Измерение сопротивления заземляющих устройств

Цель работы.

1. Ознакомиться с устройством заземления на примере стендовой установки.

2. Научиться пользоваться измерительными приборами и приобрести навыки определения сопротивления заземления.

Программа работы.

1. Изучить требования к защитному заземлению электрооборудования

2. Изучить прибор М-416, используемый для измерения сопротивления заземляющих устройств.

3. Подготовить измеритель сопротивления заземления к работе.

4. Измерить сопротивления заземляющих устройств, установленных на стенде.

5. Выполнить анализ полученных результатов измерений и оформить отчет.

Основные теоретические сведения по работе.

В процессе эксплуатации электрооборудования происходит нарушение целостности изоляции проводов и обмоток машин. Это неизбежно влечет за собой появление напряжения на нетоковедущих частях оборудования, в результате чего работающий может оказаться под действием электрического тока, что в свою очередь может привести к электрической травме, удару и даже смертельному исходу. Одной из мер защиты в таких случаях является применение защитного заземления (см. рис. 1).

Рис. 1 Защитное заземление: а – заземлитель; б – заземляющий провод; в – заземляемое оборудование

Защитное заземление это преднамеренное соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей оборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие нарушения изоляции электроустановок.

Основой принципа действия защитного заземления является снижение до безопасных значений напряжения прикосновения, обусловленного замыканием токоведущих частей электрооборудования на корпус. Снижение напряжения прикосновения до безопасных значений достигается уменьшением потенциала заземленного оборудования, а также выравниванием потенциала за счет подъема потенциала основания, на котором стоит человек, до потенциала, близкого по значению к потенциалу заземленного оборудования.

Снижение напряжения прикосновения происходит вследствие стекания в землю через сопротивление фазы R_Ф и сопротивление заземляющего устройства R_З, возникающего под действием напряжения фазы U_Ф, тока

.

При этом потенциал заземленного оборудования становится равным потенциалу заземлителя:

.

Из данного выражения следует, что эффективность заземления зависит от его сопротивления. Чем меньше сопротивление заземления, тем его защитная эффективность больше!

При дальнейшем растекании тока в землю от заземлителя, потенциал падает от своего максимального значения _З до нуля. В реальных условиях уже на расстоянии 20 метров от заземлителя потенциал практически равен нулю (см. рис. 2).

Рис. 2 Распределение потенциала на поверхности земли

В качестве заземлителей в первую очередь используются естественные заземлители (металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в соприкосновении с землей, металлические трубы водопровода, проложенные в земле, другие находящиеся в земле металлические конструкции и сооружения). При недостаточности или отсутствии естественных заземлителей устраивается искусственное заземление. Для этих целей в грунт забиваются или укладываются стальные уголки, стержни, трубы и т.п., которые соединяются с заземляемым оборудованием заземляющим проводом, чаще всего шиной из полосовой стали.

Совокупность заземлителя и заземляющих проводов, соединяющих заземленные части электроустановки с заземлителем, называется заземляющим устройством.

Сопротивление заземляющего устройства растеканию тока (отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему, с заземлителя в землю) состоит из сопротивления заземлителя, заземляющих проводов и зависит от конфигурации заземлителя и расположения его в земле, а также от удельного сопротивления грунта. Сопротивление грунта определяется его характером (супесчаная почва, суглинок, глина и т.д.) и коэффициентом, учитывающим климатические особенности местности, где устраивается заземление.

Для уменьшения влияния значения коэффициента учитывающего климатические особенности местности, а также для повышения безопасности эксплуатации заземляющих устройств заземлители стационарных установок всегда располагают в грунте на глубине не менее 0,7 метра. Если одиночные заземлители не обеспечивают необходимой величины сопротивления растеканию тока, используют сложные заземлители состоящие из нескольких вертикальных электродов, которые соединяют параллельно металлической полосой, также являющейся электродом. К заземлителю присоединяют стальную или медную шину и вводят ее в помещение, где подключают к заземляющей магистрали. Заземляемое оборудование подключают к заземляющей магистрали параллельно, последовательное включение заземляемого оборудования не допускается. Допустимые величины сопротивления защитных заземлений регламентируются ГОСТ 12.1.030-81 «Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление».

Защитное заземление или зануление электроустановок следует выполнять:

- при номинальном напряжении 380 В и выше переменного тока и 440 В и выше постоянного тока - во всех случаях;

- при номинальном напряжении от 42 В до 380 В переменного тока и от 110 В до 440 В постоянного тока при работах в условиях с повышенной опасностью и особо опасных по ГОСТ 12.1.013-78.

