[04-2023] Анализ методов измерения сопротивления заземлителей устройств автоматики и связи

[Admin]

Анализ методов измерения сопротивления заземлителей устройств автоматики и связи

ЕВДОКИМОВА Ольга Геннадьевна, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
шишигин Сергей Леонидович, Вологодский государственный университет, кафедра «Управляющие и вычислительные системы», профессор, д-р техн, наук, г. Вологда, Россия
КУЦЕНКО Сергей Михайлович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
МЕШКОВ Баир Александрович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», студент, Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: методы измерения заземления, мониторинг сопротивления заземления, заземлитель, заземление в системах связи и автоматики
Аннотация. Проанализированы методы измерения сопротивления заземляющих устройств. Рассмотрен один из вариантов решения задачи построения автоматизированной системы мониторинга сопротивлений заземляющих устройств с возможностью использования естественных электрических процессов и молниевых токов, протекающих в заземляющем устройстве, в качестве измерительного сигнала.

Важная роль заземлений для средств автоматики и связи железнодорожной инфраструктуры обусловливает актуальность исследований в этой области. Заземляющих устройств (ЗУ) становится все больше, возрастают требования к их эффективности [1]. Особого внимания заслуживает вопрос измерения сопротивления заземлений. С одной стороны, множество территориально рассредоточенных заземлений и несовершенная методика измерения затрудняют контроль за их состоянием, с другой - изменение сопротивления заземлений при прохождении по ним молниевых токов в настоящее время никак не измеряется.
При этом в существующих методах и приборах уделяется недостаточное внимание точности и актуальности данных.
Известно, что величина со
противления заземлителя может измениться в любой момент времени из-за изменения состава грунта, разрушения сварных швов, повреждения от грозовых разрядов и др. Естественно, что такой заземлитель не способен полноценно выполнять свои функции. Следует отметить, что сбор данных о процессах, происходящих в заземляющих устройствах в момент прохождения по ним грозового разряда, к сожалению, не осуществляется, хотя наличие такой информации помогло бы процессу усовершенствования систем молниезащиты.

Напомним, что заземления служат для защиты устройств, а также обслуживающего персонала от опасных напряжений, возникающих при воздействиях грозовых разрядов, линий электропередачи и контактных сетей электрифицированных железных дорог. Для защиты аппаратуры от статического электричества и ограничения уровня напряжения на корпусе оборудования идеальное сопротивление заземления должно быть равно нулю, чего достичь практически невозможно.
Параметром, определяющим качество заземления, является сопротивление, которое необходимо контролировать [2]. Для его измерения существуют различные методы, два из которых наиболее широко распространены (ГОСТ Р 50571.16-2007): амперметра-вольтметра и безэлектродный [3].
Несмотря на то, что способы выполнения измерения у разных методов отличаются, тем не менее в их основе лежит закон Ома. В конечном итоге практически все методы сводятся к определению напряжения и тока в измеряемом заземлителе и последующему вычислению по известной формуле сопротивления заземлителя.
Метод измерения амперметром-вольтметром. Этот метод также называют методом измерения сопротивления заземления с помощью стержневых электродов, потому что зачастую измерительные электроды представляют собой стержни. Метод имеет два основных варианта исполнения: трехпроводное (менее требовательное к оборудованию) и четырехпроводное (более точное). Принципиальная схема обоих вариантов исполнения представлена на рис. 1, где токовый (Т) и измеряемый (И) электроды располагаются на расстоянии, при котором зоны растекания тока этих заземлителей не пересекаются. Потенциальный электрод П устанавливается между электродами Т и И.
Такое расположение электродов Т и И необходимо для достижения требуемой точности измерения. Электрод П располагается вне зон растекания тока других электродов, поскольку в противном случае значение сопротивления заземления сильно коррелирует с расстоянием между измеряемым и потенциальным электродами. Этот эффект представлен на рис. 2 и рис. 3 [4]. Причем на рис. 2 продемонстрированы перекрывающиеся зоны, на рис. 3 - неперекрывающиеся зоны растекания тока между электродами.

