Оглавление
- 1. Введение. Особенности измерения сопротивления заземления в зимний период
- 2. Влияние промерзания грунта на удельное электрическое сопротивление
- 3. Нормативные требования к сопротивлению заземляющих устройств в любое время года
- 4. Сезонные коэффициенты и корректировка результатов измерений
- 5. Подготовка к измерениям в условиях промёрзшего грунта
- 6. Методы измерения сопротивления заземления зимой
- 7. Применение приборов ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05 при отрицательных температурах
- 8. Установка вспомогательных электродов в мёрзлом грунте
- 9. Типичные ошибки при зимних замерах и способы их избежать
- 10. Обработка результатов измерений и оценка соответствия нормам
1. Введение. Особенности измерения сопротивления заземления в зимний период
Измерение сопротивления заземляющих устройств относится к обязательным видам электротехнических испытаний. Согласно требованиям нормативных документов, сопротивление заземлителя не должно превышать установленного значения в любое время года, включая периоды наибольшего промерзания грунта зимой и наибольшего высыхания летом. Именно поэтому зимние замеры имеют особое значение: они позволяют получить данные, близкие к наиболее неблагоприятным условиям эксплуатации.
В зимний период верхние слои грунта промерзают. Вода, содержащаяся в порах почвы, переходит в твёрдое состояние. Лёд практически не проводит электрический ток, поэтому удельное электрическое сопротивление грунта резко возрастает. Это приводит к увеличению сопротивления растеканию тока заземляющего устройства. Если заземлители расположены в зоне сезонного промерзания, измеренное значение сопротивления может оказаться в несколько раз выше летнего.
Практика показывает, что сопротивление одного и того же контура заземления зимой и летом может отличаться в 2–7 раз и более в зависимости от климатической зоны, типа грунта, глубины заложения электродов и влажности. Поэтому результаты зимних измерений требуют корректной интерпретации с учётом сезонных коэффициентов.
Особенности зимних замеров связаны не только с изменением свойств грунта, но и с техническими трудностями: забивка вспомогательных электродов в мёрзлую почву, обеспечение надёжного контакта, работа измерительных приборов при отрицательных температурах, влияние снежного покрова и возможных помех.
В настоящей статье рассматриваются физические основы изменения сопротивления грунта при промерзании, нормативные требования, методы проведения измерений, особенности применения современных измерителей сопротивления заземления и практические рекомендации, позволяющие получить достоверные результаты в зимних условиях.
При проведении регламентных проверок электроустановок советуем заказать прибор ИС-20.
2. Влияние промерзания грунта на удельное электрическое сопротивление
Удельное электрическое сопротивление грунта \(\rho\) является основным параметром, определяющим сопротивление растеканию тока заземлителя. Оно зависит от состава грунта, влажности, температуры, плотности и содержания растворённых солей.
При положительных температурах грунт представляет собой гетерогенную систему, в которой электропроводность обеспечивается в основном ионами, растворёнными в поровой воде. При понижении температуры ниже 0 °C начинается процесс замерзания свободной воды. Образование льда резко снижает подвижность ионов и уменьшает объём проводящей жидкой фазы.
Экспериментальные данные показывают, что при охлаждении грунта от 0 до −10 °C удельное сопротивление на глубине 0,3 м может увеличиться примерно в 10 раз, а на глубине 0,5 м — в 3 раза. При дальнейшем понижении температуры рост \(\rho\) продолжается, хотя и менее интенсивно.
Типичные значения удельного сопротивления некоторых грунтов в талом и мёрзлом состоянии приведены в таблице.
| Грунт | Удельное сопротивление в талом состоянии, Ом·м | Удельное сопротивление при −1 °C, Ом·м | Удельное сопротивление при −5 °C, Ом·м |
|---|---|---|---|
| Песок | 500 | 2000 | 5000 |
| Суглинок | 100–500 | 600 | 1500 |
| Глина | 50 | 200 | 500 |
Важно отметить, что глубина промерзания в средней полосе России обычно составляет 1,2–1,8 м, а в северных районах может достигать 2,5 м и более. Если вертикальные электроды заземляющего устройства заглублены ниже границы промерзания, влияние сезонных изменений на их сопротивление значительно уменьшается. Горизонтальные электроды, расположенные на глубине 0,5–0,8 м, испытывают максимальное влияние промерзания.
Кроме роста удельного сопротивления, зимой наблюдается морозное пучение грунта. Неравномерное вспучивание может ослаблять контакт между вертикальными стержнями и соединительными полосами, увеличивать переходное сопротивление и даже приводить к механическим повреждениям соединений. Это дополнительно повышает измеряемое сопротивление заземляющего устройства.
Таким образом, зимние условия создают наиболее жёсткий режим работы заземлителей. Измерения, выполненные в период наибольшего промерзания, дают значения, близкие к максимальным за год, и позволяют наиболее объективно оценить соответствие заземляющего устройства нормативным требованиям.
3. Нормативные требования к сопротивлению заземляющих устройств в любое время года
Согласно Правилам устройства электроустановок (ПУЭ), требуемые значения сопротивления заземляющих устройств должны обеспечиваться при наиболее неблагоприятных условиях в любое время года. При определении сопротивления должны учитываться как искусственные, так и естественные заземлители. В качестве расчётного удельного сопротивления земли принимается его сезонное значение, соответствующее наиболее неблагоприятным условиям.
Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) предписывают проводить измерения сопротивления заземляющих устройств в периоды наибольшего высыхания грунта. Однако на практике приёмосдаточные и периодические испытания часто выполняются в другие сезоны, в том числе зимой. В таких случаях результаты измерений необходимо корректировать с помощью сезонных (поправочных) коэффициентов.
Основные нормируемые значения сопротивления заземляющих устройств:
- для электроустановок напряжением выше 1 кВ с эффективно заземлённой нейтралью — не более 0,5 Ом;
- для электроустановок выше 1 кВ с изолированной нейтралью — не более 10 Ом (при токе замыкания на землю до 500 А);
- для электроустановок до 1 кВ — в зависимости от типа системы и удельного сопротивления грунта (как правило, не более 4 Ом, 10 Ом или 0,5ρ).
Нормативные документы требуют, чтобы сопротивление заземлителя не превышало установленного предела даже в условиях наибольшего промерзания или высыхания. Поэтому при зимних измерениях необходимо либо выполнять замеры в период максимального промерзания без последующей корректировки (если это прямо допускается методикой), либо вводить сезонный коэффициент, приводящий результат к наиболее неблагоприятным условиям.
При проектировании и оценке существующих заземляющих устройств глубина заложения электродов выбирается с учётом максимальной глубины промерзания для данной местности. Это позволяет снизить влияние сезонных колебаний и обеспечить стабильность сопротивления в течение всего года.
4. Сезонные коэффициенты и корректировка результатов измерений
Если измерение сопротивления заземляющего устройства выполнено не в период наибольшего промерзания или высыхания, полученное значение \(R_{\text{изм}}\) необходимо привести к расчётному (максимальному) значению с помощью сезонного коэффициента \(K\):
\[ R = R_{\text{изм}} \cdot K \]где \(R\) — расчётное сопротивление заземлителя, соответствующее наиболее неблагоприятным условиям.
Величина сезонного коэффициента зависит от климатической зоны, типа электродов (вертикальные или горизонтальные), глубины их заложения и состояния грунта на момент измерения (влажный, средней влажности, сухой).
Для ориентировочной оценки часто используют данные по климатическим зонам:
| Климатическая зона | Средняя многолетняя температура января, °C | Коэффициент для вертикальных электродов длиной 2–3 м | Коэффициент для горизонтальных электродов на глубине 0,8 м |
|---|---|---|---|
| I (северные районы) | от −20 до −15 | 1,8–2,0 | 4,5–7,0 |
| II (средняя полоса) | от −14 до −10 | 1,5–1,8 | 3,5–4,5 |
| III | от −10 до 0 | 1,4–1,6 | 2,0–2,5 |
| IV (южные районы) | от 0 до +5 | 1,2–1,4 | 1,5–2,0 |
Если заземлитель расположен ниже глубины промерзания, коэффициент \(K\) принимается равным 1. Это важно учитывать при интерпретации результатов: глубоко заложенные электроды дают более стабильные значения сопротивления в течение года.
При измерениях в период наибольшего промерзания грунта поправочный коэффициент, как правило, не вводится. Полученное значение уже соответствует (или близко) к максимальному за год. В остальных случаях применение коэффициента обязательно для корректной оценки соответствия нормам.
Следует помнить, что сезонные коэффициенты носят приближённый характер. Наиболее точные результаты даёт сравнение измерений, выполненных в разные сезоны на одном и том же объекте, с накоплением статистики по конкретному заземляющему устройству.
5. Подготовка к измерениям в условиях промёрзшего грунта
Качество зимних измерений во многом определяется тщательностью подготовки. Перед выездом на объект необходимо выполнить ряд организационных и технических мероприятий.
В первую очередь следует уточнить климатические условия и глубину промерзания грунта в районе проведения работ. Эти данные можно получить по данным местных метеостанций или по нормативным картам глубины промерзания. Знание глубины промерзания позволяет правильно выбрать места установки вспомогательных электродов и оценить ожидаемое увеличение сопротивления.
Прибор для измерений должен быть подготовлен к работе при отрицательных температурах. Измерители сопротивления заземления ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05 имеют различные рабочие диапазоны температур. Перед использованием прибора, находившегося в тёплом помещении, его необходимо выдержать при рабочей температуре не менее двух часов. Это требование содержится в руководствах по эксплуатации и позволяет избежать образования конденсата и связанных с ним погрешностей.
Комплект вспомогательных электродов (штырей) должен быть исправен. В мёрзлом грунте часто требуются более длинные или усиленные электроды, а также возможность забивки нескольких параллельно соединённых штырей для снижения сопротивления растеканию вспомогательных электродов. В сухих, песчаных и особенно мёрзлых грунтах сопротивление вспомогательных электродов может быть высоким, что влияет на точность измерений при трёх- и четырёхпроводном методах.
Рекомендуется заранее подготовить:
- достаточное количество измерительных проводов необходимой длины;
- молоток или кувалду для забивки электродов (в мёрзлом грунте иногда требуется предварительное бурение или использование специального оборудования);
- средства для улучшения контакта (при необходимости — раствор соли, но с осторожностью, чтобы не исказить результаты);
- защитную одежду и обувь, рассчитанные на длительную работу на морозе.
Перед началом измерений необходимо осмотреть заземляющее устройство: проверить целостность соединений, отсутствие видимых повреждений, состояние болтовых и сварных стыков. Морозное пучение могло ослабить контакты, поэтому визуальный контроль особенно важен именно зимой.
Место установки вспомогательных электродов выбирают с учётом расположения испытуемого заземлителя и требований выбранного метода измерения. Следует избегать зон с локальным оттаиванием (например, вблизи отапливаемых зданий), чтобы условия измерения соответствовали реальному состоянию грунта вокруг заземлителя.
Правильная подготовка позволяет минимизировать влияние внешних факторов и получить результаты, которые корректно отражают состояние заземляющего устройства в зимних условиях.
6. Методы измерения сопротивления заземления зимой
Выбор метода измерения в зимних условиях определяется конструкцией заземляющего устройства, доступностью электродов, уровнем помех и возможностями используемого прибора. Основные методы — двухпроводный, трёхпроводный, четырёхпроводный и измерения с применением клещей — сохраняют свою применимость, однако каждый из них имеет особенности при работе с промёрзшим грунтом.
Двухпроводный метод является наиболее простым. Он применяется для измерения сопротивления металлосоединений и непрерывности защитных проводников. В зимних условиях этот метод удобен, поскольку не требует установки вспомогательных электродов в мёрзлый грунт. Однако он не позволяет корректно определить сопротивление самого заземлителя относительно земли, так как включает сопротивление соединительных проводов.
Трёхпроводный метод (метод амперметра-вольтметра с раздельными токовым и потенциальным электродами) является основным для измерения сопротивления одиночных заземлителей и небольших контуров. Вспомогательный токовый электрод (Т) и потенциальный электрод (П) забиваются в грунт на определённом расстоянии от испытуемого заземлителя. В мёрзлом грунте основную трудность представляет обеспечение низкого сопротивления растеканию вспомогательных электродов. При высоком сопротивлении вспомогательных электродов погрешность измерения возрастает.
Четырёхпроводный метод исключает влияние сопротивления соединительных проводов и переходных сопротивлений в местах подключения. Он обеспечивает наивысшую точность и рекомендуется для измерений малых сопротивлений (менее 1 Ом). Приборы ИС-20 и ИС-10 поддерживают четырёхпроводный метод, что особенно ценно зимой, когда сопротивление соединительных проводов может заметно меняться из-за низкой температуры.
Метод измерения с использованием клещей (доступен в модификациях ИС-20/1 и ИС-10/1) позволяет определять сопротивление единичного заземлителя без его отсоединения от многоэлементной системы. Этот способ особенно удобен зимой, поскольку полностью исключает необходимость забивки вспомогательных электродов. При наличии двух клещей возможно измерение без применения каких-либо вспомогательных электродов по принципу взаимной индукции. Однако метод клещей имеет ограничения по диапазону измеряемых сопротивлений и чувствителен к токам помех.
При выборе метода зимой рекомендуется придерживаться следующего порядка приоритетов:
- при возможности — метод с клещами (минимальные трудозатраты и влияние мёрзлого грунта);
- при необходимости высокой точности — четырёхпроводный метод;
- для типовых измерений — трёхпроводный метод с обеспечением надёжного контакта вспомогательных электродов;
- двухпроводный метод — только для проверки металлосоединений.
Независимо от выбранного метода необходимо контролировать уровень напряжения помех. В зимний период из-за изменения свойств грунта и возможных токов утечки помехи могут возрастать. Приборы серии ИС позволяют измерять амплитудное значение напряжения помехи, что помогает оценить достоверность результата.
7. Применение приборов ИС-20, ИС-10, ИС-06 и ИС-05 при отрицательных температурах
Работоспособность измерительного прибора при отрицательных температурах напрямую влияет на возможность и качество зимних измерений. Приборы серии ИС имеют различные диапазоны рабочих температур, что необходимо учитывать при выборе оборудования.
| Прибор | Рабочий диапазон температур | Особенности применения зимой |
|---|---|---|
| ИС-20 / ИС-20/1 | от −15 °C до +50 °C | Поддерживает 2-, 3-, 4-проводный методы и измерения с клещами (в модификации /1). Корпус IP54. |
| ИС-10 / ИС-10/1 | от −15 °C до +55 °C | Аналогичные методы измерения. Возможность работы с клещами в модификации /1. |
| ИС-06 |
от −10 °C до +55 °C (с литиевыми элементами — от −25 °C) |
Расширенный низкотемпературный диапазон при использовании специальных элементов питания. Метод 2- и 3-проводный. |
| ИС-05 | от −10 °C до +55 °C | Базовая модель для 2- и 3-проводных измерений. Корпус IP54. |
Перед началом работы прибор, находившийся в тёплом помещении, необходимо выдержать при температуре окружающей среды не менее двух часов. Это требование указано в руководствах по эксплуатации и предотвращает образование конденсата внутри корпуса, который может привести к сбоям в работе и увеличению погрешности.
Дополнительная погрешность, вызванная изменением температуры в рабочем диапазоне, для большинства моделей составляет порядка ±1…3 % от измеряемой величины. При измерениях вблизи нижней границы температурного диапазона следует учитывать эту составляющую погрешности.
Для прибора ИС-06 при температурах ниже −10 °C необходимо применять низкотемпературные литиевые элементы питания. Использование обычных щелочных элементов в таких условиях приводит к быстрому падению напряжения и невозможности проведения измерений.
Приборы позволяют автоматически выбирать диапазон измерений и сохранять результат последнего измерения. В условиях низкой температуры и ограниченного времени работы на открытом воздухе эти функции существенно повышают удобство эксплуатации. Наличие защиты от напряжения помех и возможность его контроля помогают избежать грубых ошибок при измерениях в сложных электромагнитных условиях.
При работе с клещами (ИС-20/1 и ИС-10/1) следует помнить, что точность метода зависит от правильного расположения клещей и отсутствия сильных внешних магнитных полей. Зимой рекомендуется выполнять несколько измерений с перестановкой клещей для контроля сходимости результатов.
8. Установка вспомогательных электродов в мёрзлом грунте
Одной из главных практических трудностей зимних измерений является установка вспомогательных электродов. Мёрзлый грунт обладает высокой механической прочностью, и обычная забивка штырей часто оказывается невозможной или требует значительных усилий.
Рекомендуемые приёмы работы с мёрзлым грунтом:
- использование удлинённых или усиленных электродов;
- предварительное бурение лунок буром или перфоратором с последующей установкой электродов;
- установка нескольких параллельно соединённых электродов в одной точке для снижения сопротивления растеканию;
- выбор мест с меньшей глубиной промерзания (южные склоны, участки без снежного покрова, зоны вблизи подземных коммуникаций с тепловыделением — с осторожностью);
- в крайних случаях — обработка зоны установки раствором поваренной соли для локального снижения сопротивления, однако этот способ может исказить результаты и применяется только при невозможности других вариантов.
Расстояние между испытуемым заземлителем и вспомогательными электродами должно соответствовать требованиям выбранного метода. Обычно токовый электрод удаляют на расстояние, в 3–5 раз превышающее наибольший размер заземлителя, а потенциальный электрод располагают на линии между ними на расстоянии около 62 % от токового (метод 62 %).
После установки электродов необходимо убедиться в надёжности контакта. Высокое сопротивление вспомогательных электродов приводит к увеличению погрешности, особенно при трёхпроводном методе. Современные приборы ИС-20 и ИС-10 позволяют контролировать допустимое сопротивление в цепях подключения и предупреждают оператора при его превышении.
Снежный покров следует по возможности удалять в местах установки электродов, чтобы обеспечить прямой контакт с грунтом. Измерения через толстый слой снега недостоверны, поскольку сухой снег является хорошим диэлектриком.
9. Типичные ошибки при зимних замерах и способы их избежать
На практике при проведении зимних измерений часто допускаются ошибки, которые приводят к недостоверным результатам. Наиболее распространённые из них приведены ниже.
- Измерение без учёта сезонного коэффициента. Результат, полученный в период частичного промерзания, принимают за окончательный без корректировки. Это приводит к заниженной оценке максимального сопротивления.
- Недостаточный контакт вспомогательных электродов. Электроды забиты на малую глубину или в зону с очень высоким удельным сопротивлением. Прибор может показывать завышенное значение или сигнализировать о превышении допустимого сопротивления в цепях.
- Игнорирование температуры прибора. Прибор включают сразу после выноса из тёплого помещения. Конденсат и нестабильность параметров электроники искажают показания.
- Измерение в зоне локального оттаивания. Вспомогательные электроды установлены вблизи отапливаемого здания или теплотрассы, где грунт не промёрз. Результат не отражает реальное состояние основного заземлителя.
- Пренебрежение контролем напряжения помех. В условиях промышленных объектов или вблизи линий электропередачи уровень помех зимой может быть повышен. Без контроля помех результат может содержать значительную систематическую ошибку.
- Однократное измерение без проверки сходимости. В сложных условиях рекомендуется выполнять 2–3 измерения с небольшой перестановкой потенциального электрода и сравнивать результаты.
Избежать указанных ошибок позволяет соблюдение методики измерений, предварительная подготовка прибора и электродов, а также контроль всех параметров, доступных на дисплее измерителя (напряжение помех, сопротивление цепей подключения, стабильность показаний).
10. Обработка результатов измерений и оценка соответствия нормам
После выполнения измерений необходимо правильно обработать полученные данные. Если измерение проводилось в период наибольшего промерзания грунта и заземлитель не находится ниже глубины промерзания, измеренное значение можно сравнивать с нормативным напрямую. В остальных случаях результат умножают на сезонный коэффициент:
\[ R_{\text{расч}} = R_{\text{изм}} \cdot K \]Полученное расчётное сопротивление сравнивают с допустимым значением, установленным для данного типа электроустановки.
При оценке результатов следует учитывать:
- погрешность прибора в рабочих условиях (основную и дополнительную температурную);
- влияние сопротивления вспомогательных электродов;
- возможное изменение контактных соединений заземлителя из-за морозного пучения;
- сходимость результатов при повторных измерениях.
Если расчётное сопротивление превышает норму, необходимо провести дополнительное обследование заземляющего устройства: проверить целостность соединений, измерить сопротивление отдельных элементов (при возможности — методом клещей), оценить состояние грунта в зоне заложения электродов. В ряде случаев требуется реконструкция заземлителя — увеличение числа вертикальных электродов, их углубление ниже границы промерзания или применение специальных мер по стабилизации сопротивления.
Результаты измерений оформляются протоколом с указанием даты, температуры воздуха, состояния грунта, использованного метода и прибора, значения сезонного коэффициента (если применялся) и заключения о соответствии нормам.
Регулярное проведение измерений в разные сезоны, включая зимний период, позволяет накопить данные о реальном поведении конкретного заземляющего устройства и своевременно выявлять тенденции к ухудшению его характеристик.
Для проведения точных и достоверных измерений сопротивления заземления в зимних условиях важно использовать исправный и поверенный прибор, соответствующий условиям работы. При необходимости купить измеритель сопротивления заземления с подходящим температурным диапазоном и комплектом аксессуаров можно ориентироваться на актуальные цены и технические характеристики оборудования, предназначенного для работы при отрицательных температурах. Правильный выбор прибора и соблюдение методики измерений обеспечивают получение корректных результатов даже в сложных зимних условиях.
Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич