Измерение сопротивления повторного заземления на вводе

Оглавление

1. Введение
2. Понятие повторного заземления на вводе в здание и повторного контура заземления
3. Нормативные требования к сопротивлению повторного заземления
4. Физические основы измерения сопротивления заземления
5. Методы измерения сопротивления заземляющих устройств
6. Подготовка к проведению измерений
7. Порядок выполнения измерений современными измерителями сопротивления заземления
8. Интерпретация результатов и рекомендации при превышении норм
9. Типичные ошибки при измерениях и их предотвращение
10. Периодичность проверок и техническое обслуживание заземляющих устройств

1. Введение

Повторное заземление на вводе в здание является одним из ключевых элементов системы обеспечения электробезопасности в электроустановках напряжением до 1 кВ. Его основная задача — снижение напряжения прикосновения и шага при возможных повреждениях изоляции или обрыве совмещённого нулевого проводника (PEN) в системах заземления типа TN-C и TN-C-S. В современных условиях, когда значительная часть жилых и общественных зданий получает питание по воздушным линиям или через кабельные вводы с использованием PEN-проводника, правильное выполнение и контроль повторного заземления напрямую влияют на уровень безопасности людей и сохранность оборудования.

При обрыве PEN-проводника на участке от источника питания до ввода в здание на открытых проводящих частях (корпусах электроприборов, трубопроводах, металлоконструкциях), соединённых с местным заземляющим устройством, может появиться опасное напряжение относительно земли. Это напряжение возникает из-за того, что ток замыкания на землю или ток утечки протекает через сопротивление повторного заземления. Для оценки уровня опасности используется принцип делителя напряжения:

$$ U_{\text{прикосновения}} = U_{\phi} \times \frac{R_{\text{п.з.}}}{R_{\text{п.з.}} + R_{\text{з.и.}}} $$

где \( U_{\phi} \) — фазное напряжение сети, \( R_{\text{п.з.}} \) — сопротивление повторного заземления на вводе в здание, \( R_{\text{з.и.}} \) — сопротивление заземляющего устройства нейтрали источника питания.

Чем меньше значение \( R_{\text{п.з.}} \) по сравнению с \( R_{\text{з.и.}} \), тем ниже напряжение на заземлённых частях и тем выше вероятность того, что оно останется в пределах безопасных значений (как правило, не выше 50 В переменного тока). Именно поэтому контроль сопротивления повторного заземления — обязательная процедура при вводе объекта в эксплуатацию, после реконструкции электросетей и в процессе периодических проверок.

Регулярные измерения позволяют своевременно выявить ухудшение контакта с грунтом из-за коррозии заземлителей, изменения влажности почвы, механических повреждений соединительных проводников или увеличения переходного сопротивления в местах соединений. Без таких измерений невозможно гарантировать соответствие электроустановки требованиям безопасности и предотвратить поражение электрическим током при аварийных режимах.

2. Понятие повторного заземления на вводе в здание и повторного контура заземления

Повторным заземлением PEN-проводника (или PE-проводника после разделения) на вводе в здание называют преднамеренное электрическое соединение этого проводника с заземляющим устройством, расположенным непосредственно у потребителя. Такое заземление выполняется в дополнение к заземлению нейтрали на источнике питания (трансформаторной подстанции или генераторе) и служит для создания дополнительного пути стекания тока в землю при повреждениях.

В системе TN-C-S, которая наиболее широко применяется в настоящее время для жилых и общественных зданий, на вводе в здание PEN-проводник разделяется на отдельные PE- и N-проводники. Точка разделения обычно совмещается с главной заземляющей шиной (ГЗШ). К этой же шине присоединяется местное заземляющее устройство — именно оно и выполняет функцию повторного заземления.

Основные цели повторного заземления

• Снижение напряжения прикосновения при обрыве PEN-проводника на питающей линии.
• Улучшение работы устройств защитного отключения (УЗО) и автоматических выключателей за счёт увеличения тока короткого замыкания на землю.
• Выравнивание потенциалов между заземлёнными частями здания и землёй.
• Обеспечение дополнительной защиты при грозовых перенапряжениях и коммутационных процессах.

Элементы повторного контура заземления

Повторный контур заземления состоит из нескольких обязательных элементов, каждый из которых вносит свой вклад в общее сопротивление заземляющего устройства:

1. Заземлитель — проводящая часть (или совокупность частей), находящаяся в непосредственном контакте с грунтом. Может быть искусственным (вертикальные стержни, горизонтальные полосы, трубы, уголки) или естественным (арматура железобетонных фундаментов, металлические трубопроводы при соблюдении требований).
2. Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземлитель с главной заземляющей шиной или непосредственно с PEN/PE-проводником.
3. Соединительные элементы — зажимы, болтовые соединения, сварные стыки, обеспечивающие надёжный электрический контакт между всеми частями контура.
4. Главная заземляющая шина (ГЗШ) — шина, к которой присоединяются все заземляющие проводники здания, в том числе от повторного заземления, от системы уравнивания потенциалов и от защитных проводников электрооборудования.

