 3 отнесены в бесконечность, приведенные выше выражения будут равны:

Если теперь токовый электрод 3 перенести из бесконечности и поместить его на некотором расстоянии от заземлителя, то вольтметр зафиксирует значение j1 − j2 = I(α11 −α13 ) . Значение взаимного сопротивления α13 даже

при весьма большом удалении токового электрода от заземлителя, достигающем нескольких сотен метров, может быть соизмеримо со значением α11. Измеренное в этом случае значение сопротивления растеканию заземлителя может отличаться от действительного на сотни процентов. Для того

53

чтобы избежать ошибки при измерениях, нужно потенциальный электрод перенести из бесконечности, т. е. из зоны нулевого потенциала, и поместить его на таком расстоянии от заземлителя, при котором будет удовлетворяться равенство

Нетрудно заметить, что равенство (7) будет удовлетворено только при следующем условии:

Это значит, что токовый и потенциальный электроды необходимо так расположить относительно центра заземлителя и относительно друг друга, чтобы взаимное сопротивление между ними равнялось сумме взаимных сопротивлений между каждым электродом и заземлителем.

Физический смысл сказанного заключается в следующем. При близком расположении электродов заземлитель попадает в зону растекания токового электрода. Ток, проходящий через электрод, имеет противоположное направление по отношению к току, проходящему через заземлитель, и наводит на заземлителе некоторый потенциал, знак которого противоположен знаку потенциала заземлителя. В результате этого потенциал заземлителя соответственно уменьшается. На рис. 2 сплошной линией показано распределение потенциала по поверхности земли при близком расположении токового электрода от заземлителя, а пунктиром − то же, но при неограниченно удаленном токовом электроде.

U2

Рис. 2. Распределение потенциала на поверхности земли при измерении сопротивления заземлителя

54

Точка нулевого потенциала всегда расположена на середине расстояния между центром заземлителя и токовым электродом. Если потенциальный электрод поместить в точке нулевого потенциала, то измеренное значение потенциала заземлителя будет несколько меньше из-за влияния токового электрода. Чтобы получить правильный результат измерения, необходимо потенциальный электрод перенести несколько ближе к токовому в точку 01, потенциал которого отличен от нуля и равен потенциалу, наведенному на заземлителе токовым электродом, т. е. необходимо соответствующим расположением потенциального электрода компенсировать потенциальное влияние токового электрода на испытываемый заземлитель.

Ранее в литературе и в инструкциях по измерению сопротивлений сложных заземлителей требовалось располагать потенциальный электрод на расстоянии 5D от заземлителя (D в данном случае равно большей диагонали контура сложного заземлителя), а токовый − не ближе 20 или 40 м от потенциального. Рассуждали следующим образом. Потенциальный электрод должен располагаться вне зон растекания заземлителя и токового электрода. Радиус зоны растекания заземлителя равен 5D, а токового электрода − 20 м, если он конструктивно выполнен из одной вертикально вбитой в землю трубы, или 40 м, если он выполнен из нескольких труб. В действительности на расстоянии 20 или 40 м от токового электрода (точка 02 на рис. 2) потенциал хотя и будет составлять очень малую долю от полного потенциала токового электрода, но он может быть соизмерим с потенциалом заземлителя. Дело в том, что сопротивление токового электрода, как правило, в десятки и сотни раз больше сопротивления сложного заземлителя. Поскольку через заземлитель и токовый электрод проходят практически равные по абсолютной величине токи, потенциал токового электрода по абсолютной величине оказывается в соответствующее число раз больше потенциала заземлителя, как это видно из кривой распределения потенциалов на рис. 2. Это и приводит к тому, что измеренное значение сопротивлений заземлителя, равное U2 : I, оказывается часто во много раз больше его действительного значения, равного U1 : I. Особенно большие погрешности могут иметь место при D = 50…100 м и более. Например, при D = 50 м расстояние от заземлителя до потенциального электрода составляет 250 м, в то время как расстояние от потенциального электрода до токового будет примерно в 10 раз меньше, т. е. потенциальный электрод будет слишком далеко смещен от точки нулевого потенциала.

