Оглавление
- Введение
- Назначение и виды вспомогательных электродов
- Конструкция и требования к вспомогательным штырям заземления
- Основные схемы измерений и роль вспомогательных электродов
- Принцип метода падения потенциала
- Зоны растекания тока и необходимость их неперекрытия
- Расстояния между электродами
- Проверка правильности установки потенциального электрода
- Когда требуются дополнительные электроды
- Практические рекомендации по установке штырей
- Типичные ошибки при использовании вспомогательных электродов
- Особенности применения приборов ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05
1. Введение
Измерение сопротивления заземляющих устройств является обязательной процедурой при приёмо-сдаточных и периодических испытаниях электроустановок. Точность результата напрямую зависит от правильного применения вспомогательных электродов — специальных металлических стержней, которые временно устанавливаются в грунт для создания измерительной цепи.
Без вспомогательных электродов невозможно реализовать классический метод падения потенциала, который лежит в основе работы большинства современных измерителей сопротивления заземления. Именно эти электроды позволяют сформировать искусственную цепь тока и выделить зону нулевого потенциала, относительно которой измеряется напряжение на испытываемом заземлителе.
На практике вспомогательные электроды часто называют штырями заземления. Их правильный выбор, подготовка и размещение определяют, будет ли полученный результат соответствовать требованиям нормативных документов или окажется завышенным (заниженным) из-за перекрытия зон растекания. Ошибки на этом этапе особенно критичны при измерениях на сложных заземляющих устройствах большой площади, в грунтах с высоким удельным сопротивлением и при наличии подземных коммуникаций.
В настоящей статье рассматриваются назначение вспомогательных электродов, требования к их конструкции, основные схемы подключения, влияние зон растекания тока, а также практические аспекты установки и применения. Материал ориентирован на специалистов, выполняющих измерения с помощью приборов, работающих по двух-, трёх- и четырёхпроводным схемам.
Купить измеритель сопротивления заземления ИС-10 можно прямо сейчас, чтобы сразу приступить к проверке контуров на объекте.
2. Назначение и виды вспомогательных электродов
Вспомогательные электроды выполняют две принципиально разные функции, поэтому различают два основных вида:
- Токовый электрод (обозначается H, C2, Т2 или ВТ) — образует замкнутую цепь протекания измерительного тока между испытываемым заземлителем и удалённой точкой грунта. Через него пропускается ток известной величины.
- Потенциальный электрод (обозначается S, P2, П или зонд) — служит для измерения напряжения (падения потенциала) между испытываемым заземлителем и точкой грунта, расположенной в зоне нулевого потенциала.
Токовый электрод должен обеспечивать достаточно низкое сопротивление растеканию, чтобы прибор мог пропустить необходимый измерительный ток. Потенциальный электрод, напротив, работает в режиме практически нулевого тока (высокоомный вход измерителя), поэтому требования к его собственному сопротивлению менее жёсткие.
В отдельных методиках, особенно при измерениях на опорах линий электропередачи без отсоединения грозозащитного троса, применяют дополнительные электроды сравнения и вспомогательные токовые электроды. Их роль сводится к компенсации влияния параллельных цепей и уточнению положения зоны нулевого потенциала.
Правильное понимание назначения каждого электрода позволяет избежать типичной ошибки — установки обоих штырей слишком близко друг к другу или к измеряемому заземляющему устройству. В результате зоны растекания перекрываются, и прибор показывает значение, отличное от истинного сопротивления растеканию.
3. Конструкция и требования к вспомогательным штырям заземления
Вспомогательные штыри изготавливают, как правило, из неокрашенной стали. Наиболее распространённые параметры:
- длина — 0,8…1,0 м (иногда до 1,5 м);
- диаметр стержня — 12…20 мм (для труб наружный диаметр 25…30 мм);
- один конец заострён для облегчения забивки или снабжён винтовой нарезкой («буравчик»);
- на другом конце предусмотрены зажим (болт с барашковой гайкой) или поперечная рукоятка для удобства извлечения.