Для электроустановок напряжением до 1000 В в сети с заземленной нейтралью сопротивление заземляющего устройства, к которому присоединены нейтрали генераторов (трансформаторов) или выводы однофазного источника питания электроэнергией, с учетом естественных заземлителей и повторных заземлителей нулевого провода должно быть не более 2, 4 и 8 Ом соответственно, при междуфазных напряжениях 660, 380 и 220 В трехфазного источника питания или 380, 220 и 127 В однофазного источника питания.

Для электроустановок напряжением до 1000 В в сети с изолированной нейтралью сопротивление заземляющего устройства в стационарных сетях должно быть не более 10 Ом.

При измерении сопротивления испытуемого заземлителя (R_ИСП, см. рис. 3) необходимо иметь два дополнительных заземлителя: вспомогательный заземлитель (R_ВСП) и зонд (R_ЗОНД). Во избежание увеличения переходного сопротивления дополнительных заземлителей их стержни, стараясь не раскачивать, забивают в грунт прямыми ударами.

Вспомогательный заземлитель предназначен для создания цепи измеряемого тока, от источника через испытуемый заземлитель.

Зонд предназначен для подключения цепи измеряющеей падение напряжения на испытуемом заземлителе.

Чтобы в зоне растекания тока от испытуемого заземлителя зонд попал на участок земли с нулевым потенциалом (см. кривую распределения потенциала на поверхности земли на рис. 2), расстояние между испытуемым заземлителем и зондом должно быть не менее 20 метров.

Величину R_ВСП рекомендуется выбирать не более десятикратной величины нормированного значения сопротивления заземляющего устройства. Этого добиваются увеличением количества вспомогательных заземлителей (дополнительные стержни забивают на расстоянии не менее 2 – 3 метров друг от друга) или путем увлажнения почвы вокруг них.

Определение величины сопротивления заземлителя заключается в измерении напряжения на испытуемом заземлителе и силы протекающего через него тока, по схеме показанной на рис. 3.

Рис. 3 Схема измерения сопротивления заземляющего устройства

В этом случае:

.

В результате измерения шунтирующее сопротивление вольтметра вносит погрешность. Если сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления R_ИСП (в 100 – 1000 раз) этой погрешностью можно пренебречь. Если сопротивление вольтметра соизмеримо с сопротивлением R_ИСП, то потенциал на испытуемом заземлителе вычисляется по формуле:

,

где U_В – напряжение, показываемое вольтметром; R_ЗОНД – сопротивление зонда; R_В – внутреннее сопротивление вольтметра.

В лабораторной работе измерение сопротивления заземляющего устройства производится с помощью измерителя М-416.

Измеритель сопротивления заземления М-416 является прибором с непосредственным отсчетом и предназначен для измерения сопротивления заземляющих устройств, активных сопротивлений, а также для определения удельного сопротивления грунта.

О с н о в н ы е х а р а к т е р и с т и к и п р и б о р а

1. Пределы измерения:

• 0,1 – 10 Ом;

• 0,5 – 50 Ом;

• 2 – 200 Ом;

• 10 – 1000 Ом.

2. Основная погрешность прибора не превышает % от измеряемой величины при сопротивлениях вспомогательного заземлителя и зонда не более:

• 500 Ом в диапазоне 0,1 – 10 Ом;

• 1000 Ом в диапазоне 0,5 – 50 Ом;

• 2500 Ом в диапазоне 2 – 200 Ом;

• 5000 Ом в диапазоне 10 – 1000 Ом,

где R_к.д. – конечное значение диапазона; R_x – измеряемое сопротивление.

3. Дополнительная погрешность от влияния блуждающих токов частоты 50 Гц не превышает половины основной погрешности.

4. Потребляемый ток – 90 мА.

5. Питание от сухих элементов типа 373 (3 штуки) общее напряжение – 4,5 В.

6. Количество измерений, обеспечиваемое одним комплектом сухих элементов – 1000.

7. Напряжение на зажимах прибора при разомкнутой внешней цепи и номинальном напряжении источника питания – 13 В.

8. Габаритные размеры (см) – 245х140х160.

9. Масса – 3 кг.

У с т р о й с т в о и п р и н ц и п д е й с т в и я п р и б о р а

Измеритель типа М-416, схема которого приведена на рис. 4, питается от батареи из трех элементов типа 373 или аналогичных (общее напряжение 4,5 В).

На лицевой панели прибора расположены органы управления: ручка переключателя пределов (четыре диапазона измерения), ручка калиброванного переменного сопротивления (реохорда), кнопка включения, четыре зажима для подключения измеряемого объекта (см. рис. 5).