Для измерения сопротивлений сложных заземлителей следует применять схемы расположения токового Т и потенциального П электродов, изображенные на рис. 3. Размер а выбирается в зависимости от D заземлителя. Для заземляющих сеток, контурных заземлителей, состоящих из сетки или контура и вертикальных электродов, D принимают равным длине большей диагонали контура.

55

а)

Т

П 1,5а

б)

Рис. 3. Схемы расположения электродов при измерении сопротивлений сложных заземлителей и одиночных горизонтальных полос: а − двухлучевая, б − однолучевая

Для вертикальных электродов, расположенных в ряд и объединенных полосой, D принимают равным длине полосы. Этими же схемами следует пользоваться при измерении заземлителей в виде одиночных горизонтальных полос, принимая D равным их длине. При D, большем 40 м, размер а должен быть равен или больше D. При D, меньшем или равном 40 м, но большем 10 м, размер а принимается равным или большим 40 м. При D, не превышающем 10 м, размер а принимается равным 20 м. При измерении сопротивлений одиночных вертикальных заземлителей длиной до 6 м следует пользоваться схемами расположения электродов, изображенными на рис. 4, а, б, а длиной свыше 6 м − схемами на рис. 4, в, г. Размер b в схемах на рис. 4, в, г выбирается в зависимости от длины lв заземлителя. Размер b должен быть не меньше 3lв.

Рис. 4. Схемы расположения электродов при измерении сопротивлений одиночных вертикальных заземлителей длиной до 6 м (а, б) и свыше 6 м (в, г): а, в − двухлучевые; б, г − однолучевые

56

При измерении сопротивлений как сложных, так и простых заземлителей необходимо весьма точно отмерять расстояние между электродами. Расстояния обычно отмеряют при помощи рулетки с текстильной лентой длиной 10 м и более. Важно также иметь четкое представление об основных геометрических размерах заземлителя и его форме.

Испытываемый заземлитель не должен иметь металлической связи с другими заземлителями, иначе результат измерения будет неверным. Заземлитель, служащий для повторного заземления нулевого провода сети, должен быть отсоединен от нулевого провода. Для этого в заземляющих проводниках должны быть предусмотрены надежные болтовые соединения. Если естественные заземлители представляют собой железобетонные фундаменты или стальные полосы, проложенные для выравнивания потенциалов, то в качестве D заземлителя принимают наибольший размер здания в плане.

Сопротивления заземлителей не измеряют на постоянном токе из-за явления поляризации электродов. Мы уже знаем, что грунт обладает свойствами электролита. На находящихся в нем металлических электродах и заземлителе возникают потенциалы, которые могут привести к существенным ошибкам в измерениях.

Рассмотрим более подробно измерение сопротивлений заземлителей с использованием амперметра, вольтметра и источника измерительного тока

(см. рис. 1).

В качестве источника измерительного тока применяют понижающие трансформаторы. Они должны не только снижать напряжение до безопасного значения, но и устранять влияние заземлений питающей сети. По этой причине применение автотрансформаторов недопустимо. Пригодны сварочные, котельные или нагрузочные трансформаторы со вторичным напряжением 65 или 36 В. Измерительное напряжение распределяется между заземлителем и токовым электродом пропорционально значениям их сопротивления. Если потенциал заземлителя будет недостаточен для точного измерения (показания вольтметра неустойчивы из-за влияния блуждающих токов), то необходимо уменьшить сопротивление токового электрода или в крайнем случае увеличить измерительное напряжение до 220 или 380 В.

Амперметр должен иметь класс точности не ниже 2,5. Если необходим трансформатор тока, то его класс точности должен быть не ниже 0,5. Предел измерений выбирают таким образом, чтобы стрелка прибора отклонилась не менее чем на 2/3 длины шкалы. Для постепенного увеличения и ре-

* Класс точности характеризует наибольшую абсолютную ошибку измерения, равную произведению значения класса на соответствующий предел измерения, деленный на 100. Так, например, при классе точности прибора 4 и пределе измерения 1,0 Ом наибольшая ошибка измерения составит (4х1)/100 Ом.

57

гулирования измерительного тока со стороны внешнего напряжения понижающего трансформатора включают реостат или ЛАТР, мощность которых должна быть не менее мощности трансформатора.

Вольтметр должен иметь класс точности не ниже 2,5. Лучше использовать многопредельные приборы с пределами измерений от нескольких единиц до нескольких сотен вольт. Вольтметр располагают как можно ближе к месту подключения испытываемого заземлителя. Один из зажимов вольтметра присоединяют к заземлителю отдельным медным гибким изолированным проводом длиной 3−5 м и сечением 2,5−4 мм2, а второй зажим − к потенциальному электроду. Рекомендуется применять вольтметры, внутреннее сопротивление которых обычно в сотни раз превышает сопротивление потенциального электрода (при этом падением напряжения на сопротивлении потенциального электрода пренебрегают).

При использовании обычных вольтметров необходимо вводить поправку на падение напряжения на сопротивлении потенциального электрода. Для этого следует показание вольтметра умножить на величину

где RП − сопротивление потенциального электрода, Ом; RB − внутреннее сопротивление вольтметра, Ом.

В результате получают действительное значение потенциала заземлителя. При этом все же необходимо, чтобы внутреннее сопротивление вольтметра по крайней мере в 5 раз превышало сопротивление потенциального электрода.

Сопротивление потенциального электрода можно измерить, поменяв местами присоединяемые провода: заземлитель используют как потенциальный электрод, а потенциальный электрод присоединяют как испытываемый заземлитель. Кроме того, суммарное сопротивление испытываемого заземлителя и токового электрода должно быть не менее чем в 20 раз меньше суммарного сопротивления вольтметра и потенциального электрода. Сопротивление токового электрода можно измерить, используя токовый электрод в качестве испытываемого заземлителя, а испытываемый заземлитель − в качестве токового электрода. Если отношение суммарных сопротивлений будет меньше 20, то через потенциальный электрод будет проходить значительный ток I2. Для точности измерений из показания амперметра вычитают ток I2 и показание вольтметра делят на полученный результат. Ток, проходящий через потенциальный электрод, можно найти по

где U − показание вольтметра, В; RП − сопротивление потенциального электрода, Ом; RB − внутреннее сопротивление вольтметра, Ом.

58

При использовании вольтметра с большим внутренним сопротивлением током I2 пренебрегают.

Порядок измерений следующий. Расположив токовый и потенциальный электроды по одной из рекомендуемых схем (например, по однолучевой), собирают измерительную схему. При отключенном источнике измерительного тока проверяют наличие напряжения между заземлителем и потенциальным электродом, вызванного блуждающими токами. Если такое напряжение обнаружено, то его устраняют (например, путем отключения ближайшей установки) либо изменяют направление разноса электродов. Кроме того, можно пропорционально увеличить в 1,5−2 раза все расстояния между электродами. Если эти меры не помогают, то увеличивают измерительный ток с таким расчетом, чтобы напряжение на заземлителе от постороннего тока составляло незначительную долю (несколько процентов) от напряжения, наведенного измерительным током.

Перед включением трансформатора реостат должен быть полностью введен. Если используется ЛАТР, то напряжение на его выходе должно быть минимальным. Плавно выводя реостат, увеличивают измерительный ток до тех пор, пока стрелка вольтметра не достигнет последней трети длины шкалы. Если реостат полностью выведен, а отклонение стрелки вольтметра недостаточно, то уменьшают сопротивление токового электрода или увеличивают измерительное напряжение. Если вольтметр обычный, то необходимо проверить сопротивление потенциального электрода. Оно должно быть по крайней мере в 5 раз меньше внутреннего сопротивления вольтметра. В противном случае его надо уменьшить. Отсчеты по обоим приборам делают по возможности одновременно. Рекомендуется сделать не менее трех отсчетов, вычислить соответствующие значения R = U/I. В качестве измеренного значения R принимают среднее арифметическое этих значений. Замеры выполняют по обеим схемам расположения электродов. Если первое измерение делают по однолучевой схеме, то второе − по двухлучевой, и наоборот. Если результаты измерений по одно- и двухлучевым схемам отличаются не более чем на 20 %, то измерения заканчивают, принимая в качестве достоверного больший результат. В противном случае замеры повторяют по любой из схем, изменив направление разноса электродов или пропорционально увеличив все расстояния в схеме в 1,5−2 раза.

2. Описание лабораторного стенда

Стенд выполнен в виде самостоятельного прибора, настольного исполнения. Внешний вид лицевой панели приведен на рис. 5.

59