Глубина погружения штыря в грунт должна составлять не менее 0,5 м, а в сухих и песчаных грунтах рекомендуется 0,6…0,7 м. Чем глубже забит электрод, тем стабильнее контакт и ниже его собственное сопротивление растеканию.
Допустимые значения сопротивления вспомогательных электродов зависят от применяемого прибора и диапазона измерения, однако ориентировочные требования таковы:
| Тип электрода | Рекомендуемое сопротивление растеканию | Примечание |
|---|---|---|
| Токовый | не более 150…200 Ом | При превышении значения прибор может не обеспечить необходимый ток |
| Потенциальный | не более 1000 Ом | Менее критично, но высокое сопротивление увеличивает влияние помех |
В грунтах с высоким удельным сопротивлением (песок, скальный грунт, мёрзлая почва) одного штыря часто оказывается недостаточно. В этом случае токовый электрод выполняют из двух-трёх параллельно соединённых стержней, расположенных на расстоянии 2…3 м друг от друга. Грунт вокруг электродов при необходимости увлажняют (иногда слабым раствором соли), а после забивки уплотняют.
Поверхность штырей должна быть очищена от краски, ржавчины и окислов в местах присоединения проводов. Использование омеднённых или нержавеющих стержней повышает долговечность комплекта, однако для разовых измерений вполне достаточно обычной конструкционной стали.
4. Основные схемы измерений и роль вспомогательных электродов
В зависимости от конструкции измерителя и требуемой точности применяют несколько схем подключения.
Двухпроводная схема
Используется редко и только при наличии хорошо заземлённой вспомогательной точки (например, металлического водопровода или заземления другого объекта). Вспомогательные штыри в классическом виде не применяются. Результат включает сопротивление соединительных проводов и переходные сопротивления контактов, поэтому метод подходит лишь для ориентировочных оценок.
Трёхпроводная схема
Наиболее распространённый вариант. К испытываемому заземлителю подключают один вывод прибора (часто с перемычкой между токовым и потенциальным гнёздами), токовый штырь устанавливают на значительном расстоянии, потенциальный — между ними. Сопротивление соединительных проводов частично исключается, однако сопротивление самого зажима на заземлителе остаётся в результате.
Приборы ИС-05 и ИС-06 работают преимущественно по двух- и трёхпроводным схемам. Для них особенно важно обеспечить низкое сопротивление токового электрода, чтобы измерительный ток достигал необходимой величины.
Четырёхпроводная схема
Обеспечивает наивысшую точность. Токовые и потенциальные цепи полностью разделены. К заземлителю подводят два отдельных провода: один — токовый, второй — потенциальный. Сопротивление проводов и переходные сопротивления контактов практически не влияют на результат. Данный метод реализован в приборах ИС-10 и ИС-20.
Роль вспомогательных электродов во всех схемах остаётся неизменной: токовый штырь создаёт цепь тока, потенциальный — фиксирует напряжение в зоне нулевого потенциала. Разница заключается лишь в способе подключения к самому измеряемому объекту.
5. Принцип метода падения потенциала
Метод падения потенциала основан на законе Ома. Через испытываемый заземлитель и удалённый токовый электрод пропускают переменный ток \( I \) известной величины. Одновременно измеряют напряжение \( U \) между заземлителем и потенциальным электродом, расположенным в зоне, где потенциал грунта практически равен нулю.
Сопротивление заземлителя вычисляется по простой формуле:
\[ R = \frac{U}{I} \]При условии, что зоны растекания тока испытываемого заземлителя и токового электрода не перекрываются, а потенциальный электрод находится вне этих зон, полученное значение соответствует истинному сопротивлению растеканию.
На практике потенциал вдоль линии, соединяющей заземлитель и токовый электрод, изменяется нелинейно. Вблизи каждого из электродов наблюдается крутой градиент потенциала. Между этими областями существует относительно плоский участок — зона нулевого (или почти нулевого) потенциала. Именно в этой зоне должен располагаться потенциальный электрод.
