INSTRUMENT VIRTUAL DE MĂSURARE A REZISTENȚEI DE DISPERSIE A PRIZELOR DE PĂMÂNT [306358]

[anonimizat] A REZISTENȚEI DE DISPERSIE A PRIZELOR DE PĂMÂNT

ENUNȚUL TEMEI: Instrument virtual de măsurare a rezistenței de dispersie a prizelor de pământ

CONȚINUTUL proiectului de diplomă

Piese scrise

Piese desenate

Anexe

LOCUL DOCUMENTĂRII: [anonimizat]: conf. dr. ing. Andrei C. CZIKER

Data emiterii temei: 2 octombrie 2017

Termen de predare: 6 iulie 2018

[anonimizat]: [anonimizat]. Andrei C. [anonimizat]: Deoarece acest proiect de diplomă/lucrare de disertație nu ar fi putut fi finalizat(ă) fără ajutorul membrilor departamentului ……………………….… și a [anonimizat].

Data: ………… Semnătura

Declarație: Subsemnatul …………………….……………… declar că am întocmit prezentul proiect de diplomă/[anonimizat], sub îndrumarea conducătorului științific și pe baza bibliografiei indicate de acesta.

Data: ………… Semnătura

Cuprins

Capitolul 1 Introducere…………………………………………………………………..7

Efectele curentului electric asupra organismului uman. Metode de protecție împotriva electrocutării……………………………………………………..7

Măsuri de protecție împotriva electrocutării prin atingere directă……..7

Măsuri de protecție împotriva electrocutării prin atingere indirectă…..8

Protecția prin legare la pământ…………………………………………………….9

Protecția prin legare la nulul de protecție…………………………………….10

Capitolul 2 Instalațiile de legare la pământ……………………………………..15

Funcții și tipuri de legare la pământ……………………………………………15

Instalațiile de legare la pământ împotriva electrocutărilor……………..16

Obiectele instalațiilor electrice care se leagă la pământ…………………16

Determinarea valorilor admise ale tensiunilor de pas și de atingere…17

Elementele componente ale instalației de legare la pământ…………….19

Executarea instalațiilor de legare la pământ…………………………………20

Prize de pământ naturale……………………………………………………………21

Prize de pământ artificiale…………………………………………………………22

Verificarea instalțiilor de legare la pământ…………………………………..22

Generalități………………………………………………………………………………22

Măsurarea rezistenței de dispersie a prizei de pământ……………………24

Condiții de măsurare………………………………………………………..24

Metoda ampermetrului și voltmetrului……………………………….27

Metoda ampermetrului și wattmetrului………………………………30

Metoda compensării…………………………………………………………31

Capitolul 3 Realizarea practică a dispozitivului experimental……………33

3.1 Modul de lucru…………………………………………………………………………….33

3.2 Specificațiile tehnice ale componentelor folosite………………………………35

3.3 Efectuarea măsurătorilor……………………………………………………………….37

Capitolul 4 Concluzii……………………………………………………………………39

Capitolul 5 Anexe………………………………………………………………………..40

Capitolul 6 Bibliografie………………………………………………………………..47

Capitolul 1 Introducere

Efectele curentului electric asupra organismului uman. Metode de protecție împotriva electrocutării

Corpul omenesc se comportă din punct de vedere electric ca o rezistență. Rezultă astfel că în urma aplicării unei diferențe de potențial între două puncte de pe suprafața acestuia, prin ele trece un curent I:

I= (1)

unde:

U – tensiunea aplicată sau tensiunea de atingere;

R – rezistența corpului omenesc pe traseul străbătut de curent.

Trecerea unui curent electric prin organism poarta numele de electrocutare și poate produce vătămarea acestuia sau chiar moartea.

Abordările analitice, ca și experiența de exploatare a rețelelor electrice a permis stabilirea unor mijloace de protecție principale împotriva electrocutării. În special în cazul atingerilor indirecte, aceste mijloace nu pot asigura o protecție radicală, motiv pentru care sunt asociate cu una sau mai multe măsuri tehnice secundare de protecție. Astfel, mijloacele cu care sunt echipate instalațiile electrice, în vederea reducerii riscului de electrocutare, formează un sistem de protecție împotriva tensiunilor accidentale.

O clasificare mai frecvent utilizată a sistemelor de protecție împotriva electrocutării le împarte pe acestea în două caaategorii, și anume:

măsuri generale de protecție împotriva producerii accidentelor prin atingere directă;

măsuri generale de protecție împotriva producerii accidentelor prin atingere indirectă.

Măsuri de protecție împotriva electrocutării prin atingere directă

Protecția împotriva electrocutării prin atingere directă se asigură prin aplicarea atât a măsurilor tehnice cât și organizatorice. Măsurile organizatorice au rolul de a le completa pe cele tehnice, în realizarea unei protecții corespunzătoare. Măsurile tehnice care pot fi folosite pentru protecția împotriva electrocutării prin atingere directă sunt urmatoarele:

acoperiri cu materiale electroizolante ale părților active (izolarea de protecție) ale instalațiilor și echipamentelor electrice;

închideri în carcase sau acoperiri cu învelișuri exterioare;

îngrădiri;

protecția prin amplsare în locuri inaccesibile prin asigurarea unor distanțe minime de securitate;

scoaterea de sub tensiune a instalației sau echipamentului electric asupra căruia urmează a se efectua lucrări și verificarea lipsei tensiunii;

utilizarea de dispozitive speciale pentru legări la pământ și în scurtcircuit;

folosirea mijloacelor de protecție electroizolante;

alimentarea la tensiune foarte joasă (redusă) de protecție;

egalizarea potențialelor și izolarea față de pământ a platformei de lucru.

Măsurile organizatorice care pot fi aplicate împotriva electrocutării prin atingere directă sunt următoarele:

executarea intervențiilor la instalațiile electrice (depanări, reparări, racordări, etc.) trebuie să se facă numai de personal calificat în meseria de electrician, autorizat și instruit pentru lucrul respectiv;

executarea intervențiilor în baza unor forme de lucru indicate de reglementările legale în vigoare;

delimitarea materială a locului de muncă (îngrădire);

eșalonarea operațiilor de intervenție la instalațiile electrice;

elaborarea unor instrucțiuni de lucru pentru fiecare intervenție la instalațiile electrice;

Măsuri de protecție împotriva electrocutării prin atingere indirectă

Protecția împotriva electrocutării prin atingere indirectă se realizează numai prin măsuri și mijloace de protecție tehnice, fiind interzisă înlocuirea măsurilor și mijloacelor tehnice de protecție cu măsuri de protecție organizatorice.

Pentru evitarea electrocutării prin atingere indirectă este obligatoriu să se aplice simultan două măsuri de protecție, una din ele având rolul de măsură de protecție principală, iar cealaltă având rol de măsură de protecție suplimentară. Aceste măsuri de protecție formează un sistem de protecție. Măsura de protecție principală trebuie să asigure protecția în orice condiții (protecție necondiționată), iar măsura de protecție suplimentară trebuie să asigure protecție în cazul deteriorării protecției principale. Cele două măsuri de protecție trebuie alese astfel încât să nu se anuleze reciproc.

În general, măsurile de protecție ce pot fi aplicate pentru evitarea electrocutării prin atingere indirectă sunt următoarele:

utilizarea tensiunilor foarte joase de securitate;

legarea la pământ;

legarea la nul de protecție;

izolarea suplimentară de protecție, aplicată utilajului;

izolarea amplasamentului;

separarea de protecție;

egalizarea și/sau dirijarea potențialelor;

deconectarea automată în cazul apariției unei tensiuni accidentale periculoase sau a unor curenți de defect periculos de mari;

folosirea mijloacelor de protecție electroizolante.

Dintre mijloacele enumerate anterior, cele mai importante, datorită eficienței ridicate a acestora, sunt protecția prin legare la pământ și protecția prin legare la nul. Instalațiile aferente acestor măsuri de protecție trebuie să asigure dirijarea curenților de defect pe circuite impuse, astfel alese încât să fie evitată producerea unor tensiuni accidentale, de atingere și de pas, periculoase.

Protecția prin legare la pământ

Aceasta este metoda de bază ce se adoptă împotriva electrocutărilor prin atingere indirectă în rețelele cu neutrul izolat față de pământ. Legarea la pământ se realizează printr-o priză de pământ montată în apropierea construcției și un conductor metalic de legătură între priza de pământ și partea metalică, care în mod accidental, ar putea ajunge sub tensiune (carcasa metalică a unui motor).

În figura 1 este prezentat principiul metodei de legare la pământ. Rețeaua trifazată (R, S, T) are neutral N izolat față de pământ (P).

