Wilgotność Gruntu: Elektryczne Metody Pomiaru
- Szczegóły
Grunt stanowi fundamentalny element wielu dziedzin inżynierii, a jego właściwości elektryczne są niebywale istotne w kontekście różnych zastosowań, takich jak budowa fundamentów, projektowanie linii elektrycznych czy badania środowiska naturalnego. Rezystywność gruntu to miara jego zdolności do oporu wobec przepływu prądu elektrycznego. Jest to bardzo istotne w kontekście systemów uziemiających, gdzie konieczne jest zapewnienie relatywnie niskiej rezystywności, aby skutecznie odprowadzać prąd do ziemi.
Wprowadzenie
W branży budowlanej pomiar wilgotności odgrywa bardzo ważną rolę, ponieważ zawartość wody w materiałach i konstrukcjach bezpośrednio wpływa na ich jakość, trwałość oraz bezpieczeństwo. Zbyt wysoka wilgotność betonu, zaprawy czy drewna może prowadzić do obniżenia ich wytrzymałości, odkształceń i pękania. Nadmierna ilość wody w ścianach czy fundamentach sprzyja także korozji stali zbrojeniowej oraz niszczeniu tynków i izolacji. Dodatkowo, wilgoć stwarza warunki do rozwoju pleśni i grzybów, co nie tylko osłabia konstrukcję, ale także zagraża zdrowiu użytkowników budynku.
Wartość rezystancji uziemienia określona na etapie projektu powinna być utrzymana przez cały okres eksploatacji danego obiektu. W zależności od typu instalacji mogą być wymagane wartości na poziomie od kilkudziesięciu Ω (np.: uziemienia linii SN i WN) do nawet pojedynczych Ω (stacje elektroenergetyczne). W typowych obiektach najczęściej wymagane kryterium stanowi wartość 10 Ω. Układ uziemiający w dłuższym okresie eksploatacji narażony jest na korozję, która może doprowadzić do przerwania ciągłości przewodów lub uszkodzenia połączeń.
Znaczenie Rezystywności Gruntu
Rezystywność elektryczna gruntu (wyrażana w jednostkach Ω·m) to parametr określający zdolność gleby do przewodzenia prądu elektrycznego. Im wyższa rezystywność, tym słabsze przewodnictwo. Ten parametr jest kluczowy w projektowaniu instalacji uziemiających, ponieważ to właśnie grunt stanowi ostatni element toru przepływu prądu do ziemi - np. w przypadku wyładowania atmosferycznego lub przepięcia. Wysoka rezystywność może prowadzić do nieskutecznego odprowadzenia ładunku, co zwiększa ryzyko porażeń, uszkodzeń urządzeń i zakłóceń w działaniu systemów. Z kolei niska rezystywność umożliwia skuteczne rozproszenie energii, chroniąc ludzi, infrastrukturę oraz systemy elektroenergetyczne. Pomiar rezystywności jest niezbędny m.in. w instalacjach PV, turbinach wiatrowych, ochronie odgromowej i przemysłowej automatyce.
Pomiar rezystywności gruntu należy wykonać przed zaprojektowaniem lub modernizacją systemu uziemiającego. Dotyczy to zarówno nowych inwestycji, jak i rozbudowy już istniejących instalacji - niezależnie od tego, czy mówimy o budynku mieszkalnym, farmie fotowoltaicznej, turbince wiatrowej czy rozdzielni średniego napięcia. W przypadku OZE, pomiary te są szczególnie istotne, ponieważ systemy te często lokalizowane są w otwartym terenie, gdzie warunki gruntowe mogą się znacznie różnić. Warto wykonać badanie również w sytuacji, gdy zachodzi podejrzenie, że obecna instalacja uziemiająca działa niewłaściwie lub uległa uszkodzeniu. Często inwestorzy zlecają takie pomiary również przed zakupem działki inwestycyjnej, aby ocenić potencjalne koszty przyszłego uziemienia.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Czynniki Wpływające na Rezystywność Gruntu
Na rezystywność gruntu wpływa szereg czynników geologicznych i środowiskowych. Przede wszystkim decydują o niej rodzaj gleby (piaski, gliny, iły, żwiry), jej wilgotność, gęstość, zawartość soli mineralnych oraz temperatura. Grunty suche i piaszczyste mają zwykle wysoką rezystywność, natomiast grunty wilgotne i gliniaste - znacznie niższą. Duże znaczenie ma również głębokość - niższe warstwy gruntu są zwykle bardziej wilgotne i mają lepsze przewodnictwo. W zimie, przy zamarzniętej powierzchni, rezystywność może gwałtownie wzrosnąć, co wpływa na skuteczność systemów uziemiających. Warto też wspomnieć o zanieczyszczeniach - np. grunt nasączony olejami czy ściekami będzie miał zupełnie inne właściwości niż grunt naturalny.
