System, miernik pomiaru napięcia rażenia krokowego i dotykowego Metrel MI 3295

Poniżej publikujemy artykuł opisujący system - miernik MI 3295 firmy Metrel pozwalający na pomiar napięć rażenia: napięcia krokowego i dotykowego wykorzystuje nową metodę pomiaru zwiększając dokładność i bezpieczeństwo badań obiektów elektroenergetycznych.

Rozkład napięcia wokół obiektów elektroenergetycznych musi być dokładnie badany podczas sprawdzania odbiorczego i okresowego systemu uziemiającego, ponieważ w przypadku uszkodzenia zbyt duża wartość napięcia rażenia może stanowić śmiertelne zagrożenie dla osób i zwierząt znajdujących się nawet w znaczącej odległości od obiektu (w zależności od typu i wielkości danego obiektu).

Okresowe sprawdzanie systemu uziemiającego, zgodnie z aktualnymi przepisami należy wykonywać w czasie nie dłuższym niż 5 lat. W przypadku tego typu pomiarów należy spełnić wymagania przepisów, które obowiązywały w okresie wykonywania pomiarów odbiorczych danego obiektu, a były to m.in. PBUE do 1990 r, Rozporządzenie Ministra Przemysłu do 1994., od 06.2002: norma PN-E-05115:2002 oraz najnowsze dwie normy zastępujące poprzednią: PN-EN 50522:2011, PN-E-61936-1:2011, które obowiązują obecnie przy sprawdzeniach odbiorczych nowych obiektów elektroenergetycznych.

Teoria

Poprawne podłączenie uziemienia do metalowych elementów obudowy gwarantuje, że napięcia pojawiające się na jej powierzchni pozostaną poniżej niebezpiecznego poziomu w przypadku uszkodzenia. Jeśli wystąpi prąd zwarciowy popłynie on do elektrody uziemiającej.

Typowy sposób rozkładu napięcia występuje, na przykład wokół elektrody uziemiającej (tworzy się tak zwany lej napięciowy). Prądy uszkodzeniowe występujące blisko obiektów sieci elektroenergetycznej (stacje, podstacje, słupy energetyczne, elektrownie itd.) mogą być bardzo wysokie i osiągać nawet 200kA. Jeśli dodatkowo w gruncie występują elementy metalowe (planowane bądź nieprzewidziane) lej napięciowy może ulec znaczącemu odkształceniu, co spowoduje pojawienie się groźnych, wysokich napięć rażenia w nieprzewidywalnej odległości od punktu uszkodzenia.

W związku z powyższym bardzo istotne jest dokładne zbadanie rozkładu napięcia obiektów energetycznych w celu wyeliminowania tego zjawiska. Na poniższych rysunkach prezentujemy sposób pomiaru uziemienia oraz napięć rażenia za pomocą systemu Metrel MI 3295.

Niebezpieczne napięcie w uszkodzonym systemie zasilania

Norma PN-EN 61140:2005/A1:2008P określa maksymalną dozwoloną relację czasu do napięcia krokowego

Maksymalne okresy czasowe i napięcia uszkodzeniowe

Przy dłuższej ekspozycji, wartość napięcia dotykowego musi być niższa niż 50V. Podczas testu, prąd pomiarowy jest wprowadzany do gruntu przez sondę pomocniczą. Wyższe prądy wprowadzane do gruntu zwiększają odporność na zakłócenia wywołanie prądami błądzącymi.

Pomiar napięcia krokowego

Pomiar napięcia krokowego wykonywany jest pomiędzy dwoma uziemionymi punktami, oddalonymi o 1 m. Sondy o masie 25kg symulują stopy człowieka. Napięcie pomiędzy sondami, mierzone jest woltomierzem o wewnętrznej rezystancji równej 1kΩ, co odpowiada rezystancji ludzkiego ciała.