Motorul electric m este alimentat de la rețea printr-un racord trifazat iar carcasa metalică a acestuia este legată la priza de pământ PP prin conductorul de legare la pământ CLP.

S-a presupus ca faza T a suferit un defect de izolație D și carcasa metalică a motorului a fost pusă în contact cu aceasta.

Figura 1 Principiul metodei de legare la pământ

Dacă omul atinge cu mâna carcasa motorului, iar cu picioarele se află pe o pardoseală bună conducătoare de electricitate, se stabilește circuitul electric trifazat, desenat cu linie întreruptă pe figura 1.a. Schema electrică echivalentă a acestuia este cea din figura 1.b unde Rpp este rezistența prizei de pământ și a conductorului de legare la aceasta, iar Rh este rezistența electrică a corpului omului. Între faza T și pământ există rezistența de izolație a prizei de pământ și a omului, legate în paralel, iar între fazele R și S și pământul P există numai rezistențe de izolație Riz.

Din figura 1.b rezultă că valoarea curentului ce trece prin om Ih, depinde de căderea de tensiune aplicată acestuia, care este ∆UAB. Deoarece rezistențele Rpp și Rh sunt legate în paralel, există relația:

(2)

de unde:

(3)

Dacă rezistența prizei de pământ Rpp ar fi nulă, curentul prin om ar fi de asemenea nul, ceea ce ar reprezenta o protecție ideală pentru om. În realitate rezistența prizei de pământ are o valoare foarte mică, astfel că valoarea curentului prin om să fie mai mică decât cea periculoasă, iar ∆Uab să fie de asemenea sub valoarea admisibilă a tensiunii de atingere.

Valoarea rezistenței prizei de pământ, când aceasta este utilizată numai pentru protecția omului împotriva electrocutării, prin legare la pământ, trebuie să fie mai mică decât 4 Ω. Dacă priza de pământ este comună mai multor instalații valoarea ei trebuie să fie mai mică de 1 Ω.

Protecția prin legare la nulul de protecție

Aceasta este metoda de bază ce se adoptă împotriva electrocutărilor prin atingere indirectă în rețelele cu neutral legat la pământ. Conductorul de nul de protecție se execută numai din cupru și se leagă la priza de pământ de exploatare a postului de transformare.

Principiul metodei este ilustrat în figura 2. Motorul trifazat m este legat la rețea, iar carcasa metalică a acestuia este legată la conductorul de nul de protecție. Dacă se produce un defect de izolație și unul din conductoarele de fază ajunge în contact cu carcasa metalică a motorului, se stabilește un circuit electric astfel: faza R, locul defect, carcasa motorului, conductorul de nul de protecție, neutral rețelei și faza R. curentul prin acest circuit are mărimea:

(4)

Figura 2 Principiul de legare la nulul de protecție

unde Uf=220 V, este tensiunea de fază, iar Rf și Rnp sunt rezistențele conductoarelor de fază și respectiv de nul și respectiv de protecție. Chiar dacă distanța dintre postul de transformare și motor este de ordinul sutelor de metri, rezistențele Rf și Rnp au valori mici (aproximativ 1 – 2 Ω). Rezultă că valoarea curentului de defect Id este mare (100 – 200 A), ceea ce face să se topească firul fuzibil al siguranței de pe faza defectă (siguranța e3 din figura 3). În felul acesta carcasa motorului este scoasă de sub tensiune și pericolul de electrocutare prin atingerea acesteia dispare.

În figura 3 este prezentat un al cincilea conductor (conductor de nul de lucru). Este foarte important ca cele două conductoare de nul să nu fie confundate între ele. Conductorul de nul de lucru se utilizează numai pentru alimentarea receptoarelor monofazate, iar conductorul de nul de protecție numai pentru legarea părților metalice care în mod accidental ar putea ajunge sub tensiune (figura 3). În figura 3 se indică modul corect cum trebuie utilizate conductoarele de nul de lucru și de protecție. Motoarele trifazate m1 și m2 sunt legate la cele trei faze ale rețelei (R, S, T) și părțile metalice ale acestora la conductorul de nul de protecție. Cuptorul monofazat c este legat la faza T și la conductorul de nul de lucru, iar carcasa metalică a la conductorul de nul de protecție. Priza monofazată p este legată la faza S și la nulul de lucru, iar contactul său de protecție la conductorul de nul de protecție.

În practica de la transformator până la cofretul (sau tabloul general) al clădirii, rețeaua este formată din patru conductoare (figura 4): cele trei conductoare de fază și un conductor de nul care este comun pentru nulul de lucru și pentru nulul de protecție la cofret nulul de protecție și nulul de lucru se separă între ele (figura 4).

Figura 3 Principiul de legare la conductorul nul de lucru

Figura 4 Legătura între transformator și tabloul general

Pentru ca protecția să fie eficientă, rezistența electrică a conductorului de nul de protecție trebuie să fie aleasă încât siguranța fuzibilă să deconecteze întru-un timp mai mic decât 0,2 s. Conductorul de nul de protecție se execută din cupru, pentru a avea și o rezistență mecanică bună. Secțiunile minime ale conductorului de nul de protecție se aleg din tabele în funcție de condițiile sale de montare și de secțiunea și materialul conductorului de fază.

În instalațiile interioare, conductorul de nul de protecție este îmbrăcat în izolație de culoare roșie pentru a se deosebi de conductorul de nul de lucru, pentru care izolația se execută de culoare alb sau cenușie.

Pe toată lungimea sa, conductorul de nul de protecție se înnădește numai prin sudare, cositorire sau prin șuruburi asigurate împotriva auto-desfacerii. Și din acest punct de vedere se deosebesc de conductorul de nul de lucru care se înnădește prin intermediul elementelor de legătură.

Pe toată lungimea sa, pe conductorul de nul de protecție nu se montează siguranțe fuzibile deoarece întreruperea acestuia ar putea genera accidente foarte grave.

Figura 5 Efectul montării siguranțelor fuzibile pe lungimea conductorului de nul

Acest lucru se poate constata în figura 5 în care conductorul de nul de protecție este întrerupt în punctul A, iar la motorul m1 există un defect de izolație (în D). Din cauza defectului de izolație carcasa motorului m1 se va afla la potențialul fazei defecte (faza R). Prin intermediul conductorului de nul de protecție carcasa motorului m2, carcasa cuptorului monofazat e1 etc. se vor afla la potențialul fazei R, fără ca la acestea să se fi produs un defect de izolație. Din această cauză, dacă omul pune mâna pe oricare din carcasele sau stelajele metalice legate la acest nul de protecție este electrocutat. În figura 5 este arătat circuitul curentului de electrocutare când omul pune mâna pe carcasa metalică a motorului m2 și stă cu picioarele pe o pardoseală bună conductoare de electricitate în contact cu pământul.

Și din acest punct de vedere conductorul de nul de protecție se deosebește de cel de nul de lucru deoarece pe acesta din urmă se pot monta siguranțe fuzibile. Întreruperea conductorului prin topirea fuzibilului are drept consecință întreruperea funcționării receptorului legat la acest conductor.

Pentru a asigura instalația și în cazul (improbabil) al întreruperii nulului de protecție, protecția prin legare la conductorul de nul de protecție se dublează prin legarea la pământ. Legarea corectă a părților metalice, ce în mod accidental pot fi puse sub tensiune se va face la conductorul de nul de protecție și la pământ ca în figura 6.

În timpul exploatării instalațiilor electrice, se va urmări periodic ca instalația de protecție prin legare la nulul de protecție să se afle în perfectă stare. Pentru aceasta se vor controla periodic punctele de înnădire de pe traseul conductorului de nul de protecție expuse mai des la lovituri mecanice și la trepidații.

De regulă acestea sunt punctele de legătură din tabloul electric și cel dintre conductorul de nul de protecție și părțile metalice la care se leagă.

Figura 6 Legarea la conductorul de nul de protecție și la pământ

După verificarea acestora, se vor simula unul sau mai multe defecte de izolație la câteva din mașinile sau aparatele electrice ale instalației. Dacă deconectarea este instantanee, se consideră că instalația de protecție prin legare la nulul de protecție funcționează corect.