Tak, rezystywność gruntu jest parametrem zmiennym w czasie i może ulegać znacznym wahaniom w zależności od warunków atmosferycznych, sezonowych oraz działalności człowieka. Największy wpływ na zmianę rezystywności ma wilgotność gleby - w porze suchej (lato) lub przy długotrwałym braku opadów grunt staje się bardziej suchy, co skutkuje wzrostem rezystywności. Zimą, gdy górna warstwa gruntu zamarza, przewodnictwo również spada, zwłaszcza w glebach piaszczystych. Wiosną i jesienią, kiedy poziom wód gruntowych jest wyższy, rezystywność może się znacząco obniżyć. Dodatkowo, wpływ mają czynniki antropogeniczne: prace ziemne, nawożenie chemiczne, zanieczyszczenia przemysłowe czy budowa infrastruktury. W rejonach zurbanizowanych występują też częściej grunty sztucznie nasypane lub zanieczyszczone, co zmienia ich właściwości przewodzące. Dlatego zaleca się wykonywanie pomiarów w realnych warunkach eksploatacyjnych - najlepiej w porze, która będzie odpowiadała typowemu obciążeniu układu. W przypadku krytycznych systemów (np.
Metody Pomiaru Rezystancji Uziemienia
Istnieje kilka metod pomiaru wartości rezystancji uziemienia, które różnią się zakresem zastosowania i dokładnością:
- Metody Techniczne: Pozwalają na pomiar wartości rezystancji uziemienia dowolnych układów uziemiających, zarówno indywidualnych, jak i uziomów otokowych, czy fundamentowych.
Idea pomiaru wartości rezystancji uziemienia metodą techniczną (3P/4P) przedstawiona jest na rys. 1.
Metody techniczne bazują na pomiarach przy małych częstotliwościach, dzięki czemu wynikiem pomiaru jest wartość rezystancji uziemienia. Metody techniczne przy pomiarach złożonych układów uziomowych lub układów, gdzie uziomy są wzajemnie połączone nad ziemią, np. przewodami urządzenia piorunochronnego, wymagają rozłączania złącz kontrolno-pomiarowych ZKP. Metody techniczne pozwalają na pomiar wartości rezystancji uziemienia dowolnych układów uziemiających, zarówno indywidualnych, jak i uziomów otokowych, czy fundamentowych.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Rozszerzeniem metody trzybiegunowej (3P) jest metoda techniczna 4P. Metoda czterobiegunowa zalecana jest do pomiaru uziomów o małych wartościach rezystancji. Dodatkowy przewód (ES) pozwala na kompensację wpływu rezystancji przewodów pomiarowych.
Sondy pomocnicze powinny być rozmieszczone wzdłuż linii prostej od badanego uziomu. Ogólnie zaleca się, aby odległość d była co najmniej 5-krotnie większa od wymiaru uziomu (długości uziomu poziomego, głębokości pogrążenia uziomów pionowych, przekątnej uziomu kratowego). A zatem im bardziej rozległy jest układ uziemiający, tym większa odległość rozmieszczenia sond pomocniczych. Sonda napięciowa powinna być umieszczona w odległości około 0,6d. Aby mieć pewność, że uzyskany wynik jest prawidłowy należy powtórzyć pomiar przesuwając sondę S o kilka metrów w stronę uziomu oraz w stronę sondy prądowej. Jeżeli wyniki nie różnią się więcej niż 3% to pomiar uznaje się za poprawny, natomiast jeżeli różnica w wynikach jest większa to należy zwiększyć odległość sondy prądowej.