К токовому и измеряемому электродам прикладывается переменное напряжение неизменяемой амплитуды, вызывающее протекание тока по электродам и между ними. Затем измеряется напряжение между потенциальным и измеряемым электродами. Сопротивление заземления равно отношению падения напряжения между потенциальным и измеряемым электродами к току, протекающему между токовым и измеряемым электродами [3].
Для проверки полученного результата проводятся еще два измерения, во время которых потенциальный электрод перемещается на 6 м ближе и дальше относительно измеряемого электрода (см. рис. 1 точки X и Y). Если разница между полученными значениями невелика, то сопротивление заземления принимается равным среднему арифметическому трех измерений. Если разница
существенна, то измерения повторяются при условии увеличения расстояния между электродами или изменения направления расположения потенциального и токового электродов относительно измеряемого [4].
В случае, если контур ЗУ имеет малые размеры, а вблизи отсутствуют разные коммуникации, расстояние между электродами Т и И должно быть не менее пяти максимальных линейных размеров ЗУ. Для заземляющего устройства в виде многоугольника - это диагональ заземлителя, для одиночного вертикального или горизонтального стержня (ленты) - длина стержня. При этом электрод П размещается в середине между электродами Т и И.
При невозможности такого расположения токовый электрод следует установить от измеряемого на расстоянии, соответствующем трем и более максимальным линейным размерам ЗУ. Потенциальный электрод в этом случае последовательно перемещается на расстояние 10, 20, ... 80, 90 % от расстояния между электродами Ти И.
По полученным значениям строят график (рис. 4). Если он соответствует требуемому изображению при значениях сопротивлений, измеренных на расстоянии между электродами П и И, равном 40 и 60 % от расстояния между токовым и измеряемым электродами, и отличающихся друг от друга не более чем на 10 %, то R3y - это показатель, полученный при расположении потенциального электрода в середине между токовым и измеряемым электродами. Если кривая не монотонна, измерения нужно повторить, изменив направление расположения электродов П и Т относительно И, так как немонотонность возникает из-за влияния различных коммуникаций или неоднородности почвы [4].
Четырехпроводная схема в отличие от трехпроводной подразумевает подключение измерительных приборов к заземлителю отдельными проводами. Это позволяет нивелировать влияние тока, протекающего по общему проводу, на показания вольтметра. Так как в четырехпроводной схеме вольтметр подключен к заземлителю отдельно от амперметра, ток в цепи вольтметра ничтожно мал и фактически не влияет на показания прибора [5].
Известно, что при выполнении измерений с током частотой 50 Гц сопротивление вольтметра должно быть больше или равно 200 Ом/В. При этом применяемый источник тока необходимо отделить от сети (например, посредством трансформаторной или гальванической развязки).

Для нивелирования влияния случайных посторонних токов на результат измерений следует до подключения источника тока измерить напряжение между испытуемым заземлением и потенциальным электродом. При наличии напряжения, создающего недопустимую погрешность, для ее уменьшения нужно увеличить ток источника или избирательность измерительного прибора по частоте. Кроме того, для снижения влияния посторонних токов необходимо изменить направление разноса токового и потенциального электродов.
При использовании высокочастотного переменного или импульсного тока электроды Т и П следует располагать под прямым или близким к нему углом. Это позволяет исключить взаимное индуктивное влияние проводов, но такое расположение вносит некоторую погрешность [6].
Достоинствами метода являются простота и точность. Однако для его проведения требуется большое свободное пространство вокруг ЗУ и обязательное отключение ЗУ от электроустановки на время измерений.
Измерение сопротивления заземляющего контура с помощью токоизмерительных клещей. Этот метод применим для контуров внутри ячеистой системы заземления, где сопротивлением контура (Rx) является отношение напряжения, наводимого первым зажимом, к току контура, измеряемому вторым зажимом. При этом искомое сопротивление заземления считается примерно равным сопротивлению контура или незначительно меньше его. Схема измерения сопротивления заземляющего контура с помощью токоизмерительных клещей представлена на рис. 5. Нормативные документы разрешают применение как раздельных, так и совмещенных токоизмерительных и индуцирующих зажимов.
Этот метод применим в системах с глухозаземленной нейтралью (TN), а также в квазисистемах TN, образованных замыканием нейтрали на землю с заземлением, отделенным от заземления источника питания (ТТ). При этом для обеспечения безопасности во время измерений систему необходимо отключить от сети, чтобы исключить возможность влияния разницы потенциалов между нейтралью и заземлением.
Достоинствами метода является способность измерения сопротивления изоляции без установки измерительных заземлителей и без отключения ЗУ от электроустановки. Недостаток метода заключается в том, что он может напрямую применяться только в системах ТТ и TN с ячеистым заземлением. Причем для систем ТТ необходимо замыкание нейтрали на заземление, из-за чего напряжение питания защищаемой системы необходимо на время измерений отключить. К недостаткам также можно отнести меньшую точность по сравнению с методом амперметра-вольтметра.