Capitolul 2. Instalațiile de legare la pământ

2.1 Funcții și tipuri de instalații de legare la pământ

Instalațiile de legare la pământ sunt destinate unor funcții multiple de asigurare a unei exploatări normale fără pericole, a instalațiilor și echipamentelor electrice. Dintre cele mai importante funcții ale acestora se enumeră următoarele:

asigurarea siguranței personalului de deservire și a tuturor persoanelor care pot veni în atingere cu diferite carcase, elemente de susținere sau îngrădire ale instalațiilor și echipamentelor electrice, precum și a persoanelor care circulă în apropierea acestora; se urmărește realizarea deconectării rapide a sectorului în care a avut loc defectul și limitarea tensiunilor de atingere și de pas sub valorile maxime admise;

stabilizarea potențialelor față de pământ ale unor puncte aparținând circuitelor normale de lucru;

realizarea unor circuite de întoarcere prin pământ a curenților normali de lucru, în special pentru tracțiunea electrică;

crearea unor circuite pentru acționarea protecție în cazul punerilor la pământ în rețele;

realizarea protecției împotriva supratensiunilor atmosferice sau datorate unor cauze interne;

legarea la pământ temporară a unor elemente făcând parte din circuitele curenților de lucru a unei instalații electrice, în vederea realizării protecției împotriva electrocutărilor care ar putea avea loc ca urmare a descărcării unor sarcini capacitive sau datorită apariției unei tensiuni neprevăzute în timpul executării unor lucrări de revizie, etc. în instalația respectivă.

Instalațiile de legare la pământ destinate scopurilor de mai sus sunt cuprinse în următoarele categorii:

Instalații de legare la pământ de protecție împotriva electrocutărilor;

Instalații de legare la pământ de exploatare, destinate legării la pământ a unor elemente făcând parte din circuitele curenților normali de lucru;

Instalații de legare la pământ de protecție împotriva supratensiunilor atmosferice;

Instalații de legare la pământ folosite în comun, destinate atât pentru scopuri de protecție cât și pentru scopuri de exploatare;

În cele mai dese cazuri, condițiile cele mai grele sunt impuse instalațiilor de legare la pământ pentru protecția împotriva electrocutărilor. Astfel, o instalație dimensionată pentru trecerea curenților de defect posibili, prezintă în general, parametri acoperitori și pentru folosirea în scopuri de exploatare sau pentru

protecția împotriva supratensiunilor atmosferice sau de natură internă. Dintre acestea, principalul scop care determină dimensionarea instalațiilor este protecția împotriva electrocutării.

Necesitatea obținerii unor tensiuni de pas si de atingere de ordinul zecilor de volți conduce la condiții cu atât mai grele cu cât tensiunea de serviciu a instalației electrice și curentul de defect sunt mai mari.

2.2 Instalații de legare la pământ de protecție împotriva electrocutărilor

2.2.1 Obiectele instalațiilor electrice care se leagă la pământ

Instalațiile de legare la pământ de protecție împotriva electrocutărilor au în vedere, în principal, evitarea accidentelor prin atingere indirectă în timpul deservirii echipamentelor electrice fixe și mobile.

Spre deosebire de atingerea directă, care se definește ca o atingere nemijlocită cu un corp conductor a unui obiect dintr-o instalație electrică aflat sub tensiune în regim normal de funcționare, prin atingere indirectă se înțelege contactul cu un obiect conductor care a intrat accidental sub tensiune datorită unui defect în instalația respectivă.

Legarea la pământ urmează să fie realizată pentru toate elementele conductoare care nu fac parte din circuitele curenților de lucru, dar care în mod accidental ar putea intra sub tensiune printr-un contact direct, prin defect de izolație sau prin intermediul unui arc electric, cum sunt:

carcasele echipamentelor și elementele metalice sau de beton armat de susținere a acestora (inclusiv tuburile metalice de protecție a conductoarelor);

îngrădirile de protecție, atât cele fixe cât și cele mobile (demontabile), dacă nu au legătură electrică, sigură în exploatare, cu alte elemente legate intenționat la pământ (prin sudare sau înșurubare asigurată);

elementele metalice, inclusiv armăturile metalice ale construcțiilor de beton armat ale clădirilor în care sunt amplasate instalații electrice și care pot fi atinse din interiorul sau exteriorul încăperii respective;

părțile metalice ale stâlpilor pe care există echipament electric; de asemenea se leagă la pământ stâlpii metalici și de beton armat fără echipament, care se află în zone cu circulație frecventă de persoane în apropiere; noțiunea de echipament electric cuprinde în acest caz: transformatoare de putere sau de măsură, bobine, condensatoare, descărcătoare, siguranțe, întreruptoare, separatoare, etc. ;

suporturile de fixare ale izolatoarelor la intrările conductoarelor în clădiri, precum și armăturile izolatoarelor de trecere prin pereți; este de asemenea necesar ca plăcile din material izolant destinate traversării conductoarelor prin perete să fie încadrate de o ramă metalică legată la pământ;

armăturile și învelișurile metalice ale cablurilor electrice, atât cele de energie (forță și lumina) cât și cele de control, comandă, teletransmisii, etc.; acestea din urmă în special pentru egalizarea potențialelor în instalație;

elementele de acționare ale aparatelor; se exceptează, desigur, cele din material izolant, corespunzător tensiunilor nominale de serviciu ale instalație;

conductoarele de protecție ale liniilor electrice aeriene cu stâlpi metalici sau din beton armat, precum și descărcătoarele și eclatoarele de orice tip;

bornele speciale destinate legărilor la pământ ale transformatoarelor de măsură și care sunt marcate cu semnul legărilor la pământ.

Nu este obligatorie legarea la pământ a suporturilor sau armăturilor izolatoarelor, a traverselor, a consolelor și corpurilor de iluminat montate pe stâlpii de lemn sau pe alte construcții din lemn ale liniilor sau stațiilor electrice exterioare, dacă se îndeplinesc următoarele condiții: legarea acestora la pământ nu este condiționată de protecția contra supratensiunilor atmosferice, porțiunea de stâlp dintre ele și col nu este șuntată prin elemente conductoare, iar stâlpul nu se află la o încrucișare aeriană cu o altă linie.

2.2.2 Determinarea valorilor admise ale tensiunilor de atingere și de pas

Tensiunea de atingere se definește ca parte din tensiunea instalației de legare la pământ la care poate fi supus omul aflat la o distanță pe orizontală de 0,8 m față de obiectul atins.

În mod analog, prin tensiunea de pas se înțelege partea din tensiunea instalației de legare la pământ la care este supus omul când atinge cu picioarele două puncte de pe sol (pardoseala) aflate la o distanță pe orizontală de 0.8 m între ele (pe direcția descreșterii potențialelor), când prin priza de pământ trece un curent electric.

Limitele admise ale tensiunilor de pas și de atingere au valori diferite, în funcție de tensiunea de lucru, de timpul de deconectare în caz unui defect, de categoria instalației electrice și de condițiile de exploatare ale acestora.

Curentul nepericulos pentru om se consideră acela care nu produce fibrilația inimii. Pentru acțiuni de scurtă durată a curentului, timpi t mai mici sau cel mult egali cu 3s, curentul Ih care poate fi suportat de om fără pericole variază în funcție de valoarea acestui timp, conform relației

. (5)

Ca limită nepericuloasă se stabilește valoarea la care omul se poate elibera singur de sub acțiunea curentului electric, fără ajutorul altei persoane. Această valoare este stabilită de norme la 10 mA pentru cazul rețelelor de curent alternativ, respectiv 50 mA pentru cele în curent continuu.

În rețelele de joasă tensiune, pentru un timp de deconectare de cel mult 3s, tensiunile de pas și de atingere trebuie să fie mai mici sau cel mult egale cu 65 V în cazul curentului alternativ și 110 V în cazul curentului continuu.

Tensiunea instalației de legare la pământ Up reprezintă diferența de potențial dintre obiectele legate la priza de pământ și un punct aflat într-o zonă de potențial nul și se exprimă prin relația Up=IpRp, în care Ip este curentul care trece prin priza de pământ, iar Rp este rezistența instalației de legare la pământ.

Prin zonă de potențial nul se înțelege orice zonă din afara teritoriului în care este amplasată priza de pământ și unde orice punct al solului are un potențial practic egal cu zero când prin priză trece un curent electric.

Dacă un om atinge un obiect legat la priza de pământ și se află cu picioarele într-o zonă de potențial nul, el va fi supus la o tensiune de atingere Ua egală cu întreaga tensiune a instalație de legare la pământ Up.

Aceeași situație are loc chiar dacă omul nu se află într-o astfel de zonă însă atinge cu o parte a corpului un obiect lung care vine în contact cu o zonă de potențial nul, cum ar fi: o conductă de ape sau gaze, o șină de cale ferată, învelișul metalic al unui cablu, etc.

Dacă se exclud astfel de posibilități iar omul se află în apropierea prizei de pământ sau chiar deasupra electrozilor din care este constituită, tensiunea de atingere Ua este mai mică decât tensiunea Up a prizei.

Raportul dintre tensiunea de atingere și tensiunea instalației de legare la pământ se numește coeficient de atingere și se notează cu ka:

(6)

În mod similar se notează cu kpas coeficientul de pas, care reprezintă raportul dintre tensiunea de pas și tensiunea instalației de legare la pământ:

(7)

Se urmărește ca acești coeficienți, care depind în special de module de distribuire în sol a electrozilor prizei, să fie cât mai mici. Prin aranjarea convenabilă a electrozilor se obține o dirijare a potențialelor de pe suprafața solului atinsă de picioarele omului. Cu cât aceste potențiale sunt mai ridicate cu atât tensiunea de atingere este mai mică deoarece

Ua=Up-Uk. (8)

Pe de altă parte, cu cât potențialele Uk ale punctelor de pe suprafața solului sunt mai apropiate între ele, tensiunile de pas vor fi mai mici, deoarece reprezintă diferențele dintre aceste potențiale.

Figura 7 Distribuția potențialului la suprafața solului la trecerea curentului prin priza de pământ

Up – potențialul prizei de pământ; Ua – tensiunea de atingere; Upas – tensiunea de pas;

2.2.3. Elementele componente ale instalației de legare la pământ

Instalația de legare la pământ se compune dintr-un ansamblu de conductoare și electrozi îngropați în sol, prin care se realizează legările la pământ necesare.

De regulă, o instalație de legare la pământ se constituie din:

una sau mai multe prize de pământ;

o rețea de conductoare principale de legare la pământ;

conductoare de ramificații prin care se racordează obiectele la conductoarele principale;

conductoare de legătură între conductoarele principale și priza sau prizele de pământ artificiale;

piese de separație pentru măsurări, care se intercalează pe conductoarele de legătură la prizele artificiale.

Priza de pământ se compune, la rândul ei, din:

unul sau mai mulți electrozi în contact cu pământul;

conductoare de legătură între electrozi; dacă aceste conductoare sunt neizolate și îngropate în sol au și ele rolul unor electrozi.

Rețeaua conductoarelor principale de legare la pământ se racordează la prizele de pământ prin cel puțin două legături separate. Excepție fac prizele naturale singulare și, în special, stâlpii metalici sau de beton armat ai construcțiilor care se pot lega la conductoarele principale numai printr-o singură legătură.

Alegerea și dimensionarea electrozilor prizei și a diferitelor conductoare care fac parte din instalația de legare la pământ se face avându-se în vedere următoarele condiții, deosebit de importante:

limitarea rezistenței Rp a instalației de legare la pământ la valoarea care trebuie obținută, deoarece de această rezistență depinde direct tensiunea instalației de legare la pământ, deci și tensiunile de pas și de atingere (cu cât Rp este mai mică cu atât aceste tensiuni vor fi mai mici);

evitarea creșterii rezistenței Rp și a deteriorării conductoarelor în cazul solicitărilor termice datorate trecerii curenților de defect prin instalația de legare la pământ.

Executarea instalațiilor de legare la pământ

În vederea executării unei instalații de legare la pământ se stabilește, în prealabil, lista materialelor necesare în funcție de scopul instalației. Se analizează, în primul rând, cu multă atenție, condițiile locale, pentru a se stabili elementele de construcție metalice sau de beton armat care pot fi folosite drept prize de pământ naturale sau, eventual, drept conductoare de legare la pământ.

Figura 8 Elementele componente ale instalației de legare la pământ

După această operație se determină restul necesarului de electrozi pentru prize de pământ, precum și de conductoare de legare la pământ, având grijă ca fiecare în parte să satisfacă condițiile în ce privește secțiunile și grosimile minime admise.

Stabilirea corectă a necesarului de materiale și a locurilor de montare a acestora este prima condiție esențială pentru obținerea eficacității dorite a instalației de legare la pământ, însă nu este suficientă. A doua condiție principală pentru asigurarea parametrilor impuși constă în executarea foarte conștiincioasă a instalației de legare la pământ. Problema corectitudinii la execuție se impune în mod deoasebit la folosirea prizelor de pământ naturale constituite din armăturile metalice ale construcțiilor de beton armat. La astfel de prize trebuie să se execute anumite suduri, neexecutarea lor având consecințe grave, deoarece după turnarea betonului acestea nu mai pot fi verificate. Chiar și sudurile de suprafață trebuie executate corect și pe o suprafață suficient de mare, astfel încât în cazul trecerii curentului de defect să nu se deterioreze legătura.

Din toate acestea rezultă că executarea unei instalații de legare la pământ nu implică practic multe dificultăți, ea necesită în schimb multă conștiinciozitate.

2.4 Prize de pământ naturale

Prizele de pământ naturale care pot fi folosite la executarea unei instalații de legare la pământ sunt:

stâlpii metalici (chiar încastrați în beton);

stâlpii de beton armat;

fundațiile de beton armat ale construcțiilor;

conducte metalice de apă sau de alte fluide necombustibile;

învelișurile metalice ale cablurilor;

țevile metalice de tubaje (forare).

Execuția instalațiilor cu astfel de prize este de preferat deoarece este cu mult mai economică și sigură în exploatare decât cu prize artificiale. Principalele avantaje de execuție și exploatare a acestui tip de prize de pământ sunt:

permit trecerea unor curenți de defect mari, datorită secțiunilor echivalente mari ale elementelor respective metalice, precum și a suprafețelor mari în contact cu solul;

au o durată de funcționare practic egală cu cea a construcției respective, neexistând astfel problema înlocuirii periodice a electrozilor corodați;

au o mare rezistență la coroziune; practic nu sunt supuse coroziunilor datorită protecției oferită de straturile exterioare de beton, astfel încât nu există riscul creșterii rezistenței de dispersie;

au o mare rezistență mecanică și siguranță în exploatare, astfel încât nu impun un control des;

necesită un volum de lucru și de materiale relativ redus.

Problema principală care trebuie rezolvată la execuție constă în asigurarea cu atenție a continuității electrice. Nu se poate conta numai pe contactele întâmplătoare dintre armăturile metalice. Este esențial să se asigure continuitatea prin diferite suduri executate cu conștiinciozitate.

2.5 Prize de pământ artificiale

Ansamblul format dintr-o serie de electrozi special prevăzuți, legați între ei prin conductoare de legătură și îngropați în pământ la o adâncime stabilită, formează o priză de pământ artificială.

Elementele principale ale acestor prize sunt electrozii, cărora trebuie să li se acorde o atenție deosebită, în special la confecționare. Electrozii pot fi confecționați din țeavă de oțel, din oțel T sau oțel cornier. Procedeul de confecționare este asemănător pentru fiecare din aceste tipuri de electrozi: după tăierea la lungime, unul din capete se ascute prin tăierea laturilor respective în unghi, iar la celălalt capăt se sudează o piesă de legătură pentru conductorul de legătură dintre electrozi.

Executarea propriu-zisă a prizei de pământ se face într-un șanț săpat în pământ la o anumită adâncime, unde țărușii sunt bătuți în pământ și sunt conectați între ei prin intermediul conductoarelor de legătură, care sunt, de obicei, benzi de oțel. Aceste benzi de oțel se sudează între ele, obținându-se astfel conturul instalației.

Legăturile dintre benzile orizontale și conductoarele principale ale instalației de legare la pământ se fac prin intermediul unor piese de separație, care se desfac atunci când se execută măsurarea prizei de pământ.

După finalizarea operațiilor de sudare a benzilor de oțel și a cordoanelor de legătură până la piesele de separație, se procedează la astuparea șanțurilor și la tasarea pământului pentru un contact cât mai bun între benzile orizontale și sol.

Se măsoară rezistența prizei de pământ, iar în cazul în care valoarea acesteia este mai mare decât cea necesară, se mărește instalația de legare la pământ prin introducerea de noi electrozi, până se obține valoarea dorită a rezistenței acesteia.

2.6 Verificarea instalațiilor de legare la pământ

2.6.1 Generalități

Eficacitatea și siguranța în exploatare a instalațiilor de legare la pământ depinde de corectitudinea calculării și dimensionării acestora. În general, dimensionarea acestora se face pe baza anumitor date care nu se transpun totdeauna întocmai în practică și de aceea valorile calculate diferă de multe ori de

cele reale. În timpul executării lucrărilor de montaj se pot produce abateri nedorite față de schema, materialul, dimensiunile și distanțele stabilite prin calcul, influențând calitatea instalației executate. Din aceste motive, înainte de darea în exploatare a unei instalații noi de legare la pământ, trebuie să se efectueze o serie de verificări și măsurări, pentru a se constata dacă sunt respectate datele proiectului și prevederile normativelor în vigoare.

În timpul exploatării, ca urmare a corodării electrozilor prizei și a conductoarelor de legătură sau a uscării solului din jurul electrozilor, sub acțiunea curenților de punere la pământ și a descărcărilor atmosferice, se pot produce creșteri ale rezistenței electrice sau chiar deteriorări ale instalației de punere la pământ. De aceea, în exploatare, trebuie să se verifice periodic starea tehnică a acestor instalații. Verificarea se repetă și în cazul efectuării unor reparații la echipamentele electrice sau la instalația de legare la pământ.