- Metody Cęgowe: Wśród metod cęgowych można wyróżnić metodę 3P+cęgi oraz metodę dwucęgową.
Najwygodniejszą metodą pomiaru wartości rezystancji uziemienia jest metoda dwucęgowa (rys. 3). Największą zaletą tej metody jest brak konieczności stosowania sond pomocniczych i bardzo krótki czas pomiaru. Na przewodzie uziemiającym, bez rozłączania złącza kontrolnego, zakładane są jedynie cęgi nadawcze i cęgi odbiorcze.
Wadą tej metody jest jednak wąski zakres zastosowania. Metody cęgowe przeznaczone są do pomiaru indywidualnych uziemień wielokrotnych, które są wzajemnie połączone powyżej powierzchni ziemi. Może ona mieć zatem zastosowanie przy pomiarach uziomów typu A (np. indywidualne uziomy pionowe) urządzenia piorunochronnego (rys. 4). Innym przykładem zastosowania są pomiary uziemienia słupów trakcyjnych, które są ze sobą wzajemnie połączone przewodem uszynienia grupowego. Jeżeli metoda cęgowa zostanie zastosowania w przypadku uziomu otokowego lub fundamentowego to uzyskana zostanie bardzo mała wartość rezystancji, która w rzeczywistości będzie jedynie wynikiem pomiaru ciągłości badanego obwodu. Przykład ten najlepiej pokazuje, że do wyboru właściwej metody pomiarowej niezbędna jest wiedza o konfiguracji badanego układu uziemiającego zarówno pod kątem jego wzajemnych połączeń w ziemi, jak i nad jej powierzchnią.
Dokładność metody dwucęgowej zależna jest od właściwości badanego układu: im mniejsze wartości rezystancji uziemienia oraz im większa liczba wzajemnie połączonych uziomów, tym mniejszy błąd pomiaru.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
- Metoda Udarowa: Metody udarowe pozwalają z kolei na zbadanie odpowiedzi układu uziemiającego na przebiegi impulsowe. Do pomiarów stosowane są impulsy o różnych parametrach czasowych, przyjętych jako znormalizowane kształty udarów związanych z oddziaływaniem wyładowań atmosferycznych: 10/350 µs, 8/20 µs, 4/10 µs.
Wynikiem pomiaru w metodzie udarowej jest wartość impedancji układu uziemiającego, która najczęściej jest wyższa od wartości rezystancji, jaka byłaby uzyskana z zastosowaniem tradycyjnych metod pomiarowych przy małych częstotliwościach. Metoda udarowa nie wymaga rozłączania złącz kontrolnych, ale podobnie jak w metodach technicznych konieczne jest zastosowanie sond pomocniczych.
Chociaż w normach odgromowych PN-EN 62305-3 uwzględniono, że „pomiary przy wielkiej częstotliwości lub przy udarach są możliwe i użyteczne do określenia wysokoczęstotliwościowego lub udarowego zachowania się układu uziomów” to brakuje podstawowych wytycznych jaki powinien być kształt impulsu oraz jakie wartości impedancji uznaje się za odpowiednie. Metody udarowe mogą mieć zatem zastosowanie do ogólnej oceny stanu uziomu i jego kontroli na podstawie wyników pomiarów powykonawczych i okresowych.
- Metoda Pętli Zwarcia: Największe wyzwanie stanowią pomiary wartości rezystancji uziemienia w terenach zurbanizowanych. W takim środowisku najczęściej nie ma możliwości do rozstawu sond pomiarowych. Nie każdy układ ponadto jest odpowiedni do zastosowania metody dwucęgowej. W takich sytuacjach jako ostateczność pozostaje pomiar rezystancji uziemienia z zastosowaniem metody pętli zwarcia.
