Uziemienie obwodu elektrycznego zmniejsza poziom występujących w nim zakłóceń (szumów), a także daje niezmienny punkt zerowy odniesienia dla napięcia, a tym samym umożliwia prawidłową prace urządzeń i aparatury elektrycznej. Podstawowe funkcje i cechy uziemienia elektrycznego są dobrze znane, zaś samo rozwiązanie używane jest powszechnie w instalacjach uziemienia elektrycznego budynków, opartych na uziomach fundamentowych — od prostego uziemienia prętowego domów jednorodzinnych po skomplikowane i rozległe siatki uziemienia elektrowni i zakładów przemysłowych.

Istnieją również inne zastosowania uziemienia elektrycznego i choć są mniej znane, są równie ważne dla bezpieczeństwa ludzi i mienia. Jednym z nich jest ochronne uziemienie elektryczne substancji elektrycznych w transporcie. Używa się go w pojazdach drogowych i kolejowych — podczas normalnego przewozu i zabezpieczania jednostek ładunków niebezpiecznych w wyniku wypadku na drodze lub wykolejenia się składu pociągu. W takich warunkach wykonanie uziemienia nie jest problemem, problemem jest poziom jego bezpieczeństwa. Uziom nie stanowi zwykle trwałego elementu większej instalacji elektrycznej — robi się go na miejscu w postaci pręta uziomowego, który trzeba zainstalować jak najszybciej, zanim wypadek zmieni się w poważną katastrofę.

Cysterny samochodowe i kolejowe służą często do przewozu niebezpiecznych i niestabilnych substancji chemicznych, a zatem narażone są na wypadki w ruchu. O ile cysterna dobrze chroni niebezpieczną zawartość i otoczenie przed jej działaniem, to w warunkach jej wypadku (drogowego lub kolejowego), ładunek może łatwo stać się przyczyną katastrofy bardzo rozległej w skutkach. Jednym z najgorszych zagrożeń w takich warunkach jest zapłon substancji niebezpiecznej. Niebezpieczne substancje łatwopalne bardzo szybko mogą zająć się ogniem lub wybuchnąć z ogromną siłą. Pożar lub wybuch całego ładunku cysterny — której pojemność liczy się w tysiącach litrów — może grozić zniszczeniem nawet niewielkiego miasteczka. Odpowiedzialność za zabezpieczenie miejsca wypadku z udziałem substancji niebezpiecznych z reguły spada na miejscowe zastępy straży pożarnej.

Jednym z najczęstszych źródeł zapłonu łatwopalnych substancji chemicznych są wyładowania elektrostatyczne. Wystarczy wyobrazić sobie strugę iskier, tryskającą spod boku cysterny szorującej po powierzchni asfaltu, gdy jej ciągnik wypadnie z drogi. Towarzyszące temu naprężenia materiałów przewodzących elektryczność — a z nich wykonuje się poszycie cysterny —grozi gwałtownym wyładowaniem elektrostatycznym. Wyładowania elektrostatyczne ulegają samoistnemu rozproszeniu, gdy strumień elektronów dąży do stanu obojętnego. Jednakże gdy elektryczność statyczna pokona np. przerwę powietrzną między przewodnikami (choćby najmniejszą), dochodzi do wyładowania łukowego. Łuk elektryczny wydziela wysoką temperaturę, która działając na substancję łatwopalną grozi potworną wręcz reakcją łańcuchową zapłonu i niszczycielskim wybuchem.

Wyładowania elektryczne można odprowadzać w bezpieczny sposób z dala od substancji niebezpiecznych za pomocą skutecznego połączenia z uziemieniem elektrycznym. Im szybciej można uziemić elektryczność w warunkach niebezpiecznych, tym lepiej. Uziemienie cysterny, która uległa wypadkowi, polega na podłączeniu przewodnika uziemiającego, wykonanego z grubego metalowego drutu o bardzo małym oporze — jednym końcem do uziomu wbitego w ziemię, zaś drugim do poszycia lub naczynia cysterny.

Strażacy i pracownicy ratownictwa medycznego szkoleni są z technik ochrony przed wyładowaniami iskrowymi i łukowymi, groźnymi dla ich zdrowia i życia. Szkolenie wymaga od nich podłączenia kabla uziemienia najpierw do cysterny, a następnie do uziomu. W ten sposób zabezpieczają teren i siebie przed pożarem i wybuchem niebezpiecznego ładunku. Prawidłowo uziemiona cysterna tworzy połączenie bezpiecznie wyrównujące potencjał elektryczny między nią a ziemią.