Если потенциальный штырь случайно окажется внутри зоны влияния заземлителя или токового электрода, измеренное напряжение окажется завышенным или заниженным, и результат будет ошибочным. Поэтому правильный выбор расстояний и последующая проверка положения потенциального электрода являются обязательными этапами измерения.
6. Зоны растекания тока и необходимость их неперекрытия
Каждый электрод, через который протекает ток, создаёт вокруг себя зону повышенного градиента потенциала. Размер этой зоны зависит от размеров электрода, удельного сопротивления грунта и величины тока.
Для вертикального стержня зона существенного влияния простирается примерно на расстояние, равное нескольким его длинам. Для протяжённых заземляющих устройств (контуров, сеток) размер зоны определяется наибольшим габаритным размером \( D \) (диагональю или длиной луча).
Если зоны растекания испытываемого заземлителя и токового электрода перекрываются, часть измерительного тока начинает протекать по «короткому пути», и напряжение, снимаемое потенциальным электродом, уже не соответствует полному падению потенциала на заземлителе. В результате прибор показывает заниженное значение сопротивления.
Нормативные документы требуют, чтобы зоны растекания не перекрывались. На практике это достигается установкой токового электрода на расстоянии не менее \( 3D \)…\( 5D \) от края заземляющего устройства. Потенциальный электрод при этом размещают примерно посередине между ними или на расстоянии около 62 % от заземлителя до токового электрода (метод 62 %).
В сложных условиях (ограниченная территория, наличие подземных коммуникаций) применяют двухлучевую схему размещения электродов или метод с несколькими положениями потенциального штыря. В любом случае главный критерий правильности — стабильность показаний при небольшом смещении потенциального электрода. Если при перемещении штыря на 5–6 м результат меняется незначительно, зоны растекания разведены корректно.
Понимание природы зон растекания позволяет осознанно выбирать места установки вспомогательных электродов и избегать ситуаций, когда измерения проводятся «наугад». Именно этот аспект чаще всего становится причиной расхождений между результатами, полученными разными бригадами на одном и том же объекте.
7. Расстояния между электродами
Правильный выбор расстояний между испытываемым заземляющим устройством, токовым и потенциальным электродами является ключевым условием получения достоверного результата. Расстояния зависят от размеров заземлителя и удельного сопротивления грунта.
В качестве характерного размера \( D \) принимают:
- для одиночного вертикального электрода — его длину;
- для контура или сетки — наибольшую диагональ;
- для лучевого заземлителя — длину самого длинного луча.
Основные рекомендации по размещению электродов, применяемые на практике:
| Параметр | Рекомендуемое значение | Основание |
|---|---|---|
| Расстояние до токового электрода \( r_{\text{ток}} \) | не менее \( 5D \) (допускается \( 3D \) при ограничении территории) | РД 153-34.0-20.525-00 |
| Расстояние до потенциального электрода \( r_{\text{пот}} \) | \( 0{,}5 \cdot r_{\text{ток}} \) или около 62 % от \( r_{\text{ток}} \) | Метод 62 %, однолучевая схема |
| Минимальное расстояние для небольших заземлителей | токовый — не менее 40 м, потенциальный — не менее 20 м | Практические рекомендации |
При однолучевой схеме все три точки (заземлитель, потенциальный и токовый электроды) располагают на одной прямой. Это упрощает контроль положения зоны нулевого потенциала. В стеснённых условиях применяют двухлучевую схему, когда токовый и потенциальный электроды разносят под углом.
Для заземлителей большой площади (\( D > 20 \) м) расстояния могут достигать 100 м и более. В таких случаях особенно важно использовать длинные измерительные провода с малым сопротивлением и надёжные зажимы.
Приборы ИС-10 и ИС-20 позволяют выполнять серию измерений при последовательном перемещении потенциального электрода, что удобно для построения кривой зависимости сопротивления от расстояния и выбора оптимальной точки.