Pomiar napięcia dotykowego

Pomiar napięcia dotykowego wykonywany jest pomiędzy dostępnymi metalowymi elementami a ziemią. Napięcie pomiędzy sondami a elementem obiektu mierzone jest woltomierzem o wewnętrznej rezystancji równej 1kΩ, co odpowiada rezystancji ciała człowieka.

Pomiar rezystancji uziemienia

Do pomiaru rezystancji uziemienia, stosowane są sondy napięciowa i prądowa (wykorzystana jako pomocnicza). Ze względu na lej napięciowy istotne jest, aby elektrody były rozmieszczone poprawnie.

Pomiar rezystywności gruntu

Przy pomiarze rezystywności gruntu prąd wprowadzany jest do gruntu za pomocą dwóch elektrod (C2/H i C2/H)

Sondy napięciowe S i ES muszą być umieszczone pomiędzy sondami prądowymi (należy zachować takie same odległości "a"). Stosowanie różnych odległości pomiędzy sondami pomiarowymi oznacza że pomiar wykonywany jest na różnej głębokości. Zwiększanie odległości 'a' mierzone są coraz głębsze warstwy gruntu.

Opis systemu MI 3295

Wprowadzony na polski rynek system pomiaru napięć rażenia krokowego i dotykowego firmy Metrel oznaczony został symbolem MI 3295. System ten umożliwia wykonanie wszystkich niezbędnych pomiarów systemu uziemiającego: rezystywności gruntu, rezystancji uziemienia (4-przewodową metodą techniczną), napięć rażenia (napięcia dotykowego i napięcia krokowego) wszelkich obiektów elektroenergetycznych (stacje, podstacje, słupy itd.)

W skład zestawu wchodzi: wymuszalnik prądowy (maksymalny prąd i napięcie: 55A, 55V) umieszczony w niewielkiej obudowie o kompaktowych wymiarach i masie 29,5 kg z dwoma uchwytami do transportu; woltomierz cyfrowy z rozdzielczością do 10µV z wydajnym filtrem zakłóceń, pamięcią wewnętrzną i komunikacją z PC; duża sonda prądową i mała napięciową; dwie sondy do napięcia krokowego (2 x 25kg); prądowy przewód pomiarowy na szpuli o długości 50m; pozostałe przewody pomiarowe niezbędne do wykonywania pomiarów oraz oprogramowanie PC SW HVLink Pro PL do przetwarzania danych pomiarowych zapisanych w pamięci. Zarówno menu wymuszalnika, woltomierza i oprogramowanie na PC oferowane są w języku polskim.

W razie konieczności istnieje możliwość zamówienia dodatkowego wyposażenia: wózka transportowego dla całego zestawu, kolejnego woltomierza (aby wykonać np. jednocześnie pomiar napięcia krokowego i dotykowego), lekkich płyt do pomiaru napięcia krokowego (możliwość zastosowania w miejsce standardowych sond 2 x 25kg) lub przedłużacza standardowego przewodu prądowego.

Dwie metody pomiaru

Bazując na dotychczasowych doświadczeniach z innymi modelami oraz informacjach zamieszczonych w przepisach i normach (PBUE, PN-EN 61936-1:2011, PN-EN 50522:2011) wiele osób uważa, że w przypadku pomiaru napięć rażenia, wymuszalnik prądowy powinien posiadać jak najwyższą sprawność prądową, tak aby umożliwić dokładny pomiar i wyeliminować zakłócenia. O ile w normach i przepisach rzeczywiście jest mowa o wymaganym prądzie pomiarowym rzędu 10A oraz więcej (i w przypadku wykorzystania metody Erbachera jest to techniczne uzasadnione), o tyle w każdym przypadku we wspomnianych normach i przepisach dopuszcza się stosowanie innych metod pomiaru, pod warunkiem że zapewniają one nie mniejszą dokładność pomiarową niż w przypadku pomiaru dotychczas wykorzystywanymi metodami.

Wynika to także z faktu iż większość oferowanych dotychczas mierników napięcia rażenia do pomiaru napięcia krokowego i napięcia dotykowego wykorzystywała wspominaną metodą Erbachera, która różni się od metody wykorzystanej w modelu MI 3295.

Pomiar napięć rażenia metodą Erbachera

Metoda Erbachera bazuje na analizie wektorowej, do której wymagane jest wykonanie trzech pomiarów, jednego bez sygnału pomiarowego (pomiar napięcia U0 przy wyłączonym generatorze) oraz dwóch z  pomiarem sygnału (pomiar napięcia U1 i U2 o przeciwnym zwrocie - z włączonym generatorem).

Sygnał pomiarowy posiada taką samą częstotliwość 50Hz jak podstawowa (najsilniejsza) składowa sygnału zakłócającego. Teoretycznie metoda Erbachera wytłumia tę harmoniczną w 100%, pod warunkiem, że sygnał zakłóceniowy nie zmienił się w czasie wykonywania trzech wymaganych pomiarów.

Niestety w środowisku przemysłowym zakłócenia ulegają ciągłej zmianie, dlatego wytłumienie to nie jest możliwe w 100% dla pierwszej harmonicznej, ale także w mniejszym stopniu dla pozostałych. W konsekwencji pomiary wykonywane tą metodą obarczone są większym błędem, a w celu jego ograniczenia stosuje się generatory prądowe o wysokim prądzie (które pozwalają na zadanie sygnału o znacznie większej amplitudzie niż wartości zakłóceń). To także przekłada się na konieczność zastosowania wyższego napięcia i ogólnie zwiększa zagrożenie porażeniem osób znajdujących się w obrębie badanego obiektu.

Pomiar napięć rażenia nową metodą

W przypadku systemu Metrel MI 3295 sytuacja ta ulega znaczącej zmianie, na skutek zastosowania zupełnie nowego podejścia, bazującego na wymuszalniku prądowym którego sygnał prądowy ma częstotliwość 55Hz oraz wykorzystania bardzo czułego i selektywnego woltomierza cyfrowego z filtrem pasmowo przepustowym o tłumieniu 64 dB dla składowej 50Hz.

Zastosowanie tych dwóch rozwiązań powoduje, że typowe zakłócenia (posiadające częstotliwości 50 lub 60Hz) nie mają wpływu na otrzymywane wyniki pomiarów albo wpływ ten jest minimalny. A ponieważ częstotliwość 55Hz nie występują w środowisku, a najbliższe częstotliwości 50Hz oraz 60Hz są skutecznie filtrowane przez woltomierz, dokładność pomiarów została znakomicie zwiększona.

Pozwoliło to również na znaczące podniesienie poziomu bezpieczeństwa w trakcie pomiarów, deklarowana maksymalna sprawność wymuszalnika prądowego wynosi 55 A przy maksymalnym napięciu pomiarowym rzędu 55V. Dzięki wykorzystaniu nowej metody, praktyczne pomiary napięcia rażenia w terenie pokazały, że porównywalne wyniki z systemami tradycyjnymi (wykorzystującymi bardzo duże prądy), można wykonać systemem MI 3295 przy prądzie generatora zaczynając już od 0,2A - co jest doskonałym wynikiem i znakomicie zwiększa bezpieczeństwo pomiarów obniżając próg mogących pojawić się napięć. 

Solidny, sprawdzony w praktyce

Metrel MI 3295 objęty jest 24 miesięczną gwarancją, a zarówno serwis jak i wzorcowanie przyrządu realizowane jest w Polsce. Od momentu premiery system pomiaru napięcia rażenia MI 3295 firmy Metrel znalazł w Polsce cały szereg zadowolonych nabywców, pośród których znalazły się m.in największe firmy zajmujące się produkcją i dystrybucją energii elektrycznej. Każdy z nabywców miał okazję wykorzystywać zestaw w różnych warunkach i na różnych obiektach, co potwierdziło jego niezrównaną na rynku solidność oraz dokładność.