O ile niewielkie ilości ziemi czy gruntu nie są z zasady dobrymi przewodnikami elektrycznymi, to już znakomitym przewodnikiem elektryczności jest... cała planeta Ziemia, co wynika po prostu z jej objętości. Ważne jest prawidłowe, niskooporowe połączenie uziomu cysterny z ziemią. Czy wystarczy w tym celu wbić byle jaki pręt uziomowy? Czasami tak, czasami nie. Jakość przewodnictwa elektrycznego ziemi zależy w znacznym stopniu od warunków miejscowych — od pogody do rodzaju gleby, a nawet budowli w pobliżu.
W niektórych przypadkach wykonawca uziemienia elektrycznego cysterny zmuszony jest zmierzyć jego skuteczność — wynika to z rzetelności pracy, a także przepisów miejscowych BHP, czy też warunków ubezpieczenia ładunku.

W warunkach wypadków drogowych i kolejowych liczy się każda sekunda. O ile pomiar rezystancji tymczasowego uziomu ochronnego jest zalecany lub wręcz konieczny, jego wykonawca może zaniechać tej czynności ze względu na czas reagowania na wypadek. Jeżeli już trzeba zmierzyć rezystancję uziemienia ochronnego, najlepszym narzędziem do tego celu byłby miernik zaciskowy. Zaciskowy miernik uziemienia jest podobny do amperomierza zaciskowego — aby go użyć, wystarczy rozewrzeć szczęki zacisku, ująć nimi obwód mierzony, i tyle. Niestety jest to proste wyłącznie w teorii.

Zaciskowy miernik uziemienia ma w szczękach dwa obwody i dwa uzwojenia — do pomiaru natężenia i napięcia prądu. Miernik wprowadza prąd probierczy do układu uziemienia i mierzy spadek napięcia wokół obwodu. Wartość rezystancji obliczana jest wedle prawa Ohma. Metoda ta sprawdza się znakomicie w instalacjach uziemienia zasilania elektrycznego, gdzie występuje występuje wiele uziemionych punktów zerowych, dających obwód powrotny o niskim oporze. Takiego obwodu nie ma w przypadku cysterny, która wpadła do rowu. Dlatego miernik da jedynie odczyt sygnalizujący przerwę w obwodzie.

Celem zabezpieczenia cysterny można zainstalować tymczasowo przewód powrotny w postaci kabla spinającego korpus cysterny np. z metalowym płotem lub barierą drogową. Rozwiązanie takie jest lepsze niż żadne, ale nie spełnia wszystkich wymogów bezpiecznego uziemienia ochronnego. W powyższych sytuacjach trzeba skontrolować jakość uziemienia elektrycznego tradycyjną metodą, tj. miernikiem trzy lub czteroprzewodowym. Miernik ten, zamiast szczęk z uzwojeniami, ma przewody probiercze napięciowe i potencjałowe, podłączone do gniazd przyrządu z jednej strony, z drugiej zaś — do sond wbitych w ziemię w odpowiedniej odległości.

Odległość ta zależy głównie od warunków glebowych i może liczyć dobrze ponad 100 metrów. Czas wykonania takiego obwodu jest dość długi, zważywszy na presję czasu towarzyszącą usuwaniu skutków wypadku drogowego czy kolejowego. Pełna procedura pomiaru rezystancji uziemienia elektrycznego, np. opisują odpowiednie normy, które przewidują wykreślenie szeregu wyników z regularnych pomiarów wykonywanych podczas przestawiania sondy potencjałowej w kierunku sondy prądowej. Z wykresu odczytać można maksymalną rezystancje w granicach pola elektrycznego wokół uziomu, poza którą nie ma dodatkowego oporu elektrycznego. Procedura ta nazywa się pomiarem spadku potencjału elektrycznego i jest problemem często podejmowanym w literaturze przedmiotu. Ma jednak poważne ograniczenie: jest nim czas wykonania. Nadaje się idealnie do badania uziemienia konstrukcji stałych, np. uziomu budynku. Jednakże doraźne uziemienie ochronne pojazdów do przewozu substancji niebezpiecznych wymaga znacznie szybszego rozwiązania.

Specjaliści posiadający duże doświadczenie w pomiarach uziemienia elektrycznego często wykonują pomiar spadku potencjału elektrycznego „na skróty” — w tym celu przestawiają sondę potencjałową o 1,5 – 3 metry, zdejmując dwa lub trzy odczyty, zamiast prawidłowo pomierzyć całą odległość i wykreślić wyniki. Wartość odczytu na wskaźniku miernika jest rezystancją gleby na odcinku do miejsca wbicia w nią sondy potencjałowej. Wykonane w takim układzie trzy czy cztery pomiary mogą różnić się w niewielkim stopniu z powodu punktowych zmian charakterystyki elektrycznej gleby, lecz można je uśrednić do akceptowalnej średniej.

Wyniki pomiaru rosnące jednostajnie w miarę odstawiania sondy potencjałowej od badanego uziomu są najgorsze i, rzecz jasna, niepożądane. Oznaczają, że nie osiągnięto maksymalnej rezystancji określającej jakość przewodzenia przez grunt. Pomiar wykonuje się w obrębie pola elektrycznego badanego gruntu, nie poza nim. Jeżeli pomiar daje niekorzystne wyniki, trzeba przenieść sondy na większą odległość i powtórzyć pomiar.

Ponieważ wyniki pomiarów nigdy nie są identyczne do ostatniego miejsca po przecinku, operator miernika musi umieć zinterpretować wartości zmierzone tak, aby podjąć trafną decyzję — czy może przyjąć wyniki, czy je odrzucić. Arbitralna interpretacja grozi poważnym błędem pomiarowym. Aby uczynić pomiar uziemienia ochronnego bardziej obiektywnym, można wykonać go metodą uproszczonego spadku potencjału elektrycznego. Przebiega on niemal tak samo, jak pełny pomiar spadku potencjału, ale wymaga tylko trzech pomiarów punktowych. O dopuszczalności wartości zmierzonych decyduje nie operator, lecz szybki dowód matematyczny.

Poszczególne pomiary wykonuje się w połowie odległości, 40 procentach i 60 procentach odległości od sondy prądowej. Wyniki z trzech pomiarów uśrednia się, zaś wynik najbardziej oddalony od średniej wyraża jako procentową jej wartość. Tak otrzymaną wartość mnoży się przez współczynnik korekcyjny równy 1,2. Wynik obliczeń jest miarą procentową dokładności wskazania wartości średniej pomiaru — zupełnie jak deklarowana dokładność wskazań licznika elektrycznego. W obu przypadkach obowiązują identyczne zasady obliczania i kwalifikacji wyniku.

Jeżeli wynik pomiaru wynosi np. 10,2Ω, zaś obliczona dokładność wynosi 1,5%, wynik można uznać za prawidłowy. Jeżeli natomiast dokładność przekracza 10%, czyli normalny próg graniczny przyjęty w branży, wynik pomiaru należy odrzucić, zaś czynności pomiarowe — powtórzyć z innym rozstawem sond miernika. Podając wynik obliczeń dokładności pomiaru w protokole przydajemy pomiarowi obiektywności, a jednocześnie chronimy operatora przed zarzutem nieobiektywnej kwalifikacji wyniku pomiaru.

Jeżeli skrócimy czas przedmiotowego badania rezystancji uziemienia ochronnego o jeszcze jeden etap, czyli do pojedynczego pomiaru, napotkamy znaną zasadę 62 procent. Jest ona szeroko opisana w literaturze przedmiotu. Polega na ustawieniu sondy potencjałowej w punkcie oddalonym o 62% odległości od sondy prądowej i zdjęciu jednego pomiaru. Sposób ten jest skuteczny, pod warunkiem, że warunki rzeczywiste odpowiadają idealnym. Wykres spadku potencjału elektrycznego powinien — teoretycznie — zbiegać się z położeniem sondy w 62% odległości (a ściślej rzecz biorąc, 61,8%) od sondy prądowej.

Pełny wykres spadku potencjału elektrycznego obejmuje wszystkie punkty od zera przy badanym uziemieniu do wartości przekraczającej rezystancję uziemienia badanego, co wynika z nakładającej się rezystancji sondy prądowej. Dlatego krzywa wykresu musi w pewnym momencie zbiegać się z prawidłowym wynikiem pomiaru. Punkt ten leży na 62% procentach odległości pomiarowej.

