Ćwiczenie laboratoryjne: OCHRONA PRZECIWPORAŻENIOWA
opracował: Krzysztof Żakowski
1. Wprowadzenie
Porażeniem elektrycznym nazywa się szkodliwe oraz niebezpieczne dla życia i zdrowia skutki przepływu
prądu przez organizm ludzki. Skutki porażenia zależą przede wszystkim od natężenia prądu i od czasu jego
przepływu. Czas trwania impulsu wywołującego porażenie określa się na około 4 ms.
Za granicę natężenia prądu niebezpiecznego dla życia ludzkiego przy ograniczonym przepływie prądu
przyjmuje się 30 mA prądu przemiennego i 70 mA prądu stałego.
Wartość natężenia prądu płynącego w chwili dotknięcia części będących pod napięciem zależy od:
wartości napięcia zasilającego obwód prądowy, w którym znajduje się ciało ludzkie,
rezystancji ciała ludzkiego,
rezystancji pozostałych części obwodu (rezystancji wewnętrznej z
ródła napięcia, rezystancji przewodów
zasilających, rezystancji uziemienia itp.).
Wartość prądu rażenia Ir można wyznaczyć z przybliżonej zależności:
U
f
Ir
Rc Rp
gdzie: Uf - napięcie fazowe
Rc - rezystancja ciała na drodze ręka obie stopy
Rp - rezystancja podłoża
Rezystancja ciała ludzkiego między zawilgoconą ręką a zawilgoconymi stopami wynosi około 2000 2500 ,
a w pomieszczeniach mokrych i gorących może się zmniejszyć do 1000 . Rezystancja naskórka w stanie suchym
przekracza 100 k , jednak w przypadku zawilgocenia znacznie maleje.
Możliwość niebezpiecznego porażenia prądem elektrycznym występuje we wszystkich urządzeniach
elektrycznych, których napięcie robocze lub dotykowe przekracza wartość napięcia bezpiecznego.
Napięcie robocze jest to napięcie między częściami przewodzącymi obwodu elektrycznego a ziemią lub
między częściami przewodzącymi należącymi do różnych biegunów obwodu elektrycznego. Napięcie to może
utrzymywać się stale lub dorywczo i ma wartość zbliżoną do napięcia znamionowego.
Napięcie dotykowe jest to napięcie występujące między dwoma punktami urządzenia lub jego częściami nie
należącymi do obwodu elektrycznego, które można jednocześnie dotknąć dwiema częściami ciała, np. dwiema
rękami lub ręką i stopą.
Napięcie robocze lub dotykowe uważa się za bezpieczne, jeżeli w określonych warunkach środowiskowych
nie przekracza wartości podanych w tabeli 1.
Tabela 1. Wartość napięcia bezpiecznego UL utrzymująca się długotrwale w określonych warunkach
oddziaływania otoczenia.
Wartość napięcia bezpiecznego UL
Rodzaj prądu
Warunki środowiskowe 1 Warunki środowiskowe 2
50 V 25 V
Prąd przemienny o częstotliwości 15 500 Hz
Prąd stały 120 V 60 V
Warunki środowiskowe 1: rezystancja ciała ludzkiego w stosunku do ziemi wynosi co najmniej 1000 .
Warunki środowiskowe2: w.w rezystancja poniżej 1000 .
1
Przystosowanie urządzeń elektrycznych do zasilania z bezpiecznych z
ródeł o napięciu roboczym nie
przekraczającym napięcia bezpiecznego UL jest najskuteczniejszym zabezpieczeniem przed porażeniem.
Techniczne środki ochrony przeciwporażeniowej dzieli się na:
- podstawowe (ochrona przed dotykiem bezpośrednim),
- dodatkowe (ochrona przed dotykiem pośrednim),
Najczęstsze wypadki porażeń zdarzają się wówczas, gdy człowiek stojąc na przewodzącym podłożu (ziemi,
mokrej podłodze betonowej, konstrukcji żelaznej itp.) lub dotykając ciałem metalowej części uziemionej (kranu
wodociągowego, grzejnika c.o., rurociągu itp.) jednocześnie dotknie odsłoniętej części metalowej znajdującej się
pod napięciem względem ziemi (gołego przewodu fazowego, oprawki żarówki itp.) lub części metalowej, na której
pojawiło się napięcie wskutek uszkodzenia izolacji (obudowa silnika, wyłącznika itp.)