При проектировании и монтаже повторного контура важно учитывать удельное сопротивление грунта в месте установки, глубину промерзания, уровень грунтовых вод и возможность использования естественных заземлителей. В большинстве случаев для частных домов и небольших зданий применяют вертикальные заземлители из стальных стержней диаметром 16–20 мм и длиной 2,5–3 м, соединяемые горизонтальной полосой 4×40 мм или 5×40 мм.

3. Нормативные требования к сопротивлению повторного заземления

Требования к повторному заземлению изложены в ПУЭ-7 (Правила устройства электроустановок, 7-е издание). Необходимо чётко различать два случая: общее рекомендательное требование и обязательные нормы для воздушных линий.

Рекомендательный характер повторного заземления (п. 1.7.61 ПУЭ-7)

В электроустановках напряжением до 1 кВ с системой заземления TN рекомендуется выполнять повторное заземление PE- и PEN-проводников на вводе в электроустановки зданий, а также в других доступных местах. При этом сопротивление заземлителя повторного заземления не нормируется. Это означает, что в общем случае (особенно при кабельном вводе или короткой воздушной линии) жёстких числовых ограничений на сопротивление местного заземляющего устройства не установлено. Однако на практике для обеспечения реальной электробезопасности специалисты стремятся достигнуть значений не выше 30 Ом.

Обязательные нормы для воздушных линий (п. 1.7.102 и п. 1.7.103 ПУЭ-7)

На концах воздушных линий или ответвлений от них длиной более 200 м, а также на вводах воздушных линий к электроустановкам, где применяется автоматическое отключение питания, обязательно выполняются повторные заземления PEN-проводника. В этих случаях действуют конкретные числовые требования, приведённые в таблице ниже.

Примечание. При удельном сопротивлении грунта ρ > 100 Ом·м указанные в таблице значения сопротивления допускается увеличивать в 0,01ρ раз, но не более чем в десять раз.

Эти нормы установлены с учётом необходимости обеспечить достаточно низкое напряжение прикосновения даже при наиболее неблагоприятных условиях (сухой грунт, высокое сопротивление заземления нейтрали источника). На практике для типичного частного дома, питающегося от воздушной линии 0,4 кВ, сопротивление повторного заземления на вводе чаще всего нормируют значением 30 Ом.

Дополнительные аспекты нормирования

• При измерении сопротивления повторного заземления, уже соединённого с входящим PEN-проводником, результат отражает параллельное соединение местного заземлителя и всех других заземлителей на линии. Поэтому фактическое сопротивление, «видимое» со стороны ввода, обычно ниже сопротивления только местного контура.
• При использовании естественных заземлителей (арматура фундамента, металлические водопроводные трубы) их сопротивление также учитывается при оценке общего значения.
• После выполнения повторного заземления и разделения PEN на PE и N на вводе запрещается повторно соединять эти проводники на протяжении всей электроустановки здания.

Соблюдение указанных требований проверяется при приёмосдаточных испытаниях и в процессе эксплуатации. Превышение допустимых значений требует принятия мер по снижению сопротивления заземляющего устройства (добавление заземлителей, замена грунта в зоне заземлителя, применение специальных составов для снижения удельного сопротивления почвы).

4. Физические основы измерения сопротивления заземления

Сопротивление заземляющего устройства — это величина, характеризующая способность заземлителя отводить ток в землю. По определению, сопротивление заземления \( R_{\text{з}} \) равно отношению напряжения \( U \), возникающего на заземлителе относительно удалённой точки земли, к току \( I \), стекающему с заземлителя в грунт:

$$ R_{\text{з}} = \frac{U}{I} $$

Это сопротивление не является чисто омическим в классическом понимании, так как ток растекается в объёме грунта с конечным удельным сопротивлением. В однородном изотропном грунте потенциал вокруг заземлителя уменьшается с увеличением расстояния от его поверхности. Наиболее резкое падение потенциала происходит в непосредственной близости от заземлителя (в пределах 1–2 его характерных размеров). Дальше кривая выравнивается, и на расстоянии, превышающем 5–10 максимальных линейных размеров заземлителя, потенциал практически равен нулю относительно удалённой земли.

Метод падения потенциала

Классический способ определения сопротивления заземления основан на искусственном создании тока растекания и измерении возникающего при этом напряжения. Для этого используют два вспомогательных электрода:

• Токовый электрод (С) — через него пропускают измерительный ток от генератора прибора в землю.
• Потенциальный электрод (Р) — служит для измерения разности потенциалов между заземлителем и точкой в грунте.

При правильном расположении электродов взаимное влияние токового и потенциального полей минимально, и измеренное напряжение соответствует падению потенциала, вызванному именно током, стекающим с исследуемого заземлителя. Оптимальное положение потенциального зонда для большинства конфигураций заземлителей находится на расстоянии примерно 62 % от заземлителя до токового электрода (правило 0,62). Это позволяет компенсировать влияние конечных размеров зоны растекания тока.

Влияние удельного сопротивления грунта

Главным фактором, определяющим величину сопротивления заземления, является удельное сопротивление грунта \( \rho \) (Ом·м). Для одиночного вертикального стержня длиной \( L \) и диаметром \( d \) приближённая формула имеет вид:

$$ R \approx \frac{\rho}{2\pi L} \left( \ln\frac{4L}{d} - 1 \right) $$

Из формулы видно, что сопротивление обратно пропорционально длине заземлителя и прямо пропорционально удельному сопротивлению грунта. Поэтому в районах с высоким \( \rho \) (сухие песчаные или каменистые грунты) для достижения требуемого сопротивления приходится увеличивать количество и длину заземлителей или применять специальные мероприятия по снижению \( \rho \) (увлажнение, использование бентонита или химических реагентов).

Сопротивление заземления существенно зависит от сезона. В зимний период при промерзании верхних слоёв грунта и снижении влажности сопротивление может возрастать в 2–5 раз по сравнению с летними значениями. Летом, наоборот, после обильных осадков сопротивление минимально. Именно поэтому измерения рекомендуется проводить в наиболее неблагоприятный период (обычно зимой или в сухую погоду) или вводить сезонные поправочные коэффициенты.

5. Методы измерения сопротивления заземляющих устройств

На практике применяют несколько методов измерения сопротивления заземления, выбор которых зависит от конфигурации заземляющего устройства, наличия или отсутствия связи с питающей сетью и требуемой точности.

Трёхполюсный метод (метод амперметра-вольтметра)

Это наиболее универсальный и широко применяемый метод. Прибор подключается к исследуемому заземлителю (вывод Е), токовому электроду (С) и потенциальному электроду (Р). Генератор прибора создаёт измерительный ток частотой, отличной от промышленной (обычно 100–150 Гц), что позволяет отфильтровать влияние блуждающих токов промышленной частоты. Прибор автоматически вычисляет и отображает значение сопротивления по формуле \( R = U / I \).

Преимущества метода: высокая точность при правильном размещении электродов, возможность измерения как одиночных заземлителей, так и сложных контуров. Недостатки: необходимость установки вспомогательных электродов на значительном удалении (часто 20–50 м и более), что не всегда удобно в условиях плотной застройки.

Четырёхполюсный метод

Отличается от трёхполюсного наличием отдельных выводов для тока и потенциала на стороне прибора. Это позволяет полностью исключить влияние сопротивления измерительных проводов и переходных сопротивлений контактов. Метод особенно полезен при измерении малых сопротивлений (менее 1 Ом) или при использовании длинных соединительных кабелей.

Безэлектродный метод (метод с токовыми клещами)

Применяется в тех случаях, когда заземляющее устройство уже соединено с PEN- или PE-проводником питающей линии и отключение невозможно. Прибор использует два токовых трансформатора (клещи): один создаёт измерительный ток в контуре «заземлитель — линия — заземление нейтрали», второй измеряет этот ток. Метод удобен для экспресс-оценки, но имеет ограничения по точности и не подходит для полностью изолированных заземлителей.

Современные цифровые измерители сопротивления заземления реализуют усовершенствованные варианты перечисленных методов с автоматической компенсацией взаимного влияния электродов, подавлением помех и возможностью измерения удельного сопротивления грунта в четырёхполюсном режиме.

6. Подготовка к проведению измерений

Качество и достоверность результатов измерений сопротивления повторного заземления во многом зависят от правильной подготовки. Ниже приведены основные этапы подготовки, обязательные для выполнения перед началом работ.

Выбор и размещение вспомогательных электродов

• Токовый электрод устанавливают на расстоянии, в 5–10 раз превышающем максимальный размер исследуемого заземлителя (для типичного контура частного дома — не менее 20–30 м).
• Потенциальный электрод размещают на расстоянии примерно 0,62 от заземлителя до токового электрода по прямой линии.
• Электроды забивают в грунт на глубину 0,5–1 м. Для повышения качества контакта место установки можно увлажнить водой.
• При наличии нескольких параллельных заземлителей или сложной конфигурации контура расстояния увеличивают, а измерения проводят в нескольких направлениях с последующим усреднением.

Проверка измерительной цепи и контактов

1. Осмотреть соединительные провода на отсутствие повреждений изоляции и обрывов.
2. Проверить надёжность подключения проводов к клеммам прибора и электродам (переходное сопротивление контактов не должно превышать нескольких Ом).
3. При необходимости зачистить контактные поверхности и использовать токопроводящую смазку.

Учёт внешних условий и помех

При наличии сильных блуждающих токов (вблизи железных дорог, трамвайных линий, мощных электросварочных установок) рекомендуется:

• выполнять измерения в ночное время или в выходные дни;
• использовать приборы с повышенной помехозащищённостью и возможностью выбора частоты генератора;
• проводить несколько серий измерений и сравнивать результаты.

Меры безопасности

Перед началом измерений необходимо:

• Ознакомиться с руководством по эксплуатации применяемого прибора.
• Убедиться, что максимальное напряжение на измерительных гнёздах не превышает допустимое значение (обычно 270 В переменного тока).
• При работе вблизи действующих электроустановок использовать средства индивидуальной защиты и соблюдать требования электробезопасности (категория CAT IV 300 В для большинства современных измерителей).
• При возможности отключить от заземляемого объекта чувствительное электронное оборудование.

После завершения подготовки можно приступать непосредственно к измерениям. Правильно выполненная подготовка позволяет получить repeatable и достоверные результаты, соответствующие реальному состоянию заземляющего устройства.

7. Порядок выполнения измерений современными измерителями сопротивления заземления

Современные цифровые измерители сопротивления заземления позволяют значительно упростить и ускорить процесс измерений по сравнению с аналоговыми приборами прошлых поколений. При использовании таких приборов оператор получает результат непосредственно на дисплее без необходимости ручных расчётов. Ниже приведён типовой порядок действий при измерении сопротивления повторного заземления на вводе в здание.

Подготовительные действия перед измерением

1. Убедиться, что прибор полностью заряжен или подключён к внешнему источнику питания (при наличии такой возможности).
2. Выбрать режим измерения сопротивления заземления (обычно обозначается как «R» или «Earth»).
3. Подключить измерительные провода к соответствующим клеммам прибора согласно маркировке (Е — заземлитель, С — токовый электрод, Р — потенциальный электрод).
4. Установить вспомогательные электроды в грунт на требуемых расстояниях (токовый — на 20–50 м, потенциальный — на 0,62 расстояния до токового).

Выполнение измерения

1. Подключить провод от клеммы Е к главной заземляющей шине или непосредственно к заземлителю повторного заземления (в точке после разделения PEN на PE и N).
2. Подключить провод от клеммы С к токовому электроду.
3. Подключить провод от клеммы Р к потенциальному электроду.
4. Включить прибор и дождаться стабилизации показаний (обычно 5–15 секунд).
5. Зафиксировать результат измерения. При необходимости выполнить 2–3 повторных измерения с небольшим смещением потенциального электрода (±10 % расстояния) и усреднить значения.
6. При использовании четырёхполюсного режима подключить дополнительные провода согласно инструкции прибора для компенсации сопротивления измерительных линий.

Многие модели современных измерителей автоматически выполняют компенсацию взаимного влияния электродов и отображают на экране не только величину сопротивления, но и величину измерительного тока, напряжения помех и коды возможных ошибок. Это позволяет оператору сразу оценить качество измерения и при необходимости скорректировать расположение электродов.

Завершение измерений

• Отключить провода от электродов и прибора.
• Извлечь вспомогательные электроды из грунта.
• Занести результаты в протокол измерений с указанием даты, времени, погодных условий, расстояний между электродами и используемого прибора.
• При необходимости провести измерение удельного сопротивления грунта в четырёхполюсном режиме для последующего расчёта проектного сопротивления нового заземлителя.

8. Интерпретация результатов и рекомендации при превышении норм

Полученное значение сопротивления повторного заземления необходимо сравнить с требованиями ПУЭ-7. Для большинства случаев повторного заземления на вводе в здание, питающееся от воздушной линии 0,4 кВ, ориентировочным допустимым значением является 30 Ом. При измерении уже подключённого к PEN-проводнику заземлителя результат обычно оказывается ниже сопротивления только местного контура за счёт параллельного соединения с другими заземлителями линии.

Что означает измеренное значение

• Менее 10 Ом — отличный результат, характерный для хорошо увлажнённого грунта и качественно смонтированного контура. Обеспечивает высокий уровень безопасности.
• 10–30 Ом — допустимый диапазон для большинства объектов. Соответствует требованиям п. 1.7.103 ПУЭ-7 для повторных заземлений на ВЛ 380 В.
• Более 30 Ом — требуется принятие мер по снижению сопротивления.

Действия при превышении допустимого сопротивления

После выполнения мероприятий по снижению сопротивления необходимо провести повторные измерения и убедиться в достижении требуемых значений. Результаты всех измерений и принятых мер фиксируются в технической документации объекта.

9. Типичные ошибки при измерениях и их предотвращение

Даже при использовании современных точных приборов ошибки в организации измерений могут привести к существенному искажению результатов. Ниже перечислены наиболее распространённые ошибки и способы их предотвращения.

• Неправильное размещение электродов — слишком близкое расположение токового и потенциального электродов приводит к взаимному влиянию полей и завышению результата. Решение: строго соблюдать правило 0,62 и минимальные расстояния.
• Плохой контакт вспомогательных электродов с грунтом — завышенное переходное сопротивление искажает измерения. Решение: увлажнить грунт в месте установки, использовать более длинные электроды или специальные контактные составы.
• Игнорирование влияния блуждающих токов — особенно актуально вблизи железных дорог и промышленных объектов. Решение: проводить измерения в период минимальной нагрузки или использовать приборы с селективной фильтрацией.
• Измерение без отключения чувствительного оборудования — может привести к повреждению электроники или ложным срабатываниям защит. Решение: отключать или изолировать чувствительные цепи перед измерением.
• Неправильная интерпретация результата при подключённом PEN — измеренное значение отражает параллельное соединение. Решение: при необходимости измерять сопротивление только местного контура (с отключённым PEN) и отдельно — общее сопротивление системы.
• Отсутствие протоколирования условий измерения — затрудняет последующий анализ и сравнение. Решение: всегда фиксировать дату, погоду, расстояния электродов и используемый прибор.

Соблюдение этих рекомендаций позволяет получать repeatable результаты с погрешностью, не превышающей паспортные характеристики прибора.

10. Периодичность проверок и техническое обслуживание заземляющих устройств

Контроль состояния повторного заземления на вводе в здание является обязательной частью эксплуатации электроустановок. Периодичность проверок регламентируется ПТЭЭП (Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей) и ПУЭ.

Рекомендуемая периодичность

• Визуальный осмотр доступных частей заземляющего устройства — не реже 1 раза в 6 месяцев.
• Измерение сопротивления заземляющего устройства — не реже 1 раза в 6 лет (для электроустановок до 1000 В) или чаще при наличии признаков ухудшения (после реконструкции, при сезонных колебаниях, после сильных гроз).
• Полная проверка со вскрытием грунта — не реже 1 раза в 12 лет.
• Внеочередные измерения — после капитального ремонта, при подозрении на повреждение, после длительного простоя объекта.

Объём технического обслуживания

1. Проверка целостности и надёжности всех болтовых и сварных соединений.
2. Очистка контактов от окислов и загрязнений.
3. Контроль отсутствия коррозии заземлителей (при вскрытии).
4. Измерение сопротивления и сравнение с предыдущими результатами.
5. При необходимости — восстановление антикоррозионного покрытия или замена повреждённых элементов.
6. Оформление результатов в журнале или протоколе.

Своевременное техническое обслуживание позволяет поддерживать сопротивление повторного заземления в допустимых пределах на протяжении всего срока эксплуатации здания и гарантировать требуемый уровень электробезопасности.

Заключение

Повторное заземление на вводе в здание и регулярный контроль его сопротивления являются неотъемлемой частью современной системы электробезопасности. Правильно выполненное и своевременно проверяемое заземляющее устройство существенно снижает риски поражения электрическим током при аварийных режимах, улучшает работу защитных аппаратов и обеспечивает надёжную эксплуатацию электроустановки в течение многих лет.

Измерение сопротивления заземления — это не разовая процедура, а важный элемент технического обслуживания, требующий квалифицированного подхода, соблюдения нормативных требований и использования точных измерительных средств. Применение современных методов и приборов позволяет получать достоверные результаты даже в сложных полевых условиях.

Если вы планируете купить прибор для измерения сопротивления заземления по доступной цене и с необходимой точностью, современные цифровые модели обеспечивают удобство работы, высокую помехозащищённость и возможность проведения измерений в соответствии с актуальными нормативными документами.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич