Pomiar rezystancji uziemienia w praktyce: metoda 3-przewodowa i pomiar cęgami pod lupą

Dobry wynik pomiaru uziemienia nie zaczyna się od naciśnięcia przycisku „TEST”, tylko od wyboru właściwej metody. Metoda 3-przewodowa potrafi dać bardzo wiarygodny wynik pojedynczego uziomu, ale wymaga miejsca na rozstawienie sond i – w typowym pomiarze izolowanego uziomu – odpowiedniego przygotowania badanego układu. Pomiar cęgami jest znacznie szybszy i często pozwala pracować bez rozpinania instalacji, lecz działa poprawnie tylko wtedy, gdy prąd pomiarowy ma fizyczną drogę powrotną przez inne uziemienia.

To właśnie tutaj powstaje najwięcej błędów. Sam fakt, że miernik wyświetlił 3,8 Ω albo 12,4 Ω, jeszcze nie oznacza, że zmierzono to, co elektryk zamierzał zmierzyć. W praktyce równie ważne jak liczba na ekranie są: układ połączeń uziemiających, rozmieszczenie sond, stan złączy kontrolnych, rezystancja elektrod pomocniczych, poziom zakłóceń oraz warunki gruntowe.

Metoda 3-przewodowa: wynik zależy przede wszystkim od rozmieszczenia sond

Klasyczny pomiar 3-przewodowy, nazywany również metodą 3P, trzybiegunową albo metodą spadku potencjału, wykorzystuje badany uziom oraz dwie elektrody pomocnicze wbite w ziemię. Miernik wymusza przepływ prądu pomiędzy badanym uziomem a elektrodą prądową H, a za pomocą elektrody napięciowej S mierzy spadek napięcia. Rezystancja jest następnie obliczana z zależności wynikającej z prawa Ohma.

Układ wygląda w uproszczeniu tak:

• E – badany uziom,

• S – sonda napięciowa,

• H – sonda prądowa.

Sondy ustawia się zasadniczo w jednej linii. Największym błędem jest wbicie ich „tam, gdzie akurat jest trawnik”. Elektroda prądowa musi znaleźć się dostatecznie daleko od badanego uziomu, aby strefy potencjału obu elektrod nie nakładały się w sposób fałszujący wynik.

Dla niewielkich, skupionych uziomów w praktyce często zaczyna się od około 30–40 m między uziomem a sondą H. Przy większych układach ta odległość może być niewystarczająca. Spotykaną zasadą jest również przyjęcie odległości sondy prądowej wynoszącej co najmniej około 10-krotność największego wymiaru badanego uziomu. Rozległy otok wokół hali czy system uziemiający stacji transformatorowej wymaga więc zupełnie innego podejścia niż pojedyncza szpilka przy domu jednorodzinnym.

Sondę napięciową S ustawia się w przybliżeniu w 62% odległości E–H, licząc od badanego uziomu. To znana reguła 62%, ale nie powinna być traktowana jak magiczny wzór gwarantujący poprawność pomiaru.

Przykład: jeżeli sonda H znajduje się 40 m od badanego uziomu, początkowa pozycja sondy S wypada w przybliżeniu:

40 m × 0,62 = 24,8 m.

Jeden odczyt to za mało. Po pierwszym pomiarze sondę S należy przesunąć o kilka metrów w stronę uziomu i wykonać kolejny pomiar, a następnie przesunąć ją o podobną odległość w stronę H. Jeżeli wyniki tworzą wyraźnie stabilny obszar i różnią się nie więcej niż o kilka procent – w praktyce przyjmuje się często około 3% – można uznać położenie sond za prawidłowe. Jeżeli wynik przy każdym przesunięciu mocno się zmienia, trzeba przede wszystkim zwiększyć odległość sondy prądowej, zamiast wybierać najładniejszą z trzech liczb.

Przykład prawidłowo wyglądającej serii:

• S przesunięta w stronę E: 7,4 Ω,

• pozycja około 62%: 7,3 Ω,

• S przesunięta w stronę H: 7,5 Ω.

Gorzej wygląda zestaw:

• 5,8 Ω,

• 7,4 Ω,

• 10,1 Ω.

W drugim przypadku wpisanie do protokołu 7,4 Ω byłoby bardzo słabą praktyką. Brakuje stabilnego obszaru pomiarowego.

Problemy zaczynają się również wtedy, gdy grunt jest suchy, piaszczysty, kamienisty albo zamarznięty. Rezystancja sond pomocniczych może być wtedy tak duża, że miernik sygnalizuje błąd lub podaje wynik ze zwiększoną niepewnością. Pomaga:

• głębsze wbicie sondy,

• zmiana miejsca jej ustawienia,

• zwiększenie liczby lub powierzchni styku elektrody z gruntem, jeżeli dopuszcza to procedura i wyposażenie miernika,

• sprawdzenie połączeń przewodów,

• wydłużenie układu pomiarowego.

Nie należy natomiast „poprawiać” wyniku przez polewanie gruntu przy badanym uziomie. Zmienia to lokalne warunki pomiaru i może stworzyć sztucznie korzystny rezultat, który nie opisuje normalnej pracy instalacji.

Istotna jest także pora roku. Rezystancja uziemienia zależy od rezystywności gruntu, a ta zmienia się wraz z wilgotnością i temperaturą. Wynik wykonany po kilku dniach intensywnych opadów może być zauważalnie niższy niż rezultat uzyskany podczas długiej suszy. Dlatego przy porównywaniu kolejnych protokołów trzeba patrzeć nie tylko na liczbę omów, ale również na warunki wykonania badań.

Cęgi są wygodne, ale nie potrafią zmierzyć każdego uziomu

Hasło „pomiar cęgami” bywa używane zbyt szeroko. W praktyce spotyka się co najmniej dwa rozwiązania: metodę 3P z dodatkową sondą cęgową oraz metodę dwucęgową, niewymagającą wbijania elektrod pomocniczych. To nie są te same pomiary.

Metoda 3P z cęgami jest szczególnie użyteczna w instalacjach z wieloma równoległymi uziemieniami. Miernik wymusza prąd przez sondy gruntowe, natomiast cęgi mierzą prąd płynący konkretną gałęzią badanego uziomu. Dzięki temu można często określić jej rezystancję bez rozłączania całego układu.

Metoda dwucęgowa idzie jeszcze dalej. Jedne cęgi indukują napięcie i wymuszają prąd w zamkniętej pętli uziemiającej, drugie ten prąd mierzą. Nie trzeba rozstawiać kilkudziesięciu metrów przewodów ani wbijać sond.

To ogromna oszczędność czasu na obiektach przemysłowych, masztach, instalacjach telekomunikacyjnych czy rozległych układach z wielokrotnymi drogami do ziemi. Jest jednak jeden warunek, którego nie da się obejść: musi istnieć zamknięta pętla pomiarowa.

Jeżeli obejmiemy cęgami przewód prowadzący do pojedynczego, całkowicie odizolowanego uziomu, metoda dwucęgowa nie ma prawidłowej drogi dla prądu pomiarowego. Nie jest wtedy zamiennikiem klasycznego pomiaru 3P.

W układzie wielokrotnym wynik metody dwucęgowej można w uproszczeniu przedstawić jako:

Rpom ≈ Rx + Rpoz

gdzie:

• Rx – rezystancja badanego uziemienia,

• Rpoz – wypadkowa rezystancja pozostałych równoległych dróg powrotnych.

Jeżeli pozostałych uziemień jest dużo i ich rezystancja zastępcza jest bardzo mała w stosunku do Rx, wynik będzie dobrym przybliżeniem rezystancji badanej gałęzi. Jeśli dróg powrotnych jest niewiele, ich udział przestaje być pomijalny.

Przykład: badana gałąź ma około 8 Ω, a równoległa kombinacja pozostałych uziemień 0,5 Ω. Miernik może wskazać wartość w pobliżu 8,5 Ω. To nadal użyteczna informacja diagnostyczna. Gdy jednak droga powrotna ma 6 Ω, wynik około 14 Ω nie może być interpretowany jako rezystancja samego badanego uziomu.

Druga pułapka pojawia się w rozległych instalacjach, których elementy są połączone również pod ziemią. Prąd może wtedy zamknąć się przez metalowe połączenie zamiast przez drogę, którą chcemy ocenić. W skrajnym przypadku cęgi potwierdzają przede wszystkim ciągłość pętli, a nie parametry elektrody względem ziemi.

Dlatego przed założeniem cęgów trzeba odpowiedzieć na trzy pytania:

1. Dokąd popłynie prąd pomiarowy?

2. Jak wróci do cęgów?

3. Czy po drodze nie ma metalicznego połączenia omijającego grunt?

Jeżeli na którekolwiek z nich nie ma dobrej odpowiedzi, szybszy pomiar przestaje być zaletą. Trzeba zmienić metodę.

Kolejna drobnostka, która w terenie wcale nie jest drobnostką, to geometria przewodu. Cęgi muszą się całkowicie zamknąć, a ich powierzchnie styku powinny być czyste. Gruba bednarka, korozja, ciasno poprowadzone przewody albo kilka przewodów objętych jednocześnie mogą uniemożliwić poprawny pomiar. Wynik należy również odrzucić, jeżeli przewód znajdujący się w cęgach niesie znaczny prąd zakłócający przekraczający możliwości zastosowanego miernika.

Ile omów powinno mieć uziemienie i czego wymagać od protokołu?

Najbardziej uporczywy mit brzmi: „uziemienie ma mieć poniżej 10 Ω”. Taka wartość jest bardzo często spotykanym założeniem projektowym i praktycznym punktem odniesienia, szczególnie przy instalacjach odgromowych, ale nie istnieje jedna uniwersalna granica 10 Ω, po przekroczeniu której każde uziemienie automatycznie staje się niesprawne.

Dopuszczalną wartość trzeba określić na podstawie funkcji uziemienia, układu sieci, zastosowanych zabezpieczeń, projektu instalacji i wymagań właściwych norm.

Dobrym przykładem jest instalacja w układzie TT. Dla ochrony przez samoczynne wyłączenie zasilania obowiązuje zależność wiążąca rezystancję uziemienia części przewodzących dostępnych z prądem urządzenia ochronnego. Przy typowej granicy napięcia dotykowego 50 V i wyłączniku różnicowoprądowym można ją zapisać:

RA × IΔn ≤ 50 V.

Dla RCD 30 mA czysto matematyczna granica wynikająca z tego warunku wynosi:

RA ≤ 50 V / 0,03 A = 1666,7 Ω.

Nie oznacza to, że projektowanie uziemienia domu na 1600 Ω jest rozsądne. Dochodzą wymagania rzeczywistych urządzeń, niezawodność układu, warunki środowiskowe, ochrona przeciwprzepięciowa, instalacja odgromowa oraz zapas na sezonowe pogorszenie parametrów gruntu. Przykład pokazuje tylko, dlaczego nie wolno zastępować analizy instalacji magiczną liczbą 10 Ω.

W przypadku urządzenia piorunochronnego sama niska rezystancja przy częstotliwości odpowiadającej klasycznemu pomiarowi również nie opisuje całego zachowania podczas wyładowania atmosferycznego. Prąd piorunowy ma charakter impulsowy, dlatego znaczenie mają także geometria uziomu, jego długość, połączenia, indukcyjność oraz sposób rozpływu prądu. Bardzo długi uziom może mieć świetną rezystancję statyczną, a nie być równie korzystny dla szybkiego impulsu.

Sam protokół powinien pozwolić innemu elektrykowi odtworzyć warunki badania. Wpisanie wyłącznie:

„Rezystancja uziemienia: 4,6 Ω – wynik pozytywny”

to za mało.

Dobrze przygotowana dokumentacja powinna identyfikować co najmniej:

• badany obiekt i konkretny punkt pomiarowy,

• rodzaj oraz przeznaczenie uziemienia,

• zastosowaną metodę pomiarową,

• użyty miernik i jego identyfikację,

• wynik pomiaru,

• kryterium, względem którego wynik oceniono,

• istotne warunki wykonania badania,

• stwierdzone uszkodzenia, korozję lub problemy z połączeniami,

• osobę wykonującą badanie i wymagane dane dotyczące jej kwalifikacji.

Przy metodzie 3P dobrze zapisać również sposób rozmieszczenia sond lub przynajmniej odległość E–H oraz informację o kontroli stabilności wyniku po przesunięciu sondy S. Przy metodzie cęgowej trzeba jednoznacznie wskazać, że zastosowano właśnie tę metodę. Za pięć lat nikt nie powinien zgadywać, czy wynik 2,1 Ω został uzyskany sondami, cęgami, czy metodą wykorzystującą inny układ pomiarowy.

W Polsce instalacje elektryczne i piorunochronne w użytkowanych obiektach budowlanych są objęte kontrolą okresową wykonywaną co najmniej raz na 5 lat. Zakres kontroli obejmuje między innymi stan połączeń, zabezpieczeń i środków ochrony przeciwporażeniowej, rezystancję izolacji oraz uziemienia instalacji i aparatów. Pięć lat jest okresem maksymalnym wynikającym z ogólnego obowiązku kontroli budynku, a nie zaleceniem, żeby niezależnie od warunków zawsze czekać dokładnie pięć lat. W obiekcie narażonym na korozję, przebudowy, uszkodzenia mechaniczne albo intensywną eksploatację pomiary mogą być potrzebne wcześniej.

Dodatkową kontrolę ma sens wykonać m.in. po:

• przebudowie instalacji elektrycznej lub odgromowej,

• wykonaniu nowego uziomu lub dołożeniu elektrod,

• robotach ziemnych w pobliżu uziomu,

• uszkodzeniu przewodu uziemiającego albo złącza kontrolnego,

• silnej korozji dostępnych elementów,

• zmianie sposobu zasilania lub ochrony przeciwporażeniowej,

• zdarzeniu, które mogło uszkodzić instalację.

Nie należy też przeceniać rozdzielczości miernika. Wynik 4,37 Ω nie musi być praktycznie bardziej wartościowy od 4,4 Ω, jeżeli błąd wynikający z geometrii sond, sezonowej zmiany rezystywności gruntu albo niewłaściwej drogi prądu jest wielokrotnie większy niż druga cyfra po przecinku. Najpierw poprawna metoda, potem dokładność wyświetlacza.

FAQ

Czy 10 Ω to maksymalna dopuszczalna rezystancja każdego uziemienia?
Nie. 10 Ω nie jest uniwersalną granicą dla wszystkich uziemień. Wymagana wartość zależy od przeznaczenia uziomu, układu sieci, ochrony przeciwporażeniowej, instalacji odgromowej, projektu i zastosowanych urządzeń.

Czy pojedynczy uziom można zmierzyć zwykłymi cęgami do uziemień?
Nie, jeżeli jest rzeczywiście pojedynczym i odizolowanym uziomem. Metoda dwucęgowa wymaga zamkniętej pętli, czyli co najmniej jednej odpowiedniej równoległej drogi powrotnej.

Jak ustawić sondę napięciową przy metodzie 3P?
Punktem startowym jest około 62% odległości między badanym uziomem a sondą prądową. Pozycję trzeba zweryfikować dodatkowymi pomiarami po przesunięciu sondy S w obie strony. Stabilność wyników jest ważniejsza niż samo trafienie w 62%.

Czy trzeba rozłączać złącze kontrolne przed pomiarem?
Zależy od metody i badanego układu. Przy klasycznym pomiarze konkretnego uziomu trzeba zapewnić, aby inne równoległe drogi nie zaniżały wyniku. W odpowiednio dobranej metodzie wykorzystującej cęgi można badać niektóre uziemienia wielokrotne bez rozpinania połączeń.

Czy pomiar wykonany zaraz po deszczu jest miarodajny?
Może być wykonany poprawnie, ale wynik trzeba interpretować ze świadomością, że wilgotność gruntu wpływa na jego rezystywność. Po długich opadach rezystancja może być niższa niż podczas suchego okresu. Przy diagnostyce zmian w kolejnych latach dobrze porównywać wyniki wykonane w zbliżonych warunkach.

Dlaczego miernik pokazuje różne wartości po przesunięciu sondy S?
Najczęściej oznacza to, że sonda napięciowa znajduje się w obszarze nakładających się stref potencjału. Pierwszym działaniem powinno być zwiększenie odległości sondy prądowej H, a następnie powtórzenie całej serii pomiarów.

Czy niski wynik z cęgów zawsze oznacza dobre uziemienie?
Nie. Trzeba wiedzieć, którędy zamknęła się pętla pomiarowa. Metaliczne połączenie podziemne albo dodatkowa równoległa droga może sprawić, że otrzymany wynik nie opisuje rezystancji uziomu, którą chcieliśmy zbadać.

Jak często mierzyć uziemienie w budynku?
W ramach okresowej kontroli instalacji elektrycznej i piorunochronnej budynku obowiązuje w Polsce kontrola co najmniej raz na 5 lat. Nie oznacza to zakazu częstszych badań. Po przebudowie, uszkodzeniu, robotach ziemnych lub w środowisku silnie korozyjnym wcześniejsza kontrola jest uzasadniona.

Jeżeli trzeba zdecydować, od czego zacząć pomiar, najpierw rozrysuj rzeczywiste połączenia uziemiające i ustal drogę prądu pomiarowego. Dopiero potem wybieraj miernik i metodę. Dla pojedynczego uziomu, gdy można rozstawić sondy, punktem odniesienia powinna być poprawnie wykonana metoda 3P z kontrolą położenia sondy napięciowej. Cęgi wybieraj wtedy, gdy układ faktycznie zapewnia właściwą pętlę pomiarową. Najgroźniejszym błędem nie jest wynik o jeden om za wysoki. Jest nim pomiar niewłaściwego obwodu i potraktowanie liczby z wyświetlacza jako wyniku badanego uziemienia.

Dodatkowe informacje na: https://www.merserwis.pl.