Podstawowe środki ochrony przeciwporażeniowej to zespół środków mających za zadanie ubezpieczenie
człowieka przed zetknięciem się z przewodzącymi częściami obwodów elektrycznych oraz przed pojawieniem się
napięcia na częściach metalowych należących do obwodu elektrycznego. Do podstawowych środków ochrony
przeciwporażeniowej urządzeń elektroenergetycznych o napięciu znamionowym nie wyższym niż 1 kV należy
zaliczyć: izolację roboczą, osłony, bariery i ogrodzenia przenośne, umieszczanie części będących pod napięciem w
miejscach poza zasięgiem ręki.
Zadaniem ochrony dodatkowej jest zabezpieczenie człowieka przed porażeniem dotykowym, które pojawiło się
w następstwie uszkodzenia izolacji roboczej na częściach metalowych nie należących do obwodu elektrycznego.
W urządzeniach elektroenergetycznych o napięciu do 1 kV do dodatkowych środków ochrony
przeciwporażeniowej zalicza się m.in.: zerowanie, uziemienie ochronne, wyłączniki różnicowoprądowe, izolację
ochronną, separację odbiorników, izolowanie stanowiska.
Uziemienie ochronne
Uziemienie ochronne stanowi celowo wykonane połączenie elektryczne metalowej części urządzenia
podlegającego ochronie z przewodnikiem metalowym znajdującym się w ziemi (zwanym uziomem), powodujące
w warunkach zakłóceniowych samoczynne odłączenie zasilania.
Dla urządzenia elektrycznego zasilanego z czteroprzewodowej sieci zawierającej trzy przewody fazowe i
przewód neutralny (układ sieciowy TT) wymagane jest bezpośrednie uziemienie ochronne tego urządzenia (Rys.l).
Rys.1. Przepływ prądu przy uszkodzeniu izolacji uziemionego urządzenia elektrycznego (UE).
L1, L2, L3 - przewody fazowe, N- przewód neutralny, UZ - urządzenie zabezpieczające.
2
W przypadku wystąpienia zwarcia (celowe lub przypadkowe połączenie dwóch lub więcej punktów obwodu
elektrycznego mających różne potencjały), np. wskutek uszkodzenia izolacji w jednej z faz, tworzy się zamknięty
obwód (pętla zwarciowa), przez który płynie prąd zwarcia o natężeniu wynoszącym w przybliżeniu:
U
f
IZ1
RO RA
gdzie: IZ1 - prąd jednofazowego zwarcia,
RO - rezystancja uziemienia punktu neutralnego,
RA - rezystancja uziemienia ochronnego.
W obwodzie na Rys.1 znajduje się również urządzenie zabezpieczające (bezpieczniki lub wyłącznik), którego
zadaniem jest szybkie wyłączenie zasilania w przypadku zwarcia. Płynący prąd zwarciowy powinien spowodować
zadziałanie urządzenia zabezpieczającego i odłączenie zasilania. Aby to nastąpiło niezawodnie i w odpowiednio
krótkim czasie, prąd zwarciowy musi być większy od prądu zadziałania urządzenia zabezpieczającego.
Zastosowane uziemienie ochronne powinno charakteryzować się odpowiednio niską rezystancją, aby w razie
zwarcia nastąpiło samoczynne odłączenie zasilania. Wymaganie to uważa się za spełnione wówczas, gdy spełniona
jest zależność: RA Ia UL
gdzie: RA - rezystancja uziemienia części przewodzących dostępnych, [ ]
Ia - wartość prądu zapewniająca samoczynne zadziałanie urządzenia odłączającego zasilanie, [A]
UL - napięcie bezpieczne, [V]
Wartość prądu Ia mającego spowodować odłączenie zasilania powinna być większa od obliczonej według wzoru:
Ia k In
gdzie: In - wartość prądu znamionowego wkładki bezpiecznikowej lub wartość wyzwalającego prądu
różnicowego wyłącznika różnicowoprądowego,
k - współczynnik; np. k=2,5 dla bezpiecznika z wkładką topikową szybką na prąd znamionowy do 35 A
lub k=1,2 dla wyłącznika różnicowoprądowego.