Метод автоматического определения сопротивления заземления. В процессе поиска решений по устранению выявленных недостатков рассмотренных методов измерения сопротивления заземления специалисты нашего университета разработали метод автоматического определения сопротивления заземления [7] и устройство [8], структурная схема которого представлена на рис. 6. В схеме приняты следующие условные обозначения: 1 - шина заземления, 2 - заземляющее устройство электроустановки, 3 -блок гальванической развязки для датчика тока, 4 - блок гальванической развязки для датчика напряжения, 5 - удаленный электрод, 6 - блок измерений, 7 - датчик тока, 8 - датчик напряжения, 9 -делитель, 10 - блок преобразования, 11 - блок сравнения, 12 - блок вывода информации.
Принцип работы устройства основан на измерении тока и напряжения, под которые попадает заземляющее устройство при воздействии молниевых разрядов или переходных процессов, а также возникающих в высоковольтных цепях
при различных переключениях. В таких случаях ток, протекающий по шине заземления 1 и заземляющему устройству 2, может иметь амплитуду в десятки тысяч ампер, что станет фатальным для оборудования. Для безопасной эксплуатации измерительных устройств предусмотрены каскады гальванической развязки для датчиков тока 3 и напряжения 4, подключаемых к шине заземления 1.
Процесс измерения заключается в следующем. Цифровой датчик 7 измеряет ток, протекающий по заземляющему устройству, а датчик 8 - напряжение, воздействующее на ЗУ. Делитель 9, на который поступают измеренные значения тока и напряжения, рассчитывает по закону Ома мгновенное значение сопротивления заземления.
Преобразователь 10 выполняет преобразование мгновенного значения сопротивления, полученного с учетом частотных свойств грунта, к нормируемому стационарному значению. Блок сравнения 11 сопоставляет значения, полученные на выходе преобразователя, с нормативными показателями и передает данные на блок вывода информации 12. Последний полученную из блока 11 информацию о соответствии/ несоответствии сопротивления заземления нормативному значению хранит в базе данных вместе с информацией о предыдущих измерениях.
По сравнению с прототипом [9] данное устройство для измерения сопротивления заземления обладает повышенной надежностью благодаря использованию блоков гальванической развязки для датчиков тока и напряжения. Приме
нение устройства для автоматического определения сопротивления заземления позволяет не только повысить точность измерения и исключить фиктивное выполнение данной работы, но и вывести процедуру контроля состояния заземлителей на новый уровень.

В заключение отметим, что автоматический мониторинг определения сопротивления заземлений позволит исключить из графика техпроцесса измерительные работы и всегда иметь актуальные данные о состоянии заземляющих устройств, контролировать и предотвращать повышение сопротивления заземления до того, как это приведет к отказу устройств или электрическим травмам работников.

СПИСОК источников

1. Парщиков А.В. Защита объектов связи от поражающих факторов // Автоматика, связь, информатика. 2009. № 8. С. 39-41.
2. Евдокимова О.Г. Повышение эксплуатационных показателей заземлителей устройств автоматики и связи // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 7. С. 8-11. DOI: 10.34649/ АТ.2022.7.7.002.
3. ГОСТ Р 50571.16-2007 (МЭК 60364-6:2006) Электроустановки низковольтные. Часть 6. Испытания. Введ. 01.01.2009. М.: Стандартин-форм, 2008. Доступ через БД «Те-хэксперт». URLhttps:// docs.cntd.ru/ document/1200067415.
4. Бургсдорф В.В., Якобс А.И. Заземляющие устройства электроустановок. М.: Энергоатомиздат, 1987. 400 с.
5. Шишигин С.Л., Шишигин Д.С. Расчет заземлителей : монография. Вологда: ВоГУ, 2020. 219 с.
6. Шишигин С.Л., Черепанов А.В., Шишигин Д.С. Импульсный метод измерения сопротивления заземлителей// Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2019. Т. 25. № 2. С. 30-41.
7. Борисова Н.С, Костроминов А.А., Ложкин P.O. Метод и устройство автоматического мониторинга сопротивления заземления // СПБНТОРЭС: Труды ежегодной НТК. 2021. № 1 (76). С. 214-216.
8. Пат. № 2736073 РФ G01R 27/20 Устройство для измерения сопротивления заземления / Костроминов А. М., Костроминов А. А., Ложкин P.O., Шишигин С.Л.; патентообладатель ПГУПС. № 2020110420; заявл. 11.03.2020; опубл. 11.11.2020; Бюл. № 32.
9. Пат. № 140217 РФ G01R 27/00 Устройство для измерения сопротивления заземления / Пасеков А.Ю., Педанов М.В., Толмачев В. Д.; правовобладатель ООО «НПФ МИЭиЭ «Приборы Мосэнер-гонадзора». № 2013157295/28; заявл. 24.12.2013; опубл. 10.05.2014; Бюл. 13.