Сопротивления заземляющих устройств измеряются как в процессе их эксплуатации, так и на стадии эскизного проектирования с целью определения удельного электрического сопротивления грунта и сопротивления естественных заземлений.
Требования к методам измерения. В соответствии с той значительной ролью, которую играют измерения сопротивлений в практике проектирования и эксплуатации заземляющих устройств, определяются требования к методам и приборам измерения. К основным требованиям следует отнести:
- достаточную точность измерений. Погрешность измерений считается допустимой, если она не превышает 5%. Такая степень точности, невысокая для электротехнических методов измерения, является удовлетворительной, если учесть, что на величину сопротивления заземляющих устройств существенно влияют климатические условия;
- простоту проведения измерений. С этой точки зрения предпочтительнее методы, позволяющие измерить сопротивление заземляющего устройства непосредственно, без промежуточных расчетов, с минимальным числом замеров, с минимальными затратами труда и времени;
- простоту и мобильность измерительной аппаратуры. Учитывая необходимость проведения замеров в самых различных условиях на промышленных предприятиях, в передвижных электроустановках, на опорах линий электропередач — немаловажное значение приобретают такие качества измерительной аппаратуры, как масса, удобство переноса, простота и ограниченное количество монтажных работ, необходимых для проведения измерений;
4) ограниченное влияние сопротивления вспомогательных заземлителей на точность измерений. Вспомогательные заземлители, являющиеся основным элементом всех известных методов измерения, в некоторых схемах существенно влияют на результат измерения, что приводит к необходимости ограничения их сопротивлений и дополнительным расходам;
- устранение влияния на результат измерений блуждающих токов. Блуждающие токи достигают часто значительных величин, особенно в районах электрифицированного транспорта, и могут искажать результат измерений.
Рассмотрим известные методы измерения сопротивлений заземляющих устройств с точки зрения соответствия основным перечисленным требованиям. По основному принципу, используемому для измерения, все методы условно можно разделить на три группы:
- методы, определяющие сопротивление заземляющего устройства по величине растекающегося электрического тока и падению напряжения на заземляющем устройстве.
Наиболее известен среди методов данной группы метод амперметра — вольтметра;
- мостовые методы. Сопротивление заземляющего устройства определяется в результате расчета уравновешенного моста, в одно из плеч которого включается измеряемое сопротивление. Наиболее совершенной схемой такого метода является схема проф. А. Е. Каплянского;
- компенсационные методы, основанные на уравновешивании падений напряжений на заземляющем устройстве и заданном калиброванном сопротивлении. Методы получили широкое применение на базе схемы, предложенной Ленинградским электротехническим институтом.
Все перечисленные методы независимо от принципа, положенного в основу измерения, базируются на измерении параметров электрической цепи, создаваемой в земле через измеряемое заземляющее устройство, вспомогательный заземлитель и зонд (рис. 3-7).
Вспомогательный заземлитель (токовый электрод Т) необходим для создания замкнутой цепи электрического тока в земле.
Для определения падения напряжения на заземляющем устройстве необходимо наличие еще одного заземлителя, помещенного в зону нулевого потенциала в земле. Такой заземлитель получил название зонда или потенциального электрода П. Измерив ток в цепи заземляющее устройство — токовый электрод и напряжение между заземляющим устройством и потенциальным электродом, вычисляют сопротивление заземляющего устройства:
Для получения достоверных результатов измерения необходимо соблюдение двух условий:
расстояние между заземляющим устройством З и токовым электродом Т должно иметь зону нулевого потенциала БВ. Несоблюдение этого условия и помещение токового электрода Т в зону растекания тока с заземляющего устройства привело бы к взаимному экранированию заземлителей и искажению результатов измерения;
потенциальный электрод должен помещаться в зону нулевого потенциала (хотя и необязательно между З и Т). Только при соблюдении этого условия можно измерить полное падение напряжения на заземляющем устройстве.
Выполнение условий, обеспечивающих точное измерение, не встречает затруднений при измерении сопротивления одиночного уединенного заземлителя, так как зона нулевого потенциала лежит в радиусе 20 м от заземлителя. При измерениях сопротивления сложных заземляющих устройств расстояния между электродами выбираются по наибольшей диагонали заземляющего устройства в соответствии с данными рис. 3-8 [Л. 21].
Особенности различных методов измерения. Первая группа методов хорошо иллюстрируется на примере метода амперметра — вольтметра (рис. 3-7). На точность измерения существенное влияние оказывает сопротивление вольтметра, которое должно выбираться в 50—100 раз большим, чем сопротивление потенциального электрода Rп. Действительно, показание вольтметра будет определяться токами через заземляющее устройство и вольтметр:
На точность измерений оказывает влияние величина тока, проходящего через заземлитель, который определяется испытательным напряжением и сопротивлением токового электрода. По условиям безопасности измерений напряжение, подаваемое на заземлители, не должно превышать 127 В, поэтому приходится ограничивать сопротивление токового электрода, особенно при измерениях малых сопротивлений заземляющих устройств (до 1 Ома).
К основным достоинствам метода следует отнести сравнительную простоту измерительной схемы и применяемой аппаратуры при достаточной точности измерений. Главные его недостатки: необходимость внешнего источника напряжения значительной мощности, влияние на результат измерений блуждающих токов и необходимость проводить расчеты для получения результата измерений. Метод рекомендуется при измерении весьма малых сопротивлений заземляющих устройств, равных сотым и десятым долям Ома.
Для измерения сопротивления заземляющего устройства мостовыми методами проводят минимум два замера мостом. В результате первого измерения мостом по схеме на рис. 3-9, а и уравновешивании моста имеем:
Рис. 3-9. Схема измерения сопротивления заземляющего устройства мостовым методом.
Рис. 3-10. Компенсационная схема измерения сопротивления заземляющих устройств.
Чтобы избежать вычислений, мостовую схему усовершенствовали, применив реохорд с двумя движками, шкала которого градуируется в единицах сопротивления заземляющего устройства. Наиболее совершенной из мостовых схем является схема проф. А. Е. Каплянского, в которой в качестве указателя равновесия моста используется коммутаторный выпрямитель, насаженный на ось генератора переменного измерительного напряжения, приводимого во вращение рукой. Использование в диагонали моста выпрямленного тока от коммутаторного выпрямителя позволило применить в качестве индикатора равновесия моста высокочувствительный магнито-электрический миллиамперметр и исключить влияние на него блуждающих токов [Л. 20].
К недостаткам мостовых методов следует отнести необходимость проведения двух измерений и влияние сопротивления токового электрода на результат измерений. Однако возможность проведений измерений в полевых условиях без стационарного источника напряжения является преимуществом данного метода. Компенсационный метод измерения сопротивления заземляющих устройств по сравнению с предыдущим широко используется в приборах, выпускаемых нашей промышленностью.
На примере схемы рис. 3-10 рассмотрим компенсационный метод с использованием измерительного трансформатора. Ко вторичной обмотке трансформатора с коэффициентом трансформации, равным единице, подключается калиброванное активное сопротивление, ток в цепи которого будет равен току, проходящему через заземлитель. При отсутствии разности потенциалов между подвижным контактом сопротивления R и потенциальным электродом Rп перемещением движка добиваются равенства падений напряжений на заземляющем устройстве и на участке r1 калиброванного сопротивления:
(3-38) или, учитывая, что
Следовательно, при отсутствии показаний индикатора И величину сопротивления заземляющего устройства можно отсчитывать непосредственно по шкале калиброванного сопротивления.
Рис. 3-11. Схема прибора Ленинградского политехнического института, использующего компенсационный принцип измерения сопротивления заземления.
В качестве индикатора должен использоваться прибор высокой чувствительности, так как этим определяется точность измерений. В схеме Ленинградского электротехнического института (рис. 3-11) в качестве индикатора используется магнитоэлектрический миллиамперметр, питаемый от коммутаторного выпрямителя. Связь коммутаторного выпрямителя с целью потенциального электрода осуществляется через разделительный трансформатор ТР2, что полностью устраняет влияние блуждающих токов на результат измерения. В качестве источника переменного напряжения, прикладываемого к заземляющему устройству, используется генератор, вращаемый от руки. Рассмотренная схема обладает рядом достоинств: возможностью использования в полевых условиях, высокой точностью, малой зависимостью результатов измерений от сопротивлений токового и потенциального электродов (допускаются сопротивления Rп=Rз=1000-2000 Ом). Все это обеспечило широкое использование схемы в практике измерений.
Приборы для измерения сопротивлений заземляющих устройств. Измеритель сопротивления заземления Μ 1103 выпускается в искробезопасном исполнении и предназначен для измерения сопротивлений заземляющих устройств как в нормальных, так и во взрывоопасных условиях. Схема прибора (рис. 3-12) работает на компенсационном принципе. Использование коммутаторного выпрямителя КВ позволило применить в качестве индикатора чувствительный магнитоэлектрический микроамперметр М.592-10. Переключателем П1 обеспечивается два диапазона измерений: 0,1—10 Ом и 0,5—50 Ом. Максимальная погрешность измерения не превышает ±(5+10/R) и ±(10+50/R) соответственно для первого и второго диапазонов. Переменное измерительное напряжение 18 В создается при вращении рукоятки генератора с номинальной частотой вращения 120 об/мин.
Рис. 3-12. Схема измерителя заземления МИОЗ.
/7,772 — тумблеры; R — реохорд; Ri — сопротивление 10 Ом;
Из — сопротивление 15 Ом,
Рис. 3-13. Схема испытателя заземления МС-08.
1 — генератор; 2 — прерыватель.
Измеритель сопротивления заземления М416 предназначен для измерения сопротивления заземления от 0,1 до 1 000 Ом при сопротивлениях вспомогательного заземления и зонда от 0 до 5 000 Ом, имеет четыре диапазона измерения: 0,1—10 Ом; 0,5—50 Ом; 2—200 Ом; 10—1000 Ом.
Прибор питается от сухих элементов напряжением U= (4,5±10%)В. Погрешность измерения равна ±(5+, +
), где N — конечное значение диапазона измерения; rх — измеряемое сопротивление, Ом. Испытатель заземления МС-08 (рис. 3-13) используется для измерения сопротивления заземляющих устройств, величина которых не меньше 0,5 Ом. Шкала прибора имеет три предела измерения: 0—1 000, 0—100 и 0—10 Ом. Погрешность измерения не превышает 10% при сопротивлении зонда не более 1 000 Ом. В качестве измерительного прибора используется логометр Л.