Înainte de trecerea la verificarea unei instalații de legare la pământ, trebuie să se precizeze caracterul rețelei electrice la care se conectează echipamentul legat la pământ (rețea izolată fără compensare, compensată sau legată la pământ), destinația instalației de legare la pământ și principiul ei de funcționare. Înaintea oricărei verificări trebuie să se cunoască următoarele date tehnice și de calcul:

schema de principiu a instalației electrice;

datele de calcul ale instalației de legare la pământ (valoarea rezistenței de dispersie a prizei de pământ, valoarea curentului de punere la pământ sau de scurtcircuit monofazat, etc.);

desenele de execuție sau planul rețelei de legare la pământ, indicându-se materialul și dimensiunile conductoarelor de legătură, precum și amplasarea pieselor de separație pentru măsurări;

procesul verbal încheiat la montaj, privind părțile ascunse ale instalației de legare la pământ care nu sunt accesibile pentru verificare (prizele de pământ naturale și artificiale, partea ascunsă a rețelei de legare la pământ);

datele privind dispunerea comunicațiilor subterane, necesare pentru determinarea locului dis-punerii electrozilor auxiliari pentru măsurări;

datele privind verificări anterioare ale instalației de legare al pământ.

După cunoașterea tuturor acestor date, precum și a situației reale din instalație, se poate trece la întocmirea și realizarea programului de verificare a instalație de legare la pământ. Un astfel de program cuprinde, în general, următoarele măsurări și verificări:

Măsurarea rezistenței de dispersie a prizei de pământ și a rezistenței de legare la pământ a celui mai îndepărtat utilaj față de priza de pământ.

Verificarea stării elementelor instalației de legare la pământ și verificarea continuității legă-turilor conductoare dintre priza de pământ și elementele care se leagă la pământ.

Determinarea distribuției potențialelor, a tensiunilor de pas și de atingere.

Analiza rezultatelor măsurătorilor și întocmirea proceselor verbale de verificare.

2.6.2 Măsurarea rezistenței de dispersie a prizei de pământ

2.6.2.1 Condiții de măsurare

Măsurarea rezistenței electrice a instalațiilor de legare la pământ este obligatorie, atât la darea în funcțiune cât și periodic în exploatare, pentru determinarea valorii ei reale și pentru compararea acesteia cu valorile normate. Determinarea prin calcul a rezistenței de dispersie nu este întotdeauna simpla, iar formulele folosite cuprind unele aproximații. În astfel de condiții numai măsurarea este edificatoare. Pe de altă parte, compararea rezultatelor măsurătorilor efectuate timp de câțiva ani, permite să se urmărească starea instalațiilor de legare la pământ în exploatare și să se stabilească necesitatea luării unor măsuri de îmbunătățire în cazul măririi rezistenței prizei peste valorile admisibile, precum și în cazul când se constată coroziuni accentuate sau alte defecțiuni.

Măsurarea rezistenței prizei de pământ se face succesiv, în toate punctele de legătură dintre priza de pământ și conductorul principal de legare la pământ. Înainte de măsurare trebuie să se desfacă toate legăturile (de regulă realizate cu piese de separație) dintre priza de pământ și conductorul principal de legare la pământ. Se recomandă o atenție sporită în mod deosebit asupra necesității respectării riguroase a măsurilor de tehnica securității și protecția muncii.

Dacă instalația de legare la pământ cuprinde atât o priză de pământ artificială cât și o priză de pământ naturală conectată la prima, trebuie să se măsoare separat rezistența prizei artificiale și apoi cea a întregii prize (cele două prize legate împreună). Aceasta din urmă este cea care se măsoară cu valorile rezultate din documentația tehnică sau din prescripțiile tehnice în vigoare.

Cele mai răspândite metode de măsurare a rezistențelor prizelor de pământ se bazează pe aplicarea legii lui Ohm, cu ajutorul căreia a fost chiar definită rezistența de dispersie:

(9)

Într-adevăr, făcând să treacă prin priza de pământ un curent Ip , rezistența prizei de pământ se poate determina calculând raportul dintre tensiunea Up măsurată între electrodul prizei și un punct de potențial nul (îndepărtat) și curentul Ip.

Pentru a se realiza circuitul prin care să se închidă curentul Ip, în afară de priza de pământ a cărei rezistență se măsoară P, mai este necesară o a doua priză de pământ auxiliară A, denumită ți priză de curent. Pentru a măsura tensiunea Up reală, este necesară o a treia priză, S, denumită priză de potențial sau priză-sondă, care va fi amplasată în zona de potențial nul. Fără această a treia priză, voltmetrul fiind

montat între primele două prize, rezultatul măsurării va fi eronat, deoarece s-ar obține suma rezistențelor prizei măsurate și a prizei auxiliare:

(10)

Figura 9 Măsurarea rezistenței prizei de pământ

a – schema de principiu; b – repartiția potențialului în jurul prizelor.

Precizia măsurării rezistenței prizei de pământ depinde de dispunerea corectă în teren a prizei auxiliare și a sondei de potențial. Priza auxiliară A trebuie așezată cât mai departe posibil de priza măsurată, astfel încât câmpurile de potențial ale acestor prize să nu se influențeze reciproc. Între zonele de influență (câmpurile de potențial) ale prizelor P și A trebuie să existe o zonă de potențial nul, în care toate punctele solului să aibă practic același potențial, egal sau aproape egal cu cel al pământului, prin care nu trece nici un curent electric. Priza sondă S trebuie așezată în afara zonelor de influență ale celorlalte două prize, deci în zona de potențial nul.

În cazul prizelor de pământ singulare sau de întindere mică (diagonala maximă a ariei ocupată de priză fiind de cel mult 4 m), condițiile de mai sus sunt practic îndeplinite dacă distanțele dintre prize și sondă sunt mai mari de 20 m.

În cazul prizelor de pământ de întindere mare, determinarea zonei de potențial nul se face prin încercări, mutând sonda din loc în loc (de exemplu la intervale de 1-5 m), începând de la priza P care se verifică, spre priza auxiliară A. Aplicând între cele două prize o tensiune U, se măsoară cu ajutorul unui voltmetru diferența dintre potențialul prizei P și potențialul prizei S. Valorile măsurate succesiv marchează o creștere accentuată în apropierea prizelor P și A. Zona de potențial nul este semnalată de creșterile foarte mici, practic nule, ale tensiunii măsurate. Dacă nu se observă acest lucru, trebuie să se mărească distanța dintre priza verificată și priza auxiliară, pentru a se putea obține zona de potențial nul în care se va fixa sonda S în timpul măsurării rezistenței de dispersie.

Cu ajutorul aparatelor speciale de măsurare a rezistenței prizei de pământ, zona de potențial se poate determina într-un mod asemănător, tot prin încercări. Se citesc rezistențele indicate de aparat, mutând sonda din loc în loc, de la priza P spre priza A. Zona de potențial nul este semnalată de creșterile foarte mici, practic nule, ale rezistenței măsurate.

O precizie în general satisfăcătoare (erori mai mici de ±10%) se realizează și fără determinarea practică a zonei de potențial nul, amplasând priza auxiliară și sonda la distanțe mari sau cel puțin egale cu 80 m.

Trebuie să se țină seama ca atât priza auxiliară cât și sonda de potențial să fie așezate la peste 50 m depărtare de orice construcții metalice legate la pământ, cabluri blindate sau conducte metalice de diferite destinații, în special de cele care ar putea avea contact direct sau indirect cu instalația de legare la pământ care se verifică.

Pentru realizarea prizei auxiliare și a sondei de potențial se poate folosi electrozi de oțel rotund sau țeavă de oțel, bătuți în pământ. Țărușii nu trebuie să fie vopsiți, acoperirea cu oxizi neavând efecte însemnate. În vederea măsurărilor, țărușii se bat în pământ dens, natural, cu lovituri în direcția axului fără a-i clătina, pentru a nu înrăutăți contactul cu pământul. În solurile cu rezistivitate mare, pământul din jurul țărușilor se poate umezi cu apă obișnuită sau puțin sărată, după care se bătătorește.

Trebuie să se țină seama că rezistența de dispersie a prizelor realizate sub formă de țăruși este relativ mare (de exemplu cu un țăruș de 25 mm diametru, îngropat la o adâncime de 1 m în pământ obișnui cu ρ=100 Ω*m, se obține o rezistență de dispersie de 80 Ω, iar într-un sol cu ρ=200 Ω*m se realizează o rezistență de dispersie de 160 Ω). De aceea, la măsurarea rezistenței prizelor de pământ de întindere mare, folosind metode de măsurare în curenți tari, se vor căuta alte genuri de prize auxiliare, a căror rezistență de dispersie să fie mai mică de 10 Ω. Astfel, se pot folosi ca prize auxiliare fie țevimetalice, șine sau alte obiecte metalice îngropate în pământ însă nelegate la priza care se măsoară, fie chiar prize de pământ ale altor stații electrice, posturi sau stâlpi de linie aeriană.