Uziomy dzieli się na naturalne (np. rury wodociągowe, ułożone w ziemi konstrukcje metalowe, fundamenty
żelbetowe itp.) oraz sztuczne (ułożone w ziemi specjalnie do celów uziemienia). Do wykonania uziomów
sztucznych stosowane są na ogół kształtowniki, rury lekkie, pręty, druty lub taśmy ze stali ocynkowanej.
Uziomy sztuczne pionowe powinny być zagłębiane w gruncie w taki sposób, aby ich dolna krawędz

znajdowała się na głębokości większej niż 2,5 m. Uziomy poziome powinny być ułożone na głębokości nie
mniejszej niż 0,6 m w rowach lub bruzdach zasypanych gruntem bez kamieni, żwiru i gruzu.
Rodzaj i sposób wykonania uziomów sztucznych powinny zapewnić rezystancję uziemienia nie wyższą od
wymaganej, bez względu na wysuszenie lub przemarznięcie gruntu. Rezystancja uziemienia zależy od
rezystywności gruntu i wymiarów geometrycznych uziomu. W praktyce można ją obliczyć według wzoru:
RA a
l
gdzie: - rezystywność (opór elektryczny właściwy) gruntu, [ m]
l - długość uziomu, [m]
a - współczynnik, którego wartość dla najczęściej wykonywanych uziomów pionowych wynosi 0,84
a dla uziomów poziomych 1,8.
W przypadku trudności wykonania uziomów o wymaganej rezystancji w gruncie naturalnym ze względu na
ograniczoną powierzchnię lub rezystywność gruntu większą niż 1000 m, dopuszczalne jest sztuczne
zmniejszenie rezystancji uziemienia przez nasycenie gruntu środkami chemicznymi, np. gipsem.
Pomiary rezystancji uziemień są jedną z podstawowych prób odbiorczych i eksploatacyjnych urządzeń
elektroenergetycznych. W praktyce stosuje się dwie metody pomiarowe: techniczną lub kompensacyjną. Metoda
techniczna polega na wyznaczaniu rezystancji na podstawie pomiaru natężenia prądu przepływającego przez
obwód złożony z uziomu badanego i uziomu pomocniczego oraz spadku napięcia na uziomie badanym.
W metodzie kompensacyjnej spadek napięcia na uziomie, spowodowany przepływem prądu pomiarowego przez
uziom, kompensuje się spadkiem napięcia na potencjometrze znajdującym się w obwodzie.
3
3. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest utrwalenie podstawowych wiadomości o środkach ochrony przeciwporażeniowej
i zapoznanie z techniką badania uziemień ochronnych oraz różnymi typami mierników rezystancji uziemienia i
rezystywności gruntu.
Program ćwiczenia obejmuje pomiary rezystancji uziomów naturalnych (zakopany gazociąg, fundament
żelbetowy) oraz uziomów sztucznych (instalacja odgromowa, uziom słupa napowietrznej linii energetycznej),
a także pomiary rezystywności pozornej gruntu.
4. Wykonanie ćwiczenia
4.1. Pomiar rezystancji uziomu
Pomiar rezystancji uziomów należy wykonać za pomocą miernika rezystancji uziemienia i rezystywności
gruntu. Zasady obsługi różnych typów przyrządów przedstawi prowadzący ćwiczenie.
Pomiar odbywa się w układzie kompensacyjnym. Uproszczony schemat obwodu pomiarowego przedstawia Rys.2.