8. Проверка правильности установки потенциального электрода
Даже при соблюдении рекомендованных расстояний необходимо убедиться, что потенциальный электрод действительно находится в зоне нулевого потенциала. Для этого проводят контрольные измерения.
Классический способ проверки, описанный в ГОСТ Р 50571.16, заключается в следующем:
- Выполняют основное измерение при выбранном положении потенциального электрода.
- Перемещают потенциальный электрод на 6 м ближе к заземлителю и повторяют измерение.
- Перемещают его на 6 м дальше от заземлителя (относительно исходной точки) и снова измеряют.
Если три полученных значения отличаются незначительно (разброс обычно не превышает 5–10 %), результат считают достоверным и принимают среднее арифметическое. Существенное расхождение указывает на перекрытие зон растекания. В этом случае увеличивают расстояние до токового электрода и повторяют всю процедуру.
Более полный метод — построение кривой зависимости измеренного сопротивления от относительного положения потенциального электрода. Потенциальный штырь последовательно устанавливают на расстояниях \( 0{,}2 \), \( 0{,}3 \), \( 0{,}4 \), \( 0{,}5 \), \( 0{,}6 \), \( 0{,}7 \) и \( 0{,}8 \) от \( r_{\text{ток}} \). Наличие горизонтального участка на кривой подтверждает правильность выбора зоны нулевого потенциала.
При работе с приборами ИС-20 и ИС-10 такая серия измерений выполняется быстро благодаря автоматическому выбору диапазонов и сохранению результатов.
9. Когда требуются дополнительные электроды
В нормальных условиях достаточно одного токового и одного потенциального штыря. Однако в ряде случаев приходится применять дополнительные (множественные) электроды.
Основные ситуации, требующие увеличения числа штырей:
- высокий удельный сопротивление грунта (песок, скальный грунт, сухой суглинок);
- мёрзлый грунт в зимний период;
- необходимость снижения сопротивления токового электрода ниже 150–200 Ом;
- измерения на очень больших заземляющих устройствах, где требуется большой измерительный ток.
Дополнительные токовые электроды устанавливают параллельно основному на расстоянии 2–3 м друг от друга и соединяют между собой медным проводом сечением не менее 4–6 мм². Количество стержней выбирают опытным путём: начинают с двух и добавляют до тех пор, пока сопротивление цепи тока не войдёт в допустимый для прибора диапазон.
Потенциальный электрод в большинстве случаев остаётся одиночным. Лишь при очень высоком сопротивлении грунта и сильных помехах допускается установка двух потенциальных штырей, соединённых параллельно.
В приборах ИС-05 и ИС-06, имеющих относительно небольшой измерительный ток, применение дополнительных токовых электродов особенно актуально. Более мощные ИС-10 и ИС-20 реже требуют многократного увеличения числа штырей, однако в экстремальных условиях грунта эта мера остаётся необходимой.
10. Практические рекомендации по установке штырей
Качество контакта вспомогательных электродов с грунтом напрямую влияет на стабильность показаний и возможность проведения измерения. Рекомендуется соблюдать следующие правила:
- Выбирайте направление разноса электродов в сторону, свободную от подземных металлических коммуникаций, кабелей, трубопроводов и заземлителей соседних объектов. Минимальное удаление от таких сооружений — 10 м.
- Забивайте штыри вертикально, без раскачивания. После забивки уплотните грунт вокруг стержня.
- В сухих грунтах перед установкой полейте место забивки водой (в отдельных случаях — слабым раствором поваренной соли). После увлажнения выждите 10–15 минут.
- Очищайте поверхность штыря в месте присоединения провода от окислов и грязи.
- Используйте измерительные провода достаточного сечения и минимально необходимой длины, чтобы снизить их собственное сопротивление.
- При работе в зимних условиях старайтесь забивать штыри ниже глубины промерзания или применяйте дополнительные электроды.
