Iskra ZK1a (mjerenje mrežnog napona i otpora uzemljenja)

Danas je nabavljen instrument za mjerenje mrežnog napona i otpora uzemljenja potrošača spojenih na trofaznu elektrodistribucijsku mrežu 220/380V. Oznaka instrumenta je ZK1a, proizvod slovenskog poduzeća Iskra iz 1960-tih godina.

Na slikama vidimo dvije inačice instrumenta Iskra ZK1a koje se nešto razlikuju u dizajnu skala mjernog instrumenta, pločicama sa uputama i upotrijebljenim tipovima otpornika u unutrašnjosti.

Iskra ZK1a je u osnovi voltmetar kalibriran za mjerenje izmjeničnih mrežnih napona do 250 V i do 500 V. Kod mjerenja otpora uzemljenja instrument također radi kao voltmetar, samo što ovaj put mjeri pad napona na internom radnom otporniku, a očitanje pada napona se vrši na skali kalibriranoj u omima (0 – 100 Ω).

Upute za upotrebu instrumenta su jednostavne i pregledno otisnute na zadnjoj strani instrumenta. Zajednička stezaljka za sva mjerenja je ona označena sa simbolom izmjenično “~”. Na stezaljki 250 se zatim mjere mrežni naponi do 250 V (220 V), na stezaljki 500 se mjere mrežni naponi do 500 V (380 V), a na stezaljki sa simbolom uzemljenja se mjeri otpor uzemljenja nekog uzemljenog potrošača na mreži.

Otpor uzemljenja pomoću ZK1a se mjeri po jednostavnom principu. Prvo se mjeri napon između faze i uzemljenja, koji iznosi otprilike koliko i napon između faze i nule (oko 230 V). Kazaljka instrumenta se na tom mjerenju podesi se na maksimalni otklon (250 V ili 0 Ω). Nakon toga se pritiskom na tipku paralelno u taj mjerni krug uključuje i interni radni otpornik (20 Ω) te se sada mjeri pad napona na njemu. Što je pad napona veći, to je veći i otpor uzemljenja koji se onda izravno očita na kalibriranoj skali.

Ovakvo određivanje otpora uzemljenja bez upotrebe pomoćnih uzemljivača (sondi) izvodljivo je na trofaznim mrežama sa uzemljenim zvjezdištem gdje je kućište trošila također vezano na uzemljenje, kako je i prikazano na shemi na poleđini instrumenta. Mjerenje se naravno može vršiti samo kad je mreža pod naponom.

U idealnom slučaju gdje je otpor uzemljenja nula, voltmetar pokazuje puni napon koji smo namjestili kod prvog mjerenja bez opterećenja (puni otklon skale, nula oma) jer je čitav pad napona raspoređen na interno opterećenje (radni otpornik) unutar instrumenta. U najgorem slučaju, da je veza sa uzemljenjem prekinuta, voltmetar ne bi pokazivao nikakav napon (beskonačno oma) jer strujni krug nije zatvoren preko uzemljenja. Ako uzemljenje ima neki otpor (veći od nule) onda će se ovisno o veličini tog otpora dio napona raspodijeliti na radni otpornik unutar instrumenta, a dio na otpor uzemljenja. Kazaljka tako neće pokazivati puni napon, nego napon umanjen za pad napona na uzemljenju. Pad napona na uzemljenju je izravno proporcionalan otporu uzemljenja pa skala može biti baždarena u omima.

Struja koja poteče kroz interni otpornik od 20 Ω je oko 11 A tako da tipkalo mora biti dizajnirano da izdrži tu struju, a disipirana snaga na otporniku je oko 2,5 kW.

U ranijim serijama instrumenta Iskra ZK1a ugrađivani su precizni otpornici tvrtke Ingelen tolerancije 1%. Austrijska tvrtka Ingelen je bila proizvođač elektroničkih komponenti, radio prijemnika, gramofona i sličnih uređaja iz razdoblja od 1924. do 1966. godine kada je prodana ITT-u, no ime Ingelen se nastavilo koristiti na proizvodima sve do 1987. godine. U kasnijim serijama nalazimo Iskrine otpornike tolerancije 5%, no za mjerenje napona se umjesto jednog otpornika od 200 kΩ koristi serijska kombinacija dva otpornika od 100 kΩ. Time je bolje raspoređena disipacija snage na otpornicima i postignuto njihovo manje grijanje kod mjerenja napona.

Električna shema instrumenta Iskra ZK1a.

Po simbolima na instrumentima vidimo da su to instrumenti sa zakretnim svitkom i ugrađenim diodnim ispravljačem kako bi se mogli koristiti za mjerenje izmjeničnih napona.

Ovdje vidimo da je ugrađen suhi mosni (punovalni) ispravljač, moguće bakar-oksidnog ili selenskog tipa (vidi objavu Multimetar Normameter GW Ohm).