Zaciski miernika Rd oraz Rx podłącza się do badanego uziomu, zaś zaciski Rs i Rd do stalowych sond (elektrod)
wbitych w ziemię na głębokość ok. 25 cm. Indukowany przez przyrząd prąd przemienny, płynący pomiędzy
uziomem badanym Rx a sondą Rp, wywołuje spadek napięcia między uziomem badanym Rx a sondą Rs. Ten
spadek napięcia jest kompensowany za pomocą potencjometru R. Pokrętło potencjometru zaopatrzone jest w
obrotową podziałkę wyskalowaną w jednostkach rezystancji [ ]. Stan równowagi układu wskazuje galwanometr
magnetoelektryczny G. Prostowanie prądu w obwodzie galwanometru odbywa się przez prostownik sprzężony z
prądnicą.
Rys.2. Schemat układu pomiarowego rezystancji uziomu.
Po podłączeniu zacisków miernika do badanego uziomu i sond pomocniczych należy:
ustawić pokrętło przełącznika zakresu w położeniu x10,
wykonać pomiar rezystancji: początkowo należy stwierdzić, w którym kierunku odchyla się wskazówka
galwanometru; jeżeli wskazówka galwanometru wychyli się do oporu w prawo  należy pokrętłem przełącznika
zmienić zakres pomiarowy (położenie x1 lub x0.1); jeżeli wskazówka galwanometru wychyli się do oporu w
lewo  należy obracając tarczę potencjometru sprowadzić wskazówkę w kierunku zera i zrównoważyć miernik,
odczytać wskazanie potencjometru, uwzględnić mnożnik i zanotować zmierzoną rezystancję.
4
4.2. Pomiar rezystywności gruntu
Pomiar rezystywności gruntu należy wykonać metodą czteroelektrodową w układzie Wennera. Schemat
rozmieszczenia elektrod pomiarowych oraz sposób ich podłączenia do miernika przedstawia Rys.3.
Rys.3. Schemat układu do pomiaru rezystywności gruntu metodą Wennera
oraz przykładowe mierniki.
Rd, Rp  elektrody zewnętrzne. Rx, Rs  elektrody wewnętrzne.
Indukowany przez przyrząd prąd przemienny, doprowadzany do skrajnych elektrod (Rd i Rp), wywołuje
spadek napięcia między wewnętrznymi elektrodami pomiarowymi (Rx i Rs), który jest kompensowany za pomocą
potencjometru R.
Pomiar rezystywności gruntu należy wykonać w następujący sposób:
w linii prostej wbić w grunt cztery stalowe elektrody pomiarowe na głębokość około 25 cm, zachowując
jednakowy odstęp pomiędzy nimi (Rys.3),
połączyć przewodami elektrycznymi elektrody z odpowiednimi zaciskami miernika,
ustawić pokrętło przełącznika w położenie x10,
wykonać pomiar rezystancji (jak w punkcie 4.1),
odczytać wskazanie potencjometru, uwzględnić mnożnik i zanotować zmierzoną wartość rezystancji,
obliczyć rezystywność gruntu ze wzoru: 2 a R
gdzie: - rezystywność gruntu, [ m]
a - odległość pomiędzy elektrodami pomiarowymi, [m]
R - zmierzona rezystancja, [ ]
Obliczona wartość dotyczy pozornej rezystywności półkuli gruntu o promieniu 1,5 a.
Pomiar rezystywności wykonać dla kilku odległości elektrod, tj. w zakresie a = 0,5 10 m.
5
5. Opracowanie wyników
Sprawozdanie powinno zawierać omówienie uzyskanych wyników pomiarów rezystancji badanych uziomów
naturalnych i sztucznych oraz rezystywności gruntu.
Należy dokonać analizy przydatności badanych uziomów w ochronie przeciwporażeniowej dla warunków
środowiskowych 1 i 2 (patrz Tabela 1) w przypadku zasilania prądem przemiennym:
urządzenia energetycznego zabezpieczonego bezpiecznikiem instalacyjnym z wkładką topikową szybką na
prąd znamionowy do 35 A,
urządzenia zabezpieczonego za pomocą wyłącznika różnicowo-prądowego, w którym wyzwalający prąd
różnicowy wynosi 1000 mA.
Wykorzystując wyniki pomiarów rezystywności pozornej gruntu na różnej głębokości należy zaproponować
rozwiązanie techniczne uziomu sztucznego, którego rezystancja w tym środowisku nie przekroczy 10 .
6