Рис. 4 Принципиальная электрическая схема измерителя типа М-416

Рис. 5 Схема измерения заземления прибором типа М-416: 1, 2, 3, 4 – зажимы

В приборе смонтированы преобразователь постоянного тока в переменный (генератор) для создания цепи измеряемого тока (выходные зажимы 1 и 4), к которому присоединяют испытуемый R_ИСП и вспомогательный R_ВСП заземлители, а также измерительная цепь (входные зажимы 2 и 3) состоящая из усилителя, детектора и индикатора, на которую поступает измеряемая разница потенциалов между испытуемым заземлителем R_ИСП и зондом R_ЗОНД (см. рис. 5).

Используемый в приборе принцип измерения компенсационный – сравниваются падения напряжения на испытуемом R_ИСП и эталонном сопротивлениях (калиброванном резисторе – реохорде). Прибор проверяют по эталонному сопротивлению 5 Ом. Отсчет производится тогда, когда стрелка индикатора приводится реохордом в нейтральное положение. Если ожидаемое сопротивление R_ИСП менее 5 Ом, перемычку между зажимами 1 и 2 снимают и зажим 2 отдельным проводом присоединяют к R_ИСП. Последнее позволяет уменьшить шунтирующее действие цепи, осуществляющей измерение разницы потенциалов между испытуемым заземлителем R_ИСП и зондом R_ЗОНД.

О п и с а н и е л а б о р а т о р н о г о с т е н д а

Лабораторная работа выполняется на стенде, принципиальная электрическая схема которого представлена на рис. 6.

На рис. 6 обозначены:

R₁, R₂, R₃, R₄ – переменные проволочные резисторы, номинальное сопротивление которых равно 15 Ом ± 5%, минимальное – 0 Ом.

Закон зависимости сопротивления указанных резисторов от угла поворота оси линейный.

Ручки управления резисторами наполовину утоплены в корпус и расположены в нижнем торце стенда. Внешний вид стенда показан на рис. 7.

Рис. 6 Принципиальная электрическая схема стенда измерения сопротивления заземляющих устройств

Рис. 7 Внешний вид стенда измерения сопротивления заземляющих устройств

Порядок выполнения лабораторной работы

1. Подготовить прибор к работе:

а) расположить прибор на ровной поверхности. Прибор следует располагать в непосредственной близости от измеряемого заземлителя, так как при этом на результат измерения меньше сказывается сопротивление соединительных проводов;

б) установить переключатель П-1 в положение “контроль 5 Ом”. Нажать кнопку и, вращая реохорд, добиться установки стрелки индикатора на нулевую отметку. На шкале реохорда при этом должно быть показание 5±0,3 Ом, что говорит об исправности прибора.

Рис. 8 Схема включения прибора М-416 для грубых измерений сопротивления заземления

2. Собрать с использованием стенда и прибора схему по рис. 8. Переключатель П-1 установить в положение 1. Нажать кнопку и, вращая ручку реохорда, добиться максимального приближения стрелки индикатора к нулю. Произвести снятие отсчета. Если в диапазоне 1 установить индикатор на ноль и произвести измерение невозможно (т.е. если полученное сопротивление окажется больше 10 Ом), то перейти на следующий диапазон 5 и так далее (20, 100), пока стрелка индикатора на очередном диапазоне не установится на ноль. После чего для получения результата измерения необходимо умножить показание шкалы прибора на множитель, соответствующий положению переключателя П-1.

3. Собрать с использованием стенда схему по рис. 9 и произвести измерения, аналогично указанному в п. 2.

Рис. 9 Схема включения прибора М-416 для точных измерений сопротивления заземления

4. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Таблица 1

№ п/п	Наименование измеренной величины	Измеренное сопротивление, Ом	Использованная схема измерения (рис. №)
1	RИСП заземлителя		Рис. 8
2	RИСП заземлителя		Рис. 9

Содержание отчета

1. Краткое описание принципа измерения сопротивления прибором

М-416.

2. Схемы измерений R_ИСП.

3. Таблица с результатами измерений.

4. Выводы и предложения о том, для каких электроустановок в соответствие с ГОСТ 12.1.030-81 или ПУЭ применимо испытуемое заземляющее устройство в качестве защитного.

5. Ответы на следующие вопросы:

- что понимается под защитным заземлением?

- в чем состоит основой принципа действия защитного заземления?

- что такое выравнивание потенциала?

- на каком расстоянии от заземлителя потенциал практически равен нулю?

- в каком случае защитная эффективность заземления больше, в случае его меньшего сопротивления или в случае его большего сопротивления?

- что называют заземляющим устройством?

- для чего предназначен вспомогательный заземлитель?

- для чего предназначен зонд?

- не выше какой величины нормированного значения сопротивления заземляющего устройства должна быть величина сопротивления вспомогательного заземлителя?

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 3