Sposób ten nie jest uniwersalną metodą pomiaru rezystancji uziemienia ochronnego, ponieważ wymaga idealnych warunków. Obejmują one jednorodność gleby, brak przeszkód czy uzbrojenia podziemnego, oraz ustawienia sondy prądowej w odległości na tyle dużej, aby miernik nie uwzględnił jej rezystancji własnej. Takie warunki spotyka się w praktyce bardzo rzadko, co wymusza pomiar innymi metodami. Niemniej metoda 62 procent opisana jest np. w normie IEEE 81 i w wielu przypadkach daje prawidłowy wynik — niestety niekiedy z dużą dozą szczęścia. Tam, gdzie przede wszystkim liczy się czas usunięcia skutków wypadku z substancjami niebezpiecznymi w transporcie, metoda ta może okazać się najlepsza.

Skoro już omówiliśmy sposoby kontroli uziomu elektrycznego, należy zająć się sprawdzeniem ciągłości przewodu uziemienia ochronnego, który spina uziom z przewróconą cysterną. Musi on stanowić ciągłą drogę odpływu ładunku elektrycznego o jak najniższym oporze. Sprawdzić to można dość łatwo za pomocą miernika uziemienia trzy lub czteroprzewodowego. Pomiar taki nie wymaga dodatkowych urządzeń.

Współczesne mierniki mają wybieraki do nastawiania liczby zacisków roboczych. Nie używa się już fizycznych mostków (zwór) między zaciskami. Wystarczy przestawić wybierak np. w położenie pracy dwóch zacisków, a następnie połączyć cysternę z uziomem za pomocą przewodów probierczych. Miernik w ciągu paru sekund podaje rezystancję przewodu uziemienia ochronnego. Nie powinna ona przekraczać 1 oma. Jeżeli wartość zmierzona jest wyższa, należy prawidłowo zamocować zaciski na obu końcach przewodu uziemienia. Jeśli to nie pomoże, trzeba będzie wymienić przewód na sprawny.

Załóżmy teraz, że miejsce wypadku zabezpieczono uziemieniem ochronnym, które skutecznie wyrównuje różnicę potencjałów między cysterną i ziemią. To jeszcze nie czas, by spocząć na laurach. Trzeba przeładować substancję niebezpieczną z rozbitej cysterny do zbiorników lub innej cysterny. O ile ciecz lub sypkie ciała stałe przetaczane rurami i wężami mogą być nieszkodliwe same w sobie, to tarcie towarzyszące ich ruchowi w przewodach grozi wyładowaniami elektrostatycznymi, a tym samym miejsce wypadków staje się niebezpieczne — może dojść do wyładowania łukowego, zapłonu i wybuchu substancji. Dlatego węże i przewody do przetaczania substancji wymagają pomiaru elektrycznego.

Służy do tego miernik rezystancji izolacji elektrycznej. Warunku takiego pomiaru nie są szczególnie wymagające, więc wystarczy nawet dość tani przyrząd o podstawowym zakresie działania. W praktyce przemysłowej rezystancję izolacji węży do przetaczania substancji sprawdza się pod napięciem probierczym 500 V na całym odcinku. Rezystancja materiału wykonania badanego przewodu musi być na tyle niska, aby ładunki elektrostatyczne przepływały swobodnie i nie doszło do ich kumulowania się w stopniu grożącym katastrofalnym w skutkach wyładowaniem iskrowym.

Węże i przewody do przetaczania cieczy i substancji sypkich wykonuje się z materiałów o właściwościach elektroizolacyjnych. Mają one dość sporą rezystancję i ich pomiar wymaga wysokiego napięcia. Istnieje szereg typowych materiałów wykonania węży i przewodów przeładunkowych, dlatego warto skonsultować się z ich producentami. Należy dostosować wartość rezystancji do długości węża (przewodu), lecz w praktyce branżowej przyjmuje się wartości leżące poniżej 1MΩ.

Miejsca wypadków z substancjami niebezpiecznymi grożą pożarami i wybuchem. Niemniej istnieją procedury BHP skutecznego ich zabezpieczenia, pod warunkiem ścisłego przestrzegania właściwych wymagań.

Jeff Jowett — inżynier ds. aplikacji elektrycznych w firmie Megger