Legăturile de la prizele de pământ la aparatul/aparatele de măsurat se execută cu conductoare izolate, prevăzute la capete cu papuci, corespunzători bornelor aparatelor și electrozilor. Lungimea conductoarelor trebuie să fie cel puțin egală cu distanțele minime indicate. Conductoarele izolate se întind direct pe pământ, evitându-se însă atingerea cu pământul a unor eventuale înnădiri de conductoare.

Măsurarea rezistențelor de dispersie poate fi falsificată, iar uneori chiar împiedicată, de acțiunea curenților vagabonzi din pământ. Curenții vagabonzi pot fi continui sau alternativi, produși datorită unor fenomene geofizice, deranjamentelor în instalațiile electrice, funcționării rețelelor de transport sau a aparatelor de sudare electrică. De asemenea, mai pot circula prin pământ curenți produși ca urmare a dispunerii nesimetrice față de pământ a conductoarelor liniilor aeriene, sau ca urmare a încărcării nesimetrice a fazelor.

Măsurarea rezistențelor de dispersie se face de regulă în curent alternativ, deoarece în cazul folosirii curentului continuu se creează o tensiune electromotoare de polarizare care poate falsifica sau chiar împiedica măsurarea. A fost elaborată însă și o metodă specială pentru măsurarea în curent continuu, folosind tensiunea electromotoare de polarizare spontană. Se menționează că rezistența de dispersie măsurată în curent alternativ de joasă frecvență (de fapt o impedanță) este practic egală cu rezistența măsurată în curent continuu.

În funcție de valoarea curentului care străbate priza verificată, metodele de măsurare în curent alternativ pot fi:

metode de măsurare în curenți tari (de ordinul 5-100 A);

metode de măsurare în curenți slabi (de ordinul miliamperilor).

În cele ce urmează se vor descrie câteva metode de măsurare, schemele și aparatele folosite, precum și modul de aplicare practică a acestora.

2.6.2.2 Metoda ampermetrului și voltmetrului

Rezistența prizei de pământ se poate măsura în curent alternativ, cu ajutorul unor aparate uzuale din dotarea oricărei întreprinderi. În principiu, metoda constă în măsurarea diferenței de potențial dintre priza de pământ și o sondă aflată în zona de potențial nul, Up, precum și a curentului electric care trece prin priza de pământ ce se verifică, Ip. După cum s-a arătat mai sus, valoarea rezistenței de pământ se determină folosind relația (9).

Figura 10 Schema de principiu a măsurării rezistenței de dispersie a prizelor de pământ

În figura 10 priza de pământ este notată cu Rp, electrodul RS reprezentând sonda de potențial (sau electrodul auxiliar de potențial. Electrodul notat cu RA este electrodul auxiliar de curent (priza de curent).

Precizia măsurătorilor este influențată în mod decisiv de distanța dintre electrodul prizei de curent RA și priza de pământ de măsurat Rp. Dacă distanța dintre cei doi electrozi este mică, zonele de potențial ale acestora se suprapun, având ca rezultat erori mari de măsurare, efect reprezentat în figura 11.a. Curba de variație devine mai aplatizată cu cât distanța dintre Rp și RA este mai mare, astfel încât sonda de tensiune să se afle într-o zonă cu potențial nul (figura 11.b).

Pentru o precizie cât mia bună a măsurătorilor voltmetrul trebuie să aibă o rezistența interna mult mai mare decât a sondei de potențial. Pentru ca eroarea să scadă sub 2% este nevoie ca rezistența acestuia să fie de cel puțin 50 ori mai mare. Dacă nu poate fi satisfăcută această condiție rezistența de dispersie se va calcula astfel:

(11)

unde: Uv – indicația voltmetrului, în V;

Rs – rezistența de dispersie a sondei de potențial, în Ω ;

Rv – rezistența interioară a voltmetrului, în Ω.

Pentru determinarea zonei de potențial nul se procedează astfel:

se execută montajul din figura 10, fără a fi necesar ampermetrul, iar sursa de alimentare putând fi alta decât cea proprie a aparatului de măsură a rezistenței de dispersie a prizelor de pământ;

se citesc valorile indicate de voltmetrul conectat între electrodul prizei care trebuie măsurată și sonda de potențial, sondă care se mută la diferite distanțe față de electrodul prizei de măsurat;

Figura 11 Repartiția potențialului la nivelul solului în funcție de distanța dintre priza de pământ și priza de curent

pe măsura depărtării față de priza de măsurat, valorile tensiunii cresc, creșterea fiind din ce în ce mai mică pentru o anumită îndepărtare pe aceeași direcție;

când creșterea devine foarte mică, valorile tensiunii rămânând aproximativ constante, înseamnă că s-a ajuns cu sonda de tensiune în zona de potențial nul, iar valoarea indicată a tensiunii reprezintă tensiunea totală a prizei de pământ;

dacă nu se înregistrează variați tot mai mici ale tensiunii pe măsura depărtării de priza de măsurat, atunci zonele de rezistență efectivă ale prizei de pământ și ale prizei auxiliare de curent se suprapun. În acest caz se recurge la mărirea distanței între priza de pământ și electrodul auxiliar de curent.

Modul de amplasare a electrozilor auxiliari depinde de tipul prizei de pământ pentru care se face verificarea rezistenței de dispersie. Astfel că electrozii se pot dispune coliniar sau în vârfurile unui triunghi isoscel, ca în figura 12.

Figura 12 Variante de dispunere a electrozilor circuitului de măsurarea rezistenței prizei de pământ

Valoarea optimă a distanței d dintre electrozi depinde dimensiunile prizei de pământ și de omogenitatea solului. Se recomanda amplasarea electrozilor la distanțe mai mari de 20 m.

Principalele dezavantaje ale metodei ampermetrului și voltmetrului sunt următoarele:

aplicarea metodei este incomodă, deoarece necesită folosirea concomitentă a două aparate de măsură și efectuarea unor calcule pentru determinarea rezistenței de dispersie;

metoda devine destul de complicată atunci când nu se poate înlătura efectul curenților paraziți prin pământ și când nu se dispune de un voltmetru cu rezistență internă suficient de mare;

trebuie să se asigure o sursă electrică de alimentare (rețea sau grup generator); acest lucru este uneori dificil, în special când se efectuează măsurători în instalații complet scoase de sub tensiune sau pe traseul liniilor electrice aeriene;

datorită valorilor periculoase ale tensiunii folosite, aplicarea metodei implică luarea unor măsuri suplimentare de siguranță și protecție împotriva electrocutărilor.

Cu toate acestea, metoda este deseori folosită în practică datorită următoarelor avantaje:

nu sunt necesare aparate speciale și de aceea metoda poate fi folosită în orice întreprindere cu aparatele uzuale de care se dispune;

datorită folosirii unor curenți relativ mari, se realizează o situație similară celei din exploatare și se scot în relief anumite defecte;

se pot măsura valori mici (fracțiuni de ohmi) ale rezistențelor de dispersie. De aceea această metodă este preferată pentru instalațiile de legare la pământ de întindere mare, unde celelalte metode, folosind curenți slabi, nu pot asigura precizia necesară.

2.6.2.3 Metoda ampermetrului și wattmetrului

Metoda de măsurare a rezistenței de dispersie folosind un ampermetru și un wattmetru este o variantă a metodei ampermetrului și voltmetrului, utilă atunci când nu se dispune de un voltmetru electronic sau cu limite de măsurare mici.

Schema de măsurare cuprinde aceleași elemente ca și în cazul metodei precedente, cu excepția voltmetrului în locul căruia se montează un wattmetru (preferabil cu rezistență interioară sau adițională de valoare mare pe circuitul de tensiune). Modul de conectare a aparatelor este indicat în figura 13.

Valoarea rezistenței prizei de pământ se determină din relația:

(12)

în care: Pp – puterea reală consumată în rezistența prizei Rp;

Pw – puterea indicată de wattmetru.

Figura 13 Măsurarea rezistenței prizei de pământ folosind ampermetrul și wattmetrul

Dacă rezistența Rw a circuitului de tensiune al wattmetrului nu este mai mare decât rezistența Rs a sondei de tensiune, pentru evitarea erorilor, în relația de mai sus trebuie introdusă în locul puterii Pw, indicată de wattmetru, o putere determinată cu relația:

(13)

Rezistența prizei-sondă se poate verifica cu aceeași schemă, în care circuitul bobinei de curent a wattmetrului se desface de la priza care se verifică și se leagă la priza-sondă.