Zgodnie z normą dotyczącą sprawdzania instalacji elektrycznych PN-HD 60364-6 uzyskany tą metodą wynik pomiaru „z wystarczającą dokładnością odzwierciedla rezystancję uziomu” oraz „daje przybliżoną akceptowalną wartość”. Można zatem przyjąć, że metoda pętli zwarcia jest dopuszczalna gdy inne metody nie mają zastosowania.
Metoda Czteroelektrodowa Wennera
Pomiar rezystywności wykonuje się najczęściej metodą czteroelektrodową Wennera. W tej metodzie w ziemię wbija się cztery elektrody w jednej linii, w równych odstępach. Zewnętrzne elektrody służą do wprowadzenia prądu w grunt, a wewnętrzne mierzą spadek napięcia. Dzięki znanej geometrii układu i zmierzonemu napięciu oraz prądowi, można obliczyć rezystywność gruntu. Firma wykorzystuje w tym celu miernik Sonel MRU‑200, który umożliwia wykonywanie serii pomiarów z różnym rozstawem elektrod. Taka procedura pozwala na ocenę właściwości gruntu na różnych głębokościach - od warstwy powierzchniowej aż po kilka metrów w głąb.
Współczynniki Korekcyjne
Przy pomiarach wartości rezystancji uziemienia można spotkać się z wymaganiami stosowania współczynników sezonowych zmian rezystywności gruntu (współczynniki korekcyjne lub poprawkowe). Założeniem stosowania współczynników kp było uniezależnienie wyniku pomiaru od warunków pogodowych, które mogą mieć wpływ na wartość rezystywności gruntu. Wartość rezystancji uziemienia jest wprost proporcjonalna od rezystywności gruntu, a więc zmiany wilgotności, czy temperatury mogą mieć wpływ na wynik pomiaru. Przykładowo wyniki uzyskiwane w warunkach wilgotnej gleby należy przemnożyć przez odpowiednią wartość współczynnika kp > 1 (Tablica 1.). Dzięki temu uzyskuje się margines tolerancji dla wartości rezystancji uziemienia w warunkach suszy.
Współczynniki te są przywoływane na podstawie wartości podanych w książce K. Wołkowińskiego „Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych” opublikowanej w połowie XX. wieku. Warto jednak zwrócić uwagę, że żadne normy i standardy międzynarodowe nie wymagają stosowania takich współczynników. W praktyce największy wpływ warunków środowiskowych może być zauważalny w przypadku układów uziomów poziomych, ułożonych na niewielkich głębokościach (~0,5 m). W takim przypadku faktycznie może być zauważalny wpływ zmian wilgotności gleby, a wpływ temperatury ma znaczenie przed wszystkim przy temperaturach ujemnych. Z tego względu uziomy poziome należy układać poniżej głębokości przemarzania gruntu. Warto zauważyć, że dla uziomów poziomych wartości współczynników kp zawierają się w zakresie między 1,4, a 3,0. W takim przypadku bezpośredni wynik pomiaru musi być znacznie niższy od wymaganej wartości, co może prowadzić w niektórych przypadkach do problemów na etapie wykonawczym. Przykładowo przy pomiarach w gruncie wilgotnym (kp = 3,0) i wymaganej wartości rezystancji uziemienia 10 Ω wynik pomiaru nie mógłby być wyższy niż R = 3,3 Ω, co w zależności od warunków glebowych (rezystywności gruntu) może być trudne do uzyskania.
Aby uniknąć wpływu warunków środowiskowych i zminimalizować wpływ współczynników kp układy uziemiające należy rozbudowywać o uziomy pionowe pogrążane na głębokości co najmniej 6 m. W takim przypadku nawet w warunkach wilgotnego gruntu współczynnik kp przyjmuje maksymalnie wartość 1,3. Przy wymaganej wartości rezystancji uziemienia 10 Ω wynik pomiaru w takim przypadku powinien wynosić 7,7 Ω. Jest to związane z faktem, że na większych głębokościach warunki środowiskowe (wilgotność, temperatura) są w przybliżeniu stałe. Uziomy pionowe (o długości L ≥ 6 m) pozwalają zatem na uzyskanie stabilnej wartości rezystancji uziemienia w ciągu całego roku. Dodatkową korzyścią z pogrążania prętów jest często docieranie do warstw gruntu o mniejszej rezystywności, dzięki czemu możliwe jest szybsze uzyskanie wymaganej wartości rezystancji uziemienia.
Normy i Przepisy
Pomiary rezystywności gruntu powinny być wykonywane zgodnie z międzynarodowymi i krajowymi normami technicznymi. Najczęściej stosowane to: PN‑EN 50522, IEC 62305 oraz IEEE Std 81. Normy te określają metody pomiarowe (np. metoda Wennera), sposób przygotowania stanowiska pomiarowego, dobór rozstawu elektrod, a także sposób interpretacji wyników. Dodatkowo, w Polsce obowiązują wymagania zawarte w przepisach Prawa budowlanego, Prawa energetycznego oraz w dokumentach wewnętrznych zakładów energetycznych, które często mają własne standardy techniczne. Przestrzeganie norm jest nie tylko wymagane przy odbiorach instalacji, ale także kluczowe z punktu widzenia ubezpieczeń oraz ewentualnych roszczeń.
Kiedy Wykonywać Pomiary?
Pomiar rezystancji uziemienia powinien być przeprowadzany w określonych sytuacjach, aby zapewnić bezpieczeństwo i efektywność funkcjonowania instalacji elektrycznych. Oto kilka kluczowych momentów, kiedy takie pomiary są szczególnie ważne:
- Po zakończeniu budowy lub modernizacji instalacji.
- Regularnie, co określony czas (przynajmniej raz na kilka lat).
- Po wystąpieniu zmian w otoczeniu (np. ekstremalne warunki pogodowe).
- W przypadku awarii elektrycznych.
Protokół z Pomiarów
Pomiary powinny być zakończone sporządzeniem stosownego protokołu, który poza samymi wynikami powinien zawierać ocenę stanu układu uziemiającego. Taki protokół może być częścią kompletnego protokołu z badania układu uziemiającego lub urządzenia piorunochronnego obejmującego dodatkowo oględziny instalacji. W zakresie dotyczącym pomiarów w protokole mogą być ujęte następujące kwestie:
- data,
- dane osoby przeprowadzającej pomiary i stosowne uprawnienia,
- warunki pogodowe,
- informacja o przyrządach pomiarowych z dołączonym świadectwem kalibracji,
- metoda pomiarowa,
- jednoznaczne oznaczenia punktów pomiarowych lub szkic obiektu z zaznaczeniem tych punktów,
- kierunek i odległości rozmieszczenia sond pomiarowych (jeżeli dotyczy),
- wyniki pomiarów (z ewentualnym uwzględnieniem współczynników korekcyjnych, jeżeli wymagane),
- informacja o ewentualnych zmianach w stosunku do wyników poprzednich,
- stwierdzenie, czy układ uziemiający spełnia wymagania.
Tabela 1. Współczynniki sezonowych zmian zastępczej rezystywności gruntu
| Rodzaj uziomu | Wartości współczynnika kp, jeżeli grunt w czasie pomiarów był | ||
|---|---|---|---|
| suchy a) | wilgotny b) | mokry c) | |
| Poziomy ułożony na głębokości 0,6 ¸ 1,0 m | 1,4 | 2,2 | 3,0 |
| Pionowy o długości L = 2,5 ¸ 5 m | 1,2 | 1,6 | 2,0 |
| Pionowy o długości L > 5 m | 1,1 | 1,2 | 1,3 |
| Układ uziomów mieszany | należy ustalić odpowiednio do wpływu rezystancji uziomów poziomych i pionowych na rezystancję wypadkową uziemienia badanego układu uziomów | ||
UWAGI: można przyjmować w okresie od czerwca do września (włącznie) z wyjątkiem trzydniowych okresów po długotrwałych obfitych opadach, można przyjmować, że taki stan występuje poza okresem scharakteryzowanym w a), wartości tej kolumny można stosować, jeśli warunki nie dadzą się zakwalifikować ani do przypadku a) ani do b)
tags: #wilgotność #gruntu #metody #pomiaru #elektryczne