Zavojnica instrumenta ima otpor 22 Ω i taj otpor je zanemariv prema otporu serijski vezanih predotpora (200 kΩ za 250 V i 400 kΩ za 500 V). Stoga možemo izračunati da osjetljivost mjernog sistema mora biti 1,25 mA. Mjerenjem smo utvrdili da je osjetljivost našeg primjerka nešto manja i iznosi 1,5 mA. Ovaj pad osjetljivosti ne čudi s obzirom na starost ispravljača kao i samog instrumenta. Bez ispravljača, osjetljivost instrumenta je 1 mA tako da je onda krivac za pad osjetljivosti vrlo vjerojatno dotrajalost suhog ispravljača.

Opisano mjerenje otpora uzemljenja pomoću instrumenta Iskra ZK1a ne pruža točnost kao mjerenja sa pomoćnim uzemljivačima opisanim u objavama PU 430 (Iskra), TIP-MU3 (Elektronika Zadar) i MU-4 (Elektronika Zadar). Posebno jako na mjerenje mogu utjecati promjene (oscilacije) mrežnog napona koje mogu nastati kod prvog mjerenja (podešavanje) i drugog mjerenja (mjerenje otpora). U 1960-tim godinama elektrodistribucijske mreže i električne instalacije još uvijek nisu bile dovoljno razvijene i stabilne, te se moglo dogoditi da bi priključivanje radnog otpornika instrumenta od 20 Ω (2,5 kW) izazvalo značajan pad napona na mreži pogotovo ako je već redovno opterećena postojećim trošilima. Izmjereni otpor bi tada bio veći od stvarnog. Neki puta bi i redovni pad napona na mreži bio toliko velik da se kazaljka instrumenta ne bi mogla podesiti na puni otklon. To je bilo vrijeme masovnih upotreba stabilizatora napona kojima su se za osjetljiva električna trošila kompenzirale česte fluktuacije napona gradske električne mreže ovisne o trenutnim potrošnjama i opterećenjima (vidi objave Nucleostabil, Nucleotecnica, Stabilovolt i Tevesta). Loša ili dotrajala izolacija električnih vodova i uređaja također je mogla uzrokovati pogrešna mjerenja otpora izolacije.

Opisanom metodom se mjeri ukupni otpor uzemljenja koji uključuje i otpor svih poveznih žica od uzemljivača do uzemljenog potrošača. Metodama mjerenja sa pomoćnim uzemljivačima pak se ti otpori kompenziraju te se mjeri samo otpor rasprostiranja samog uzemljivača. Od ostalih ograničenja mjerenja otpora izolacije pomoću instrumenta ZK1a, kao što je navedeno u uputama, mjerenje sa uključenim internim otpornikom ne bi trebalo trajati duže od 3 sekunde nakon čega treba pričekati da se otpornik ohladi prije novog mjerenja. Naravno, ovakvo mjerenje otpora izolacije ne može se vršiti na današnjim modernim mrežama koje su zaštićene FID sklopkom jer će ista izbaciti zbog prevelikog curenja struje sa faznog vodiča preko mjernog otpornika instrumenta na uzemljenje.

Unatoč opisanim nedostacima, mjerenje ili bolje rečeno kontrola otpora uzemljenja pomoću instrumenta Iskra ZK1a je vrlo brza i jednostavna jer nisu potrebni posebni pomoćni uzemljivači. Također, sam instrument je vrlo jednostavne konstrukcije i jeftin za proizvodnju tako da se  te se sasvim sigurno često koristio za kontrolu uzemljenja raznih električnih strojeva i uređaja, posebice u tvorničkim i industrijskim pogonima.

Danas također postoje moderni instrumenti predviđeni za mjerenje/testiranje otpora uzemljenja unutar električnih mreža pod naponom gdje nije potrebno postavljanje pomoćnih sondi. Obično su izvedeni su u obliku mjernih kliješta te je testiranje brzo i lako, no područje primjene im je ograničeno na točno određene elektrodistribucijske sustave i jednako treba biti svjestan specifičnih uvjeta mjerenja.

Iskrin ZK1a se vjerojatno proizvodio u velikim serijama jer se danas lako nalaze sačuvani primjerci na našim područjima. Međutim, praktična upotreba toga instrumenta danas više nije preporučljiva bez detaljne provjere istog. Kao što smo vidjeli, velika je mogućnost da se tijekom vremena izgubila početna točnost mjerenja koja ni kod novih instrumenata nije bila velika (mjerni otpornici tolerancije 5%, klasa točnosti mjernog sistema 1,5 te nepostojanje bilo kakvih kalibracijskih elemenata). Najveći problem je metalno kućište te je svakako prije bilo kakve upotrebe potrebno provjeriti stanje izolacije u unutrašnjosti instrumenta. Treba biti svjestan činjenice da se pritiskom tipkala na mrežu uključuje otpornik od 20 Ω koji povuče 11 A struje i troši snagu od gotovo 2500 W. Taj otpornik je izrađen od spiralne otporne žice fiksirane unutar debelih keramičkih elemenata i ukoliko ti dijelovi nisu u savršenom stanju onda se instrument nikako ne smije priključivati na mrežnu instalaciju.