Pentru a se elimina influența curenților vagabonzi din pământ asupra rezultatelor măsurătorilor, se efectuează două citiri ale puterii indicate de wattmetru, P1 înainte și P2 după inversarea tensiunii, curentul fiind menținut la aceeași valoare. Pentru a calcula rezistența se va folosi media aritmetică a celor două puteri citite.

După cum se poate vedea, calculul acesta este mai simplu decât în cazul metodei ampermetru-lui și voltmetrului, în ambele cazuri tehnologia măsurării fiind aceeași.

2.6.2.4 Metoda compensării

O altă metodă de măsurare a rezistenței de dispersie a prizelor de pământ, bazată tot pe utilizarea a trei electrozi în circuitul de măsurare, este metoda compensării sau metoda Behrend. Această metodă presupune compensarea căderii de tensiune pe priza de pământ cu o altă tensiune variabilă, obținută într-un montaj potențiometric, precum cel din figura 14.

Figura 14 Principiul metodei de măsurare a rezistenței de dispersie a prizelor de pământ prin metoda compensării: a) – schema de principiu; b) – schema electrică echivalentă.

În componența schemei de măsură intră, pe lângă electrozi, o sursă de tensiune alternativă de mică putere (sursă de tensiune continuă și un oscilator de joasă frecvență), un reostat calibrat și cu posibilitatea de citire a valorii rezistenței introduse în circuitul de măsură r, un transformator T, cu raport de transformare reglabil, k=1; 10; 100; …, un condensator C, destinat desensibilizării circuitului de măsură la curenți continui și un aparat de măsură a intensității curentului. Modul de dispunere în circuit a transformatorului asigură defazarea cu 180o a tensiunii din primar, pentru a realiza efectul de compensare a tensiunii.

Potențiometrul alimentează, cu o tensiune reglabilă, primarul transformatorului T. În circuitul din secundarul transformatorului, legea a doua a lui Kirchoff poate fi scrisă sub forma:

U2=Z2·I2-Rp·Ip (14)

în care Z2 reprezintă impedanța echivalentă a circuitului format din rezistența electrodului auxiliar de potențial Rs, capacitatea de filtrare a componentei continue C și impedanța proprie a aparatului de măsurat curent.

Prin deplasarea cursorului potențiometrului se modifică tensiunea U2 și implicit, intensitatea curentului din circuitul aparatului de măsură I2. Atunci când aparatul de măsura curent indică I2=0, circuitul este echilibrat și, deci, tensiunea din secundarul transformatorului este egală cu tensiunea totală a prizei de pământ, iar intensitatea curentului, prin primarul transformatorului, este egală cu aceea a curentului care circulă prin priza de pământ de măsurat, adică:

. (15)

Detaliind expresiile de mai sus, pentru regimul compensat, se obțin relațiile:

Up=Rp·Ip=Rp·I; (16)

U2=U=(R·I)=·r·I, (17)

k reprezentând raportul de transformare al transformatorului, R rezistența totală a reostatului, iar r partea din rezistența reostatului de pe care se alimentează primarul transformatorului.

Din relațiile (15), (16) și (17) se obține:

, (18)

rezistența de dispersie a prizei de pământ rezultând direct prin citirea raportului de transformare se-tat și a valorii rezistenței reostatului, pentru care compensarea tensiunii este perfectă.

Evitarea introducerii unor erori de măsură, generate de către curenți paraziți alternativi care circulă prin alte trasee, poate fi realizată prin utilizarea unei frecvențe în circuitul de măsurare diferite de frecvența industrială a rețelelor electrice. Este uzuală utilizarea frecvenței de 75 Hz.

Capitolul 3 Realizarea practică a dispozitivului experimental

3.1 Modul de lucru

Pentru realizarea fizică a unui dispozitiv pentru măsurarea rezistenței de dispersie a prizelor de pământ s-a pornit de la principiul metodei ampermetrului și voltmetrului. Această metodă presupune, după cum s-a arătat mai sus, utilizarea unui ampermetru și a unui voltmetru pentru măsurarea tensiunii și curentului de pe priza de pământ de măsurat. Calcularea valorii efective a rezistenței de dispersie se face pe baza formulei legii lui Ohm.

Pentru a obține un dispozitiv de dimensiuni reduse, s-a recurs la folosirea unei surse de curent continuu formată din patru baterii cu tensiunea de 4.5 V fiecare, însumând 18 V, total. Astfel se introduce o tensiune în priza de pământ de măsurat, și se măsoară tensiunea de pe aceasta în raport cu un punct de potențial nul, indicat de sonda de tensiune S. Curentul care trece prin priza de pământ se măsoară cu ajutorul prizei auxiliare de curent A. Pentru a avea un curent suficient de mare, pentru a putea fi citit, prin priza de pământ, se crește tensiunea indusă până la valoarea de 40 V, cu ajutorul unui convertor boost DC-DC.

Pentru citirea valorilor tensiunii de pe priza de pământ se folosește un senzor de tensiune. Deoarece senzorul măsoară doar tensiuni de curent continuu mai mici de 25 V, s-a recurs la folosirea unui divizor de tensiune rezistiv, format din două rezistențe cu valorile R1=33 kΩ și R2=10 kΩ . Valorile curentului sunt măsurate cu ajutorul unui transformator de măsură curent.

Calculul rezistenței și afișarea valorii acesteia se face cu ajutorul unui microcontroler Arduino UNO R3 și a unui display LCD 128×64 pixeli 5 V iluminat. Microcontrolerul poate fi conectat, cu ajutorul unui cablu de date, la un computer pentru salvarea și stocarea datelor obținute în urma măsurătorilor.

Pornind de la schema electrică din figura 15, la ieșirea sursei de tensiune continuă de 18 V se leagă intrarea convertorului boost DC-DC. La borna pozitivă a ieșirii convertorului se leagă conductorul de legătură dintre aparat și priza de măsurat. Închiderea circuitului se realizează între borna negativă (-) și priza auxiliară de curent A. Pe traseul conductorului dintre borna negativă și sonda A se montează transformatorul de măsură curent. Ieșirea transformatorului este șuntată cu o rezistență de 22 Ω. Rezistența de șunt este necesară pentru citirea valorii căderii de tensiune de pe aceasta de către microcontrolerul Arduino UNO, care pe baza tensiunii măsurate afișează valoarea curentului. Citirea valorilor tensiunii de pe priza de pământ, cu ajutorul senzorului de tensiune, se face conectând senzorul între divizorul de tensiune rezistiv și sonda de tensiune. Divizorul de tensiune se realizează între priza de pământ de măsurat și sonda de tensiune S.

Fizic, conexiunile din figura 15 s-au realizat pe o plăcuță de textolit acoperită cu strat de cupru, cu dimensiunile de 70×90 mm. Trasarea liniilor de circuit și a conexiunilor între elemente s-a făcut cu un marker cu vopsea rezistentă la apă și la acțiuni corozive. În urma scufundării acesteia în clorură ferică, s-a obținut plăcuța cu circuitul integrat, pe care s-au lipit elementele componente ale circuitului și conectorii necesari conexiunilor cu sursa de alimentare și electrozii pentru măsurători.

Următorul pas a constat în asamblarea tuturor componentelor într-o cutie de plastic, cu dimensiunile 190×140×120 mm și grad de protecție IP 56. Pentru întreruperea alimentării s-a folosit un întrerupător cu doi poli. Legăturile între circuitul intern al aparatului și conductorii de legătură cu priza de pământ și sondele pentru măsurare se realizează prin intermediul a patru mufe mamă-tată, de la stânga la dreapta, după cum urmează:

prima bornă – conductorul de alimentare a prizei de pământ cu tensiune;

a doua bornă – conductorul de măsurare între priza de pământ și senzorul de tensiune;

a treia bornă – conductorul de legătură între sonda de tensiune și senzorul de tensiune;

a patra bornă – legătura dintre priza auxiliară de curent si borna negativă a sursei de tensiune. Pe acest conductor se măsoară curentul de pe priza de pământ prin intermediul transforma-torului de măsură curent .

Conductorii de legătură se conectează la sondele de măsură și la priza de pământ de măsurat prin intermediul unor clești de tip crocodil. Electrozii sondelor de măsură sunt confecționați din bare de oțel inoxidabil cu diametrul de 10 mm și lungimea de 300 mm, având formă de T pentru ușurarea împlântării acestora în pământ. Conectarea conductorilor se face la partea superioară a electrozilor.