Перед началом измерений целесообразно проверить сопротивление вспомогательных электродов самим прибором (многие модели позволяют измерить сопротивление токовой и потенциальной цепей отдельно). Если значения выходят за допустимые пределы, следует либо углубить штыри, либо увеличить их число.
Приборы ИС-20 и ИС-10 имеют индикацию высокого сопротивления вспомогательных электродов, что помогает оперативно выявить проблему ещё до основного измерения.
11. Типичные ошибки при использовании вспомогательных электродов
Большинство ошибок, приводящих к недостоверным результатам, связаны именно с вспомогательными электродами. Наиболее распространённые из них:
- Установка токового и потенциального электродов слишком близко к заземлителю или друг к другу (зоны растекания перекрываются).
- Выбор направления разноса вдоль подземных коммуникаций или параллельно существующим заземляющим устройствам.
- Недостаточная глубина забивки штырей (менее 0,5 м), особенно в сухом верхнем слое грунта.
- Плохой контакт проводов с штырями (окислы, слабая затяжка зажимов).
- Использование одного и того же штыря попеременно в качестве токового и потенциального без очистки и изменения положения.
- Игнорирование контрольных измерений со смещением потенциального электрода.
- Попытка провести измерение при сопротивлении токового электрода, превышающем возможности прибора.
Каждая из перечисленных ошибок может привести как к завышению, так и к занижению результата. Наиболее опасны ситуации, когда прибор показывает заниженное сопротивление: объект может быть принят в эксплуатацию с фактически неудовлетворительным заземлением.
Систематическое соблюдение правил размещения и проверки вспомогательных электродов позволяет свести влияние этих ошибок к минимуму.
12. Особенности применения приборов ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05
Выбор схемы измерения и требования к вспомогательным электродам во многом зависят от модели используемого прибора.
Измерители ИС-05 и ИС-06 предназначены для работы по двух- и трёхпроводным схемам. Они имеют относительно небольшой измерительный ток, поэтому особенно чувствительны к сопротивлению токового электрода. При работе с этими приборами рекомендуется тщательно готовить токовый штырь (или группу штырей) и контролировать его сопротивление. Потенциальный электрод также должен обеспечивать устойчивый контакт, поскольку при высоком сопротивлении возрастает влияние индустриальных помех.
Приборы ИС-10 и ИС-20 поддерживают двух-, трёх- и четырёхпроводные методы, а также позволяют измерять удельное сопротивление грунта. Четырёхпроводная схема значительно снижает требования к сопротивлению соединительных проводов, однако требования к вспомогательным электродам остаются прежними. Благодаря более высокому измерительному току и развитой системе индикации эти приборы лучше справляются с работой в сложных грунтах.
Во всех перечисленных моделях предусмотрена возможность измерения сопротивления цепей подключения вспомогательных электродов. Перед основным измерением целесообразно выполнить эту проверку. Если прибор сигнализирует о превышении допустимого сопротивления, необходимо улучшить контакт штырей с грунтом.
При измерении удельного сопротивления грунта методом Веннера вспомогательные электроды устанавливаются симметрично относительно центра на равных расстояниях. В этом случае все четыре электрода равноправны, и требования к качеству их установки одинаковы.
Независимо от модели прибора главным условием достоверности остаётся правильное пространственное расположение вспомогательных электродов и проверка отсутствия перекрытия зон растекания.
Заключение
Вспомогательные электроды являются неотъемлемой частью методики измерения сопротивления заземления методом падения потенциала. Их конструкция, качество контакта с грунтом и, главное, правильное взаимное расположение определяют точность и повторяемость результатов.
Соблюдение рекомендованных расстояний, выполнение контрольных измерений со смещением потенциального электрода и своевременное использование дополнительных штырей в сложных грунтах позволяют получать достоверные данные, соответствующие требованиям нормативных документов.
Для выполнения измерений с требуемой точностью необходимо купить современный измеритель сопротивления заземления, цена которого окупается надёжностью получаемых результатов и снижением риска ошибок при оценке состояния заземляющих устройств.
Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич