[Aktualizacja 3.07.2024]

Napięcia rażenia i napięcia dotykowe, czyli niewidzialne zagrożenia w otoczeniu obiektów elektroenergetycznych

Obiekty elektroenergetyczne dedykowane do wytwarzania, przetwarzania czy dystrybucji energii z wykorzystaniem średniego i wysokiego napięcia oraz ich bezpośrednie otoczenie mogą okazać się w niektórych sytuacjach śmiertelnie niebezpieczne ze względu na możliwość wystąpienia tzw. napięć rażenia.

Napięcie rażenia to różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami, w kontakcie z którymi, jednocześnie może znaleźć się człowiek. Różnica ta spowodowana jest przepływem prądu doziemnego o dużej wartości (np. wskutek zwarcia linii przesyłowej z konstrukcją słupa). Elementy systemów zasilania, takie jak stacje energetyczne, podstacje, stacje trakcyjne, słupy energetyczne i inne elementy systemów zasilania, są szczególnie narażone na występowanie tych napięć, co wymaga precyzyjnych i stabilnych pomiarów.

Napięcia rażenia dzielimy na:

• Napięcie dotykowe (gdy mamy do czynienia z kontaktem bezpośrednim człowieka z obiektem pod napięciem - droga przepływu prądu rażeniowego zależy od tego, którą częścią ciała dotkniemy obiektu - najczęściej jest to ręka - noga)
• Napięcie krokowe (gdy nie mamy do czynienia z bezpośrednim kontaktem z obiektem pod napięciem, lecz różnica potencjału pomiędzy punktami, w których nasze stopy stykają się z podłożem jest na tyle duża, że powoduje przepływ prądu rażeniowego na drodze noga - noga).

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis]

Wartość napięć rażenia występującego w otoczeniu obiektu elektroenergetycznego zależy od bardzo wielu czynników. Jednym z nich jest wartość doziemnego prądu zwarciowego dla danego obiektu (wartość ta określana jest na podstawie parametrów obiektu, linii zasilających, zastosowanych zabezpieczeń itd.), oprócz tego są to m.in. konstrukcja instalacji uziemiającej danego obiektu oraz jej stan techniczny (instalacje podziemne podatne są na działanie zjawisk elektrochemicznych takich jak korozja) czy warunki środowiskowe występujące w chwili wystąpienia zwarcia doziemnego (głównie chodzi tu o rezystywność gruntu, w którym pogrążona jest instalacja uziemiająca).

Badanie napięć rażenia jest kluczowym aspektem sprawdzenia skuteczności ochrony przeciwporażeniowej obiektów elektroenergetycznych zgodnie z wieloma normami m.in. PN-EN 50522 czy PN-EN 50341.

Wartości napięć rażenia w danych warunkach środowiskowych można w rzetelny, a przy tym dość prosty i bardzo bezpieczny sposób zbadać korzystając z nowoczesnych narzędzi pomiarowych oferowanych przez firmę Metrel, które zostaną pokrótce omówione w dalszej części artykułu.

Problematyka pomiaru napięć rażenia - czyli bezpieczeństwo i wygoda obsługi, a dokładność pomiarów

Pomiary napięć rażenia mogą być wykonywane za pomocą urządzeń zawierających w sobie własny generator prądu lub takich, które w procesie wymuszenia prądu w pętli prądowej korzystają z zewnętrznego źródła zasilania.

Pomiar napięcia rażenia za pomocą przyrządów wyposażonych we własny generator, wymagają wymuszenia prądu pomiarowego w pętli pomiędzy badanym obiektem a pomocniczym uziemieniem (elektrodą szpilkową lub dostępnym uziemieniem innego obiektu). Odległość pomiędzy badanym obiektem, a uziemieniem pomocniczym powinna mieć wartość przynajmniej 5-krotności wartości średnicy lub przekątnej podziemnej instalacji uziemiającej badanego obiektu (należy wybrać większą wartość). W niektórych przypadkach odległość pomiędzy wspomnianymi punktami w praktyce wynosi nawet kilkaset metrów co powoduje konieczność stosowania długich przewodów pomiarowych. Wykorzystanie uziemienia innego obiektu pozwoli zazwyczaj na zwiększenie wartości wymuszanego prądu.

Wymuszanie na taką odległość prądu pomiarowego o wartości na tyle dużej, aby móc uzyskać wiarygodne wyniki pomiarowe było nie lada wyzwaniem dla konstruktorów przyrządów do pomiarów napięć rażenia. Biorąc pod uwagę fakt, że dodatkowo konstruktorzy musieli zmagać się z zakłóceniami generowanymi przez sieć (m.in. prądy błądzące o częstotliwości sieciowej - zazwyczaj 50 lub 60 Hz) - przez długi okres stosowane były wymuszalniki, które niwelowały wpływ tych zakłóceń poprzez wymuszanie prądów o znacznej wartości (do kilkudziesięciu amperów) - co z kolei wymagało stosowania napięć o wartościach, które same w sobie nie były bezpieczne dla człowieka. Dochodziło więc do sytuacji, gdy pomiar sam w sobie stawał się zagrożeniem dla pomiarowca i osób postronnych. Dodatkowo, rozmiary i masa generatora oraz moc potrzebna do jego zasilenia sprawiały, że pomiar napięć rażenia był pomiarem bardzo problematycznym.

W późniejszym czasie zaczęto stosować różne zabiegi, które uczyniłyby ten pomiar łatwiejszym i bezpieczniejszym przy zachowaniu rzetelności wskazań. Stosowano między innymi przesunięcia fazowe między prądem i napięciem pomiarowym z pomiarem różnicowym (metoda Erbachera). W ten sposób radzono sobie z zakłóceniami, ale w dalszym ciągu rzetelny pomiar wymagał przepływu prądu o stosunkowo dużej wartości (co z kolei wymagało stosowania napięć pomiarowych wyższych niż napięcia bezpieczne). Dopiero przyrząd Metrel MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System spowodował rewolucję, która sprawiła, że pomiary napięć rażenia przestały być aż tak problematyczne - oferując wysoki poziom bezpieczeństwa użytkowników, łatwą obsługę dzięki stosunkowo niewielkim wymiarom oraz dużą dokładność pomiarową.

W przyrządzie Metrel MI 3295 zastosowano innowacyjną metodę pomiaru dającą bardzo dokładne wyniki bez konieczności wymuszania dużych prądów pomiarowych (a co za tym idzie bez konieczności stosowania niebezpiecznych wartości napięć). Było to możliwe dzięki zastosowaniu pomiaru prądem o częstotliwości 55 Hz. Jest to częstotliwość na tyle zbliżona do częstotliwości sieciowej (50 lub 60 Hz), że wyniki pomiarów można uznać za miarodajne dla różnych obiektów pomiarowych i przy różnych konfiguracjach instalacji uziemiających - a z drugiej strony na tyle różna od tych częstotliwości, że pozwala na zastosowanie bardzo precyzyjnego woltomierza z filtrem pasmowo przepustowym dla częstotliwości 55 Hz - dzięki czemu uzyskano jeszcze efektywniejszą eliminację zakłóceń.

Ta sama metoda - lecz dodatkowo jeszcze udoskonalona - została wykorzystana w najnowszych przyrządach do tego typu badań - Metrel MI 3290 Earth Analyser i Metrel MI 3288 EI Tester, które pozwalają bardzo rzetelnie badać napięcia rażenia podstawowych obiektów elektroenergetycznych (jak słupy przesyłowe, turbiny wiatrowe czy niewielkie podstacje) wykorzystując prąd pomiarowy o wartości zaledwie 50 mA (dzięki zastosowaniu precyzyjnego pomiaru prądu generowanego) - zachowując bardzo małe gabaryty i nie wymagając zewnętrznego źródła energii elektrycznej.

Drugą metodą wykonywania pomiarów napięć rażenia jest wykorzystanie dostępnego źródła zasilania oraz silnoprądowych mierników wielofunkcyjnych Metrel MI 3143 Euro Z 440V lub Metrel MI 3144 Euro Z 800V. Są to przyrządy, które wykorzystują metodę 4-przewodową do precyzyjnego pomiaru m.in. impedancji pętli zwarcia czy rezystancji wybranego elementu toru prądowego, ale także pozwalają na precyzyjne badanie rozpływu prądu doziemnego cęgami (tylko MI 3144) czy właśnie omawiane w tej publikacji badanie napięć rażenia (z wykorzystaniem sondy A 1597 symulującej rezystancję ciała człowieka - 1kΩ). Są to przyrządy działające na zasadzie wstrzykiwania impulsu prądowego o częstotliwości sieciowej 50Hz i synchroniczny pomiar powstających w ten sposób napięć rażenia.

Wykonywanie pomiarów napięć rażenia przyrządem Metrel MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System

Przyrząd Metrel MI 3295 (składający się ze stacji generującej prąd MI 3295S i niezależnego woltomierza MI 3295M) na przestrzeni ostatnich kilku lat zrewolucjonizował wykonywanie w Polsce pomiarów napięć rażenia.

Między innymi dzięki stosunkowo niewielkiej masie wymuszalnika MI 3295S (29,5 kg), bezpieczeństwu i prostocie obsługi oraz niezawodności i dużej dokładności wykonywanych pomiarów szybko stał się hitem sprzedażowym znajdując setki nabywców w Polsce.

Urządzenie pozwala również dokonać pomiaru napięć rażenia w różnych warunkach gruntowych, co czyni je niezwykle wszechstronnym.

Na czym więc dokładnie polega innowacyjność przyrządu Metrel MI 3295?

Urządzenie pracuje w technologii 3x55 generując sygnał o napięciu maksymalnym 55 V, częstotliwości 55 Hz (sinusoida) oraz maksymalnym prądzie 55 A.

Dzięki zastosowaniu napięcia pomiarowego, które w żadnym momencie pomiaru nie przekracza 55 V system jest bardzo bezpieczny dla operatora. Obniżenie wartości napięcia pomiarowego do poziomu 55 V było możliwe dzięki zastosowaniu innowacyjnego (omówionego pokrótce w poprzednim akapicie) sposobu pomiaru napięć rażenia. Zastosowanie częstotliwości 55 Hz i precyzyjnego woltomierza pozwala skutecznie odfiltrować zakłócenia sieciowe (w związku z czym do wykonania precyzyjnego pomiaru wystarczy, aby prąd pomiarowy wynosił przynajmniej 200mA).

Oznacza to wyraźne ułatwienie wykonywania pomiarów napięć rażenia w przypadku braku w najbliższym otoczeniu uziemień pomocniczych o niskiej rezystancji uziemienia. Wystarczy zastosować jedną lub kilka prądowych sond pomocniczych by, bez zwiększania napięcia pomiarowego (czyli bez konieczności rezygnowania z bezpieczeństwa obsługi), wymusić prąd umożliwiający rzetelne pomiary pod kątem bezpieczeństwa uziemień ochronnych.

Schematy połączeń do pomiarów napięć dotykowych i krokowych

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis. Kliknij aby powiększyć]

Niezależnie od tego czy przyrządem MI 3295 chcemy mierzyć napięcie krokowe czy dotykowe - schemat podłączenia wymuszalnika MI 3295S jest taki sam.

W pierwszej kolejności należy zbudować obwód, w którym wymuszany będzie prąd pomiarowy. Złącze C1 wymuszalnika podłączamy do badanego obiektu - natomiast złącze C2 do elektrody pomocniczej C2 (może to być sonda prądowa lub kilka sond połączonych równolegle z wyposażenia MI 3295 lub autonomiczny - niepołączony metalicznie z uziemieniem badanego obiektu - uziom innego obiektu). Po zbudowaniu pętli prądowej uruchomiony zostaje generator. Prąd generowany musi wynosić przynajmniej 200 mA (jeśli jest mniejszy należy sprawdzić połączenia lub zwielokrotnić ilość sond / zmienić miejsce wbicia / zmienić dobór naturalnych uziemień innych obiektów. Im większy prąd pomiarowy tym większa dokładność pomiarów, jednak uzyskiwanie bardzo dużych wartości prądów może oznaczać metaliczne połączenie pomiędzy uziomem badanym, a uziomem pomocniczym.

Po uzyskaniu w pętli prądu o wartości powyżej 0,2 A możemy wykorzystać autonomiczny woltomierz MI 3295M do pomiarów napięć dotykowych oraz krokowych. W przypadku napięć krokowych napięcie będzie badane pomiędzy dwiema sondami odważnikowymi (lub płytami na których trzeba stanąć - sondy pomiaru napięcia krokowego) rozmieszczonymi w odległości 1 m od siebie (rys. 2), a w przypadku napięć dotykowych pomiędzy uziemioną, dostępną częścią przewodzącą badanego obiektu - a połączonymi razem sondami odważnikowymi lub płytami na których trzeba stanąć.

Po przygotowaniu stanowiska pomiarowego zgodnie ze schematem należy jeszcze przed rozpoczęciem pomiaru wprowadzić do przyrządu kluczowe dane, które posłużą do obliczeń napięcia rażenia. Dane te obejmują rezystancję wewnętrzną woltomierza (przyjmowana wartość 1kΩ jako przyjmowana do obliczeń wartość rezystancji ciała człowieka), wartość prądu wymuszanego przez stację (możliwość przesłania wartości płynącego prądu bezpośrednio ze stacji dzięki możliwości wykonania synchronizacji przed pomiarami za pomocą połączenia kablowego), wartość spodziewanego prądu zwarcia doziemnego dla danego obiektu (wartość pozyskiwana od zarządcy/administratora badanego obiektu). Wartość napięć rażenia jest automatycznie obliczana z proporcji wartości obu prądów i wartości zmierzonego napięcia dla wartości prądu wymuszanego przez stację MI 3295S, gdzie obliczone napięcie dotykowe lub krokowe jest równe napięciu zmierzonemu pomnożonemu przez wartość maksymalnego spodziewanego prądu doziemnego i podzielonego przez wartość prądu generowaną podczas pomiaru.

Jeśli prądy zmienią się podczas wykonywania pomiarów po ich zakończeniu możemy przeprowadzić ponowną synchronizację w celu przeliczenia wyników do wartości prądu płynącego w momencie wykonywania pomiarów co sprawi, że wynik pomiarów będzie jeszcze bardziej dokładny. Dodatkowo, dzięki wbudowanej pamięci przyrządu, możliwe jest przechowywanie wyników pomiarów i ich późniejsza analiza w oprogramowaniu Metrel Electrical Safety Manager (MESM), które posłuży do stworzenia protokołu pomiarowego.

Pomiar rozkładu potencjału w gruncie, pomiar prądów płynących poszczególnymi gałęziami i współpraca z oprogramowaniem Metrel

Od września 2018 roku dostępna jest w sprzedaży nowa wersja sprzętowa woltomierza MI 3295M, która stanowi również część wyposażenia zestawu MI 3295. Model po faceliftingu zyskał dodatkowe złącze pomiarowe do podłączenia cęgów pomiarowych oraz dodatkowe funkcje pomiarowe: pomiar potencjału oraz prądu właśnie metodą cęgową.

Pomiar potencjału ma na celu określenie obszaru, na którym występuje oddziaływanie pochodzące od przepływu prądu oraz wartości potencjału badanych punktów względem mierzonego obiektu. Pomiar wykonywany jest w konfiguracji wymuszalnika jak do pomiarów napięć rażenia:

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis. Kliknij aby powiększyć]

Po udanym wymuszeniu prądu w pętli prądowej za pomocą sondy napięciowej podłączonej do woltomierza MI 3295M badany jest gradient potencjału wokół badanego obiektu jak na Rys. 5. Oprócz pomiarów potencjału dodatkową funkcjonalnością jak wspomniano na początku tego akapitu jest pomiar prądu cęgami sztywnymi A 1018 lub giętkimi A 1587.

Pomiar prądu może odbywać się dla wybranej częstotliwości 50 Hz, 55 Hz, 60 Hz lub może być mierzona wartość TRMS mierzonego sygnału. Dzięki takiemu rozwiązaniu cęgi mogą mierzyć zarówno prądy pochodzące bezpośrednio z sieci (50 Hz lub 60 Hz) lub indukowane za pomocą wymuszalnika MI 3295S (55 Hz) co przekłada się na możliwość pomiaru prądów indukowanych, jak i wymuszanych w poszczególnych gałęziach systemu (noga słupa, odgałęzienie instalacji uziemiającej.

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis. Kliknij aby powiększyć]

Dzięki użyciu cęgów pomiarowych możemy szybko zdiagnozować, jaka część składowa prądu płynie przez poszczególne gałęzie instalacji uziemiającej i w ten sposób uzyskać informację, np. o skorodowanym połączeniu uziemiającym. Skrajnie nierównomierne obciążenie prądem zwarciowym poszczególnych odnóg może w konsekwencji doprowadzić nawet do uszkodzenia konstrukcji instalacji lub konstrukcji obiektu.

Oprócz tego przyrządy MI 3295 od tej pory są obsługiwane przez nowsze oprogramowanie dla komputerów PC. Używany od kilku lat program HV Link został zastąpiony znacznie nowocześniejszym - Metrel Electrical Safety Manager (dostępnym w języku polskim) pozwalającym na obróbkę danych, wydruk raportów pomiarowych czy eksport danych do formatu MS Excel lub XML. Nowe mierniki posiadają także poprawioną, polską instrukcję obsługi oraz kilka drobnych poprawek. Nowe woltomierze MI 3295M są w pełni kompatybilne ze starszymi stacjami MI 3295S i mogą być stosowane zamiennie. Dzięki temu użytkownicy mogą korzystać z szybszej analizy rozkładu napięcia, co pozwala na efektywniejsze działanie.

Wykonywanie pomiarów napięć rażenia za pomocą przyrządu Metrel MI 3290 Earth Analyser

Najnowszym i najbardziej zaawansowanym technologicznie przyrządem do kompleksowej analizy uziemień obiektów elektroenergetycznych jest Metrel MI 3290 Earth Analyser. Pozwala on na dokładne badania elementów układu (bez jakiejkolwiek ingerencji w instalację uziemiającą) dzięki zaawansowanym funkcjom pomiarowym, zastosowaniu cęgów sztywnych i giętkich oraz możliwości wykonywania pomiarów częstotliwościami od 55 Hz do 25 kHz.

W tym miejscu skupimy się tylko na pomiarach napięć rażenia. Specjalnie do tego celu dedykowane są wersje MI 3290 GF, GX1 lub GX4, które zawierają na wyposażeniu woltomierz MI 3295M (identyczny jak w zestawie MI 3295). Dodatkowo, system umożliwia stworzenie protokołu pomiarowego, co pozwala na zapis, analizę i wykorzystanie wyników pomiarowych.

Każda z wymienionych wersji może w niektórych warunkach z powodzeniem zastąpić wymuszalnik MI 3295S i samemu generować sinusoidalny prąd pomiarowy o częstotliwości 55 Hz. Maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 40V, a więc także mamy do czynienia z bardzo bezpiecznym narzędziem pomiarowym. Mniejsza jest także moc generatora (maksymalny prąd pomiarowy 250 mA), ale dzięki połączeniu z nowym woltomierzem MI 3295M i bardzo precyzyjnemu pomiarowi generowanego prądu (pomiar z rozdzielczością 1mA) miarodajne wyniki pomiarowe uzyskuje się już przy wymuszeniu prądu o wartości ok. 50 mA.

Dzięki temu, że do wykonania dokładnych pomiarów wystarczy prąd o tak niskiej wartości - gabaryty i przede wszystkim masa urządzenia mogły zostać znacznie zmniejszone. Mniejsze zapotrzebowanie na moc umożliwiło także zasilanie przyrządu z wewnętrznego akumulatora i całkowite wyeliminowanie potrzeby stosowania zewnętrznych źródeł energii (czyli, np. agregatów prądotwórczych). Sprawia to, że MI 3290 Earth Analyser w wersji GF lub GX1/GX4 znakomicie sprawdza się przy pomiarze napięć rażenia w otoczeniu trudno dostępnych małych obiektów elektroenergetycznych.

Sama zasada pomiaru jest praktycznie identyczna jak w przypadku wymuszania prądu za pomocą stacji MI 3295S - z tym, że jak wspomniano do wykonania pomiaru wystarczający jest niższy prąd pomiarowy rzędu 50 mA (200 mA dla MI 3295S).

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis. Kliknij aby powiększyć]

W pierwszej kolejności budujemy obwód, w którym wymuszany będzie prąd pomiarowy. Złącze E przyrządu MI 3290 podłączamy do badanego obiektu - natomiast złącze H do elektrody pomocniczej (podobnie jak dla MI 3295S może to być sonda prądowa lub kilka sond połączonych równolegle lub autonomiczny - niepołączony metalicznie z uziemieniem badanego obiektu - uziom innego obiektu). Po zbudowaniu pętli prądowej uruchamiany zostaje generator. Prąd generowany musi wynosić przynajmniej 50 mA (jeśli jest mniejszy - w celu zwiększenia jego wartości należy sprawdzić połączenia, zwielokrotnić ilość / zmienić miejsce wbicia sond lub zmienić dobór naturalnych uziemień innych obiektów). Im większy prąd pomiarowy tym większa dokładność pomiarów, lecz określoną w specyfikacji dokładność osiągamy już od wartości właśnie 50 mA.

Po uzyskaniu w pętli prądu o wartości powyżej tej wartości możemy przystąpić do pomiarów napięć dotykowych oraz krokowych woltomierzem MI 3295M. W przypadku napięć krokowych napięcie będzie badane pomiędzy dwiema płytami na których trzeba stanąć rozmieszczonymi w odległości 1 m od siebie (rys. 8), a w przypadku napięć dotykowych pomiędzy uziemioną, dostępną częścią przewodzącą badanego obiektu, a połączonymi razem płytami na których trzeba stanąć (sondy odważnikowe dostępne są opcjonalnie).

Po przygotowaniu stanowiska pomiarowego zgodnie ze schematem należy (jeszcze przed rozpoczęciem pomiaru!) wprowadzić do przyrządu dokładnie te same kluczowe dane co w przypadku korzystania z MI 3295, które posłużą do obliczeń napięcia rażenia. Dane te obejmują rezystancję wewnętrzną woltomierza (przyjmowana wartość 1kΩ jako wartość rezystancji ciała człowieka przyjmowanej do obliczeń), wartość prądu wymuszanego przez MI 3290, wartość spodziewanego prądu zwarcia doziemnego dla danego obiektu (wartość pozyskiwana od zarządcy/administratora badanego obiektu).

Wartość napięć rażenia jest automatycznie obliczana z proporcji wartości obu prądów i wartości zmierzonego napięcia dla wartości prądu wymuszanego przez MI 3290 Earth Analyser gdzie obliczone napięcie dotykowe lub krokowe jest równe napięciu zmierzonemu - pomnożonemu przez wartość maksymalnego spodziewanego prądu doziemnego i podzielonego przez wartość prądu generowaną podczas pomiaru. Istnieje możliwość zapisu wyników pomiaru i głębsza analiza w oprogramowaniu Metrel ES Manager.

Wykonywanie pomiarów napięć rażenia - Metrel MI 3288 EI Tester

Pomiary napięć rażenia znajdziemy też w najbardziej kompaktowym rozwiązaniu do badania uziemień - modelu MI 3288 Earth Insulation Tester. Co prawda nie jest to przyrząd z tak zaawansowanymi możliwościami analizy uziemień jak opisywany w poprzednim akapicie Metrel MI 3290 Earth Analyser, ale zaimplementowano w nim również możliwość wykonywania pomiarów, które są głównym tematem niniejszej publikacji.

Więcej informacji o wszystkich funkcjonalnościach tego przyrządu można znaleźć tutaj.

W tym miejscu skupimy się tylko na zastosowaniu tego modelu w pomiarach napięć rażenia. O ile zasada takich pomiarów testerem Metrel MI 3288 w wersji PRO jest bardzo podobna jak w przypadku modeli MI 3295 i MI 3290 to już sposób realizacji nieco się różni. Można stwierdzić, że jest to rozwiązanie najmniej rozbudowane ze wszystkich dostępnych w gamie firmy Metrel, ponieważ nie wymaga zewnętrznego zasilania oraz nie używa się tu osobnego woltomierza MI 3295M (zintegrowany przewód napięciowy, prądowy przewód pomiarowy oraz sonda symulująca rezystancję ciała ludzkiego - podobnie jak w opisanych w dalszej części modelach MI 3144 i MI 3143, które jednak potrzebują zewnętrznego źródła mocy), co ma swoje plusy i minusy - o czym za chwilę.

Pomiar jest możliwy z wykorzystaniem sygnału o częstotliwości 55 Hz lub 82 Hz. Maksymalne napięcie wyjściowe wynosi 40V (tu też mamy do czynienia z przyrządem, który jest w pełni bezpieczny dla operatora). Moc generatora w mierniku MI 3288 (maksymalny prąd pomiarowy 120 mA) jest niższa niż w przypadku zarówno MI 3295 jak i MI 3290, ale podobnie jak w MI 3290 miarodajne wyniki pomiarowe uzyskuje się już przy wymuszeniu prądu o wartości ok 50 mA. Fakt, że MI 3288 pełni zarazem funkcję generatora prądu w pętli - jak i miernika napięć rażenia sprawia, że jest on nieco mniej wygodny w obsłudze obiektów, gdzie do wykonania są pomiary w kilku lub kilkunastu punktach. Do każdego z takich punktów trzeba podejść z przyrządem, co może (choć oczywiście nie musi) powodować konieczność budowy nowej pętli prądowej.

Fizyka pomiaru jest tożsama z przyrządami omawianymi w poprzednich akapitach - natomiast procedura budowy układu i przeprowadzania badań już się nieco różni.

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis]

Ze względu na wspomniany fakt, że zarówno obwód pętli prądowej jak i obwód pomiaru napięcia są zintegrowane w przyrządzie Metrel MI 3288 - sposób przygotowania układu jest nieco inny niż w przypadku poprzednio opisywanych procedur. Tutaj oba te obwody budowane są za jednym razem. Złącze E przyrządu MI 3288 podłączamy do uziemienia badanego obiektu - natomiast złącze H do elektrody pomocniczej (podobnie jak poprzednio - może to być sonda prądowa / kilka sond połączonych równolegle lub autonomiczny - niepołączony metalicznie z uziemieniem badanego obiektu - uziom innego obiektu). Obwód do pomiarów napięć rażenia dotykowych oraz krokowych jest budowany w oparciu o sondę A 1597 symulującą rezystancję ciała człowieka oraz płyty S 2053 (symulujące stopy człowieka - obciążone ciałem operatora min. 50kg) będące na wyposażeniu wersji MI 3288 PRO.

W przypadku napięć krokowych napięcie będzie badane pomiędzy dwiema płytami, na których trzeba stanąć, rozmieszczonymi w odległości 1 m. od siebie z połączeniem przez sondę A 1597 (rys. 11), a w przypadku napięć dotykowych pomiędzy uziemioną, dostępną częścią przewodzącą badanego obiektu - a połączonymi razem płytami, na których trzeba stanąć również z połączeniem przez sondę A 1597 (Rys. 10). Po zbudowaniu układu należy wprowadzić do przyrządu podstawowe parametry - częstotliwość sygnału pomiarowego (zwykle 55 Hz), maksymalny prąd zwarcia doziemnego badanego obiektu oraz opcjonalnie wartość graniczną dopuszczalnych napięć rażenia i odległość w jakiej umieściliśmy sondę prądową.

Należy zwrócić uwagę, że w MI 3288 mamy tylko jedną funkcję pomiarową a to co mierzymy (napięcia dotykowe lub krokowe) zależy od sposobu podłączenia układu. Po przygotowaniu układu i ustawieniu miernika uruchamiamy pomiar i analizujemy wyniki. Prąd generowany musi wynosić przynajmniej 50 mA (jeśli jest mniejszy - w celu zwiększenia jego wartości należy sprawdzić połączenia, zwielokrotnić ilość / zmienić miejsce wbicia sond lub zmienić dobór naturalnych uziemień innych obiektów). Im większy prąd pomiarowy tym większa dokładność pomiarów - optymalnie 120 mA.

Wynik końcowy napięć rażenia jest automatycznie obliczany z proporcji zmierzonej wartości prądu generowanego, wprowadzonej wartości spodziewanego prądu zwarcia doziemnego i wartości zmierzonego napięcia przy prądzie generowanym. Obliczone napięcie dotykowe lub krokowe jest równe napięciu zmierzonemu pomnożonemu przez wartość maksymalnego spodziewanego prądu doziemnego i podzielonego przez wartość prądu generowaną podczas pomiaru. Wyniki pomiaru oczywiście możemy zapisać i poddać głębszej analizie w oprogramowaniu Metrel ES Manager.

W skrajnie niekorzystnych warunkach gruntowych, pojedyncza sonda prądowa może być niewystarczająca do wymuszenia prądu o odpowiednim natężeniu. W takich przypadkach konieczne może być użycie dodatkowych sond prądowych, aby zwiększyć wartość wymuszanego prądu.

Wykonywanie pomiarów napięć rażenia - Metrel MI 3143 Euro Z 440 V / MI 3144 Euro Z 800 V

Jak wspomniano w poprzednich akapitach napięcia rażenia można też zbadać korzystając z dostępnego źródła zasilania dzięki wykorzystaniu mierników sprawdzających się m.in. przy wysokoprądowych pomiarach impedancji pętli zwarcia Metrel MI 3143 Euro Z 440 V oraz Metrel MI 3144 Euro Z 800 V. Są to przyrządy działające na zasadzie wstrzykiwania impulsu prądowego o częstotliwości sieciowej (obsługa sieci o częstotliwości znamionowej w zakresie 16 - 420 Hz) i synchroniczny pomiar powstających w tej sposób napięć rażenia.

Ten sposób pomiarów bazuje niejako na zasadzie pomiaru impedancji pętli zwarcia, jednak został on nieco zmodyfikowany do precyzyjnego pomiaru napięć rażenia. Miernik wstrzykuje impuls prądowy o wartości uzależnionej od impedancji pętli zwarcia - a więc także od rezystancji uziemienia badanego obiektu (wartość prądu może być dodatkowo ograniczona w ustawieniach miernika, aby nie spowodować zadziałania zabezpieczeń). Maksymalne wartości prądów przy odpowiednim źródle i niskiej rezystancji uziemienia sięgają rzędu 200-300A. Miernik podaje napięcie sieciowe na badany obiekt na czas połowy okresu czyli 10 ms jednocześnie mierząc wartość tego prądu (przez co nadal ta metoda pomiaru jest bezpieczna dla użytkownika ponieważ czas ekspozycji na napięcie jest bardzo krótki), a także jednocześnie synchronicznie mierząc napięcie rażenia pomiędzy badanym obiektem, a innym uziemionym obiektem w pobliżu lub sondami symulującymi stopy człowieka (znanymi z opisywanych wyżej modeli MI 3295 czy MI 3290) z wykorzystaniem specjalnej sondy symulującej ciało człowieka - A 1597.

W trakcie wykonywania pomiarów prąd płynie między złączami prądowymi C1 (podłączenie do źródła zasilania) i C2 (podłączenie do badanego obiektu lub do sztucznej sondy prądowej w zależności od typu pomiaru) i jego wartość (zależna od impedancji pętli) jest rejestrowana przez przyrząd pomiarowy. Synchronicznie mierzone jest napięcie pomiędzy złączami P1 i P2 lub P2 i S (również w zależności od konfiguracji) z wykorzystaniem wspomnianej sondy A 1597 (o rezystancji 1kΩ) gdzie jeden biegun woltomierza obejmuje badany obiekt, a drugi, np. sondy symulujące stopy człowieka, inny uziemiony obiekt w zasięgu użytkownika czy sondy szpilkowe.

Urządzenia Metrel MI 3143 oraz Metrel MI 3144 posiadają szereg funkcjonalności pozwalających dodatkowo zwiększyć dokładność i zakres zastosowań - są to m.in. wbudowane rezystory ograniczające prąd pomiarowy (aby nie zadziałały zabezpieczenia obwodu wykorzystywanego w pętli prądowej do pomiarów) czy kilkukrotne wykonanie pomiarów w celu ustabilizowania wyników i wyeliminowania zakłóceń. Podobnie jak w przypadku omawianych wyżej przyrządów wartość napięć rażenia jest automatycznie obliczana bazując na zmierzonej wartości prądu w pętli zwarciowej używanej podczas wykonywania pomiaru, wartości zmierzonego napięcia rażenia powstającego w czasie przepływu tego prądu, a także na wprowadzanej przez użytkownika wartości maksymalnego prądu zwarcia doziemnego dla badanego obiektu.

Napięcie dotykowe lub krokowe jest równe napięciu zmierzonemu - pomnożonemu przez wartość maksymalnego spodziewanego prądu doziemnego i podzielonego przez wartość prądu wstrzykiwanego podczas pomiaru.​

​

Poniżej został pokazany przykładowy sposób pomiaru rozkładu napięć krokowych w otoczeniu obiektu energetycznego.

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis]

Przyrządy Metrel MI 3143 Euro Z 440V czy Metrel MI 3144 Euro Z 800V mogą współpracować z miernikami wielofunkcyjnymi do badania instalacji niskiego napięcia takimi jak: Metrel MI 3155 EurotestXD, MI 3152 EurotestXC, MI 3152H EurotestXC 2,5 kV lub być obsługiwane z dedykowanej aplikacji na urządzenia mobilne z systemem Android (wyniki pomiarów możemy zapisać w aplikacji lub pamięci miernika wielofunkcyjnego i poddać głębszej analizie w oprogramowaniu Metrel ES Manager).

Przyrządy MI 3143 oraz MI 3144 różnią się między sobą maksymalnym napięciami sieci w których mogą pracować (MI 3143 - 440V, MI 3144 - 800V) oraz liczbą dostępnych funkcji pomiarowych. Oba modele wykonają pomiary impedancji linii (L-L, L-N) / pętli zwarcia (L-PE) w zakresie obsługiwanych napięć znamionowych, rezystancji wybranych elementów torów prądowych czy opisywane w tej publikacji pomiary napięć rażenia. Model MI 3144 dodatkowo pozwoli zbadać rezystancję linii czy rezystancję wewnętrzną źródła (np. akumulatora) DC w zakresach 3 - 260 V DC, sprawdzić czasy reakcji czy prądy zadziałania przekaźników doziemnych prądów upływu (ELR) czy dzięki możliwości użycia sztywnych lub giętkich cęgów prądowych (cewek Rogowskiego) umożliwi pomiar rozpływu prądów doziemnych poszczególnymi gałęziami układu uziemiającego jak na poniższym przykładzie:

[Najedź kursorem na obraz, aby wyświetlić opis]

Kilka przyrządów pomiarowych - który do jakich zastosowań w systemach średniego napięcia?

Opisaliśmy powyżej kilka przyrządów do pomiarów napięć rażenia - trzy z nich (MI 3295, MI 3290, MI 3288) bazują na tej samej fizyce pomiarów (własna generacja prądu) oraz MI 3143 i MI 3144 bazujące na zewnętrznym źródle mocy. W pierwszej grupie w przypadku MI 3295 i MI 3290 zasada wykonywania pomiarów z użyciem woltomierza MI 3295M jest identyczna - główną różnicą jest typ generatora. W przypadku przyrządu MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System - generator MI 3295S może generować maksymalnie 55A przy napięciu 55V, natomiast w przypadku MI 3290 Earth Analyser generator może wytwarzać maksymalnie 250 mA przy napięciu 40V. Z jednej strony stosowanie stacji MI 3295S z większą mocą generatora zapewnia szerszy wachlarz zastosowań - z drugiej strony generator ten jest dość ciężki (29,5 kg) i wymaga stosowania zewnętrznego zasilania co w niektórych warunkach (np na terenach grząskich) wiąże się z dużymi niedogodnościami transportowymi, przy czym możliwe jest, że pełna moc generatora może nie być wykorzystywana ze względu na warunki glebowe. Do tego mamy przyrząd MI 3288, który nie korzysta z woltomierza MI 3295M i samodzielnie jest w stanie wykonać pomiary.

Jak znaleźć złoty środek i dobrać przyrząd odpowiedni do warunków, w których pomiary napięć rażenia będziemy wykonywać?

Dokładna odpowiedź na to pytanie jest trudna, ponieważ na możliwość zastosowania każdego z tych przyrządów wpływa bardzo wielu czynników (m.in. dostępność obiektu, wielkość obiektu, rozległość układu uziemiającego, impedancja uziemienia badanego obiektu, rezystywność gruntu, rezystancja doziemna sond pomocniczych). Można jednak z dość dużym prawdopodobieństwem oszacować, że w przypadku badania napięć rażenia w otoczeniu mniejszych obiektów, których średnica układu uziemiającego nie przekracza 50 metrów (czyli w praktyce słupy oraz mniejsze podstacje energetyczne) - rzetelny i miarodajny pomiar może być z powodzeniem przeprowadzany zarówno przez MI 3288 EI Tester, MI 3290 Earth Analyser jak i MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System. Do takich zastosowań - szczególnie w trudnym terenie - polecane są modele MI 3288 oraz MI 3290 właśnie ze względu na niską masę i brak konieczności zasilania z zewnątrz. Ze względu na dokładność z jaką mierzony jest generowany prąd - w przypadku MI 3288 i MI 3290 prądem wystarczającym do wykonania rzetelnego pomiaru jest 50 mA - w przypadku MI 3295 - jest to 200 mA.

Kiedy wybrać MI 3288 EI Tester lub MI 3290 Earth Analyser, a kiedy konieczny będzie MI 3295 Step Contact Voltage Measuring System?

Jeśli mamy do czynienia z obiektem większym (średnica lub przekątna uziomu większa niż 50 m.) generator stosowany w przyrządach MI 3288 czy MI 3290 może być niewystarczający (różnica potencjałów w przypadku pomiaru szczególnie napięcia krokowego przy dalszych odległościach może być na tyle niska, że nie da się jej rzetelnie zmierzyć). W takiej sytuacji pozostaje użycie generatora MI 3295S. Jeśli pomiary wykonujemy wyłącznie na małych obiektach jak słupy - możemy zastosować przyrząd lekki i bardziej mobilny ze względu na gabaryty i brak konieczności zasilania zewnętrznego, czyli MI 3290 Earth Analyser lub MI 3288 EI Tester.

Wygodniejszym rozwiązaniem będzie użycie MI 3290, lecz jeśli pomiary wykonujemy sporadycznie i nie mamy zbyt dużo punktów pomiarowych możemy z powodzeniem stosować bardziej kompaktowy i tańszy MI 3288. Jeśli wykonujemy pomiary na obiektach większych - wtedy z pomocą przyjdzie nam MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System. Za pomocą przyrządu MI 3295 z powodzeniem (choć jest to duże przedsięwzięcie ze względu na konieczność wyłączenia linii, która posłuży jako tor prądowy obwodu pomiarowego) można wykonać pomiar napięć rażenia nawet bardzo dużych obiektów jak elektrownie czy duże GPZ. Aby tego dokonać jako przewody pomiarowe do budowy pętli wykorzystuje się przewody fazowe wyłączonej linii - a jako sonda prądowa używane jest uziemienie słupa (znajdującego się w odpowiedniej odległości) do którego podłącza się wykorzystywane przy pomiarze przewody fazowe.

Istnieją jednak sytuacje, w których budowa odpowiedniego układu pomiarowego dla przyrządów MI 3295, MI 3290 czy MI 3288 nie jest możliwa. Jeśli mamy wtedy dostęp do sieci zasilającej o napięciu do 440V lub 800V o częstotliwości 16- 420 Hz to z pomocą mogą nam przyjść przyrządy MI 3143 i/lub MI 3144 (taka sytuacja często ma miejsce, gdy pomiary napięć rażenia mają być wykonane np. wewnątrz budynku na obudowach silników zasilanych z instalacji średniego napięcia). Korzystając z bliskości sieci nn. i wykorzystując sondę A1597 możemy wtedy łatwo wykonać precyzyjne pomiary napięć rażenia (jak wspomniano wcześniej możemy ograniczyć prąd pomiarowy dostosowując go do zastosowanych w obwodzie zasilającym zabezpieczeń - w praktyce do precyzyjnego pomiaru napięć rażenia w warunkach normalnych wystarczy zazwyczaj prąd o wartości kilkunastu amperów) z wykorzystaniem sond płytowych symulujących stopy człowieka stojącego przy obiekcie czy pomiar do innego uziemionego elementu znajdującego się w zasięgu ramion od badanego obiektu - bez konieczności budowy rozległego układu pętli prądowej.

Podsumowanie

W niniejszej publikacji przedstawiono opis pomiarów napięć rażenia przy zastosowaniu nowoczesnych przyrządów pomiarowych firmy Metrel. Słoweński producent od ponad 65 lat produkuje najwyższej klasy przyrządy pomiarowe, dbając o to aby przyrządy te były dokładne i zapewniały wysokie bezpieczeństwo użytkownika. Takimi właśnie przyrządami są przedstawione MI 3288 EI Tester, MI 3290 Earth Analyser, MI 3295 Step/Contact Voltage Measuring System, MI 3143 Euro Z 440V czy MI 3144 Euro Z 800V.

Użycie przyrządów MI 3288 czy MI 3290 ze względu na małe gabaryty, masę i zasilanie bateryjne zalecane jest do pomiarów napięć rażenia obiektów, gdzie nie mamy dostępu do zasilania sieciowego, a średnica układu uziemiającego nie przekracza 50 m - natomiast do badania większych obiektów ze względu na moc generatora zalecane jest użycie przyrządu MI 3295.

Gamę przyrządów uzupełniają modele MI 3143 i MI 3144, które pozwalają na precyzyjny silnoprądowy pomiar napięć rażenia z wykorzystaniem dostępnego źródła zasilania bez konieczności budowy rozległej pętli prądowej. Wszystkie omówione przyrządy z powodzeniem się uzupełniają, dzieląc między sobą możliwości wykonania napięć rażenia praktycznie niemal każdego obiektu elektroenergetycznego. Sprzedawane są one z 24-miesięczną gwarancją producenta oraz dostępne są w pełnej polskiej wersji (posiadają z polskie menu, instrukcje obsługi oraz świadectwo wzorcowania). Oficjalnym przedstawicielem firmy Metrel w Polsce jest firma Merserwis z siedzibą w Warszawie - zapewniająca wsparcie techniczne, szkolenia z obsługi oraz serwis gwarancyjny i pogwarancyjny dla tych przyrządów.

Artykuł opracował Tomasz Lipiński

Kacper Gąsecki

Masz pytania lub potrzebujesz doboru rozwiązania kontrolno-pomiarowego?