La capitolul Anexe, este prezentat modul de conectare a senzorilor și a display-ului la micro-controlerul Arduino, precum și codul de program folosit de acesta pentru a citi senzorii și a afișa valorile acestora și pentru a calcula și afișa valoarea rezistenței de dispersie a prizei de pământ măsurată. De asemenea, tot în acel capitol, este arătat modul de dispunere a elementelor componente ale aparatului în carcasa de plastic, precum și forma electrozilor și conductorii.

Figura 15 Schema electrică a dispozitivului experimental

3.2 Specificațiile tehnice ale componentelor folosite

Modul DC-DC Boost de 600 W

tensiunea de intrare: 12-60 V;

curent de intrare: 15 A;

tensiunea de ieșire: 12-80 V ajustabil;

curent de ieșire: 10 A;

putere de ieșire: Pieșire:tensiune intrare*10 A;

eficiența conversiei: 95%;

protecție scurtcircuit;

dimensiuni: 73×51 mm;

greutate: 270 g.

Figura 16 Convertor de tensiune boost DC-DC

Transformator de măsură curent SCT – 013

curent intrare: 0-100 A;

curent ieșire: 0-50 mA;

dimensiunile fantei: 13×13 mm;

abatere de la liniaritate: ± 3%.

Figura 18 Transformator de măsură curent Figura 19 Schema de principiu a

transformatorului de măsură curent

Senzor de tensiune (413) – compatibil Arduino

tensiune intrare: 0 – 25 V CC;

intervalul de detecție a tensiunii: 0.05 – 25 V CC;

rezoluție: 0.00489 V;

interfața de intrare CC: VCC-borna pozitivă, GND-borna negativă;

interfața de ieșire: ,,+” se conectează la 5/3.3 V, ,,S” la pinul AD, iar ,,-” la GND.

Figura 17 Senzor de tensiune

Alte elemente componente:

microcontroler Arduino UNO R3;

display LCD 128×64 pixeli 5 V iluminat;

conductor cupru MYF 1,5 mm2 , lungime totala 50 m;

electrozi oțel inoxidabil 2 bucăți;

clești clemă tip crocodil 4 bucăți;

mufe legătură tip mamă 4 bucăți;

mufe legătură tip tată 4 bucăți;

cutie plastic, grad de protecție IP56, 190×140×120 mm;

plăcuță textolit poleită cu strat de cupru;

conectori;

3.3 Efectuarea măsurătorilor

Pentru realizarea măsurătorilor s-a folosit o priză de pământ ce deservește instalația electrică a unui depozit. Priza de pământ este construită din 10 țăruși de oțel cu profil in cruce 50×50×3 mm și lungime de 1 metru. Aceștia sunt conectați între ei prin 12 metri de platbandă de oțel cu dimensiunile de 40×3

mm, de care este conectată instalația de legare la pământ. Priza de pământ este dispusă liniar în exteriorul clădirii (a se vedea Anexe).

Electrozii sondelor de măsurare s-au dispus în formă de triunghi isoscel cu distanța de 10 metri între sonda de tensiune și priza auxiliară de curent. Distanța între primul electrod al prizei de pământ de măsurat și cele două sonde auxiliare a fost de 20 metri.

Primul set de măsurători a fost efectuat cu un aparatul de măsurare a rezistenței prizelor de pământ Metrel Eurotest 61557 MI 2086. Acest set de măsurători s-a considerat referință pentru măsurătorile efectuate cu aparatul construit.

În tabelul 1 sunt prezentate ambele seturi de măsurători.

Tabelul 1 Măsurătorile efectuate cu cele două aparate

În urma comparării rezultatelor obținute prin măsurătorile făcute cu aparatul construit se poate constata că acesta se încadrează în limita de 10 % a erorii de măsurare. Valorile diferite obținute pot fi influențate și de erorile de măsurare ale senzorilor.

Capitolul 4 Concluzii

În lucrarea de față am arătat, începând de la primul capitol, importanța siguranței omului în contextul întreprinderii unei activități în zone în care apare riscul de accidente prin electrocutare. În acest caz, un rol foarte important în asigurarea securității și siguranței la locul de muncă, este atribuit instalațiilor de legare la pământ. Acestea trebuie să fie întotdeauna funcționale, de la darea în folosință, în caz de defect electric, asigurând parametrii optimi de siguranță. În cadrul instalațiilor de legare la pământ, sarcina de a disipa curentul de defect, de obicei foarte mare, de ordinul kilo-amperilor, este asigurată de priza de pământ. Cea mai importantă caracteristică a acesteia trebuie să fie rezistența de dispersie foarte mică, mai mică de 4 Ω pentru instalații la consumatori, și mai mică de 1 Ω pentru folosirea în comun a acesteia cu instalația de paratrăsnet.

În urma proiectării și a executării prizelor de pământ este necesară verificarea acestora. Măsurarea rezistenței de dispersie în sol a curenților de defect de pe priza de pământ, se efectuează prin diferite metode prezentate în lucrarea de față, cu ajutorul unor aparate specializate, sau a unor aparate de măsură, care se găsesc în orice întreprindere.

Prin această lucrare, pe lângă importanța instalațiilor de legare la pământ, am prezentat modul de construcție a unui aparat cu ajutorul căruia se măsoară rezistența de dispersie a prizelor de pământ. Construcția acestui aparat utilizează ca metodă de măsurare metoda ampermetrului și voltmetrului, având la bază utilizarea unui microcontroler și a unor senzori în locul aparatelor de măsură.

Printre avantajele acestui aparat se numără portabilitatea acestuia. Datorită dimensiunilor reduse poate fi ușor transportat și manevrat. Un alt avantaj îl constituie modul simplu de operare a acestuia, precum și interfața prietenoasă. Conexiunea acestuia la un computer se realizează printr-un cablu de date, ceea ce reprezintă un avantaj în conectarea aparatului cu mediu virtual.

Unul dintre dezavantaje îl reprezintă dependența acestui aparat de un laptop, sau o sursă de alimentare de 5 V curent continuu, stabilă. Introducerea datelor măsurătorilor în baze de date se face manual, acest lucru fiind un minus al acestui aparat.

În concluzie, acest aparat utilizează una dintre cele mai precise metode de măsurare, având un mod de operare mai puțin sofisticat și un cost de realizare redus.

5 Anexe

Tabelul 2 Tensiuni de atingere și tensiuni de pas (în V) maxime admise în cazul unui

defect la instalațiile electrice de joasă tensiune.

* în concordanța cu prevederile normativului I-7-2002 aliniat la prevederile SR EN 60364-4

Figura 19 Modul de dispunere a electrozilor de măsurare

în raport cu priza de pământ.

Figura 20 Schema de conexiuni între senzori, display și microcontrolerul Arduino UNO R3

Figura 21 Schema bloc a dispozitivului de măsurare a rezistenței de dispersie a prizelor de pământ

Figura 22 Codul de program Arduino

Figura 23 Modul de asamblare a componentelor în cutia de plastic

Figura 24 Aparatul, conductoarele de legătură și electrozii sondelor

Figura 25 Conexiunile aparatului cu laptop-ul și cu sondele de măsurare

6 Bibliografie

[1] Sufrim, M., ș.a. Construcția și exploatarea instalațiilor de legare la pământ, Editura Tehnică, București, 1970.

[2] Sufrim, M., ș.a. Instalații de legare la pământ, Editura Tehnică, București, 1987.

[3] Oprea, C., Curs ,,Mentenanța sistemelor industriale”.

[4] Lehtonen, M. & Hakola, T., Neutral earthing and power system protection, ABB Transmit Oy, Vaasa 1996.

[5] Markiewicz, H., Klajn, A., Instalații de legare la pământ – Bazele teoretice pentru calcul și proiectare, Wroclaw Universitz of Technology, 2003.

[6] Tagg, G.F., Earth resistance, George Newnes Limited, Londra, 1964.

[7] Tagg, G.F., Measurement of the Resistance of An Earth-Electrode System Covering a Large Area, IEE Proceedings, Vol. 116, 1969.

[8] Indicativ 1 RE-Ip 30/2004, Îndreptar de proiectare și execuție a instalațiilor de legare la pământ, 2004.

[9] Indicativ NTE 001/03/00, Normativ privind alegerea izolației, coordonarea izolației și protecția instalațiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor, 2003.

[10] Indicativ I7-2011, Normativ pentru proiectarea, execuția și exploatarea instalațiilor electrice aferente clădirilor.

[11] HOTĂRÂRE nr. 1425 din 11 octombrie 2006 pentru aprobarea Normelor metodologice de aplicare a prevederilor Legii securității și sănătății în muncă nr. 319/2006.

[12] http://roboromania.ro/produs/placa-de-dezvoltare-uno-r3-compatibila-arduino.

[13] https://ardushop.ro/ro/home/129-display-lcd-12864-pixeli-5v-iluminat.html.

[14] https://www.arduino.cc/en/Reference/Libraries.