Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad BEZKONTAKTNÍ METODY PRO MĚŘENÍ ELEKTRICKÝCH PROUDŮ VE STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍCH Pavel Ripka 2), Jan Vyhnánek 1) 1) Monitorování, diagnostika a inteligentní řízení budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad 2) Katedra měření, Fakulta elektrotechnická, ČVUT, Praha ANOTACE Elektrické proudy ve stavebních konstrukcích mohou způsobit elektrochemickou korozi nebo rušení do elektrických zařízení v budovách. Proudy mohou být zavlečeny z okolí nebo mohou vzniknout elektromagnetickou indukcí. V příspěvku se zabýváme metodami, jak tyto proudy měřit. Diskutujeme i příbuznou tématiku vzniku a měření rušivých magnetických polí. Článek vychází ze zkušeností z měření v budovách i na stavbách, která jsme prováděli v rámci spolupráce s průmyslovými partnery. SUMMARY Electric currents in building structures can cause electrochemical corrosion or interference in electrical systems in buildings. Currents can be introduced from the environment or may be caused by electromagnetic induction. In the paper we describe methods to measure these currents. We discuss related themes and creation and measurement of interfering magnetic fields. The article is based on experience from measurements in buildings and structures, which we conducted in cooperation with industrial partners. ÚVOD Elektrické proudy ve stavebních konstrukcích mohou vznikat několika způsoby: 1. zavlečením bludných proudů např. z elektrické trakce 2. propojením dvou míst s odlišným potenciálem (např. břehy řeky) 3. magnetickou indukcí První dvě příčiny jsou z geofyzikálního hlediska totožné, potenciálové pole a pole elektrických proudů ve stavebním podloží je vzájemně propojeno rozložením elektrické vodivosti. Souhrnně se proudy tohoto původu označují jako galvanické proudy. Mohou být jak stejnosměrné, tak i střídavé, podle charakteru rušivých proudů. Protože kovové stavební konstrukce mají výrazně vyšší vodivost než zemina, elektrické zemní proudy se do nich koncentrují. Jako hlavní ochrana proti galvanickým proudům se u nových staveb používá elektrická izolace mezi stavební konstrukcí a podložím. Častým zdrojem galvanických proudů v budovách je vícenásobné uzemnění a přežívající zastaralá dvouvodičová (v případě třífázových rozvodů čtyřvodičová) rozvodná síť. V této soustavě byla sloučena funkce nulového a ochranného vodiče. Protože v jednofázové soustavě tímto sdruženým vodičem protékal celý odebíraný proud, na jeho odporu vznikal značný úbytek napětí, které se pak objevilo na ochranném kontaktu zásuvky. Pro snížení těchto rozdílových napětí byla soustava mnohonásobně uzemňována a pospojena s dostupnými kovovými stavebními prvky. V důsledku toho se elektrický proud dodaný do spotřebičů fázovým vodičem mohl vracet nejen nulovým vodičem, ale jinými cestami. Ve 243
starších budovách se proto často setkáváme se střídavými proudy v kovových rozvodech vody a plynu. Střídavé proudy jsou z hlediska elektrochemické koroze méně nebezpečné, vyvolávají ale rušivá magnetická pole. I když intenzita těchto polí zpravidla zdaleka nedosahuje hygienických limitů, mohou způsobit technické problémy např. v datových centrech nebo u citlivých přístrojů (např. hmotové spektrometry), případně způsobit rušení ve sdělovacích sítích. Indukované proudy jsou střídavé nebo impulsní. Jejich nejčastější příčinou jsou variance magnetického pole. Ty jsou většinou přírodního původu (variace Zemského magnetického pole způsobené aktivitou Slunce). Setkáváme se i se silným magnetickým rušením v blízkosti napájecích kabelů Metra nebo jiné stejnosměrné trakce a pochopitelně v okolí supravodivých magnetů a v průmyslových provozech. Strmé průběhy magnetického pole vznikají zejména při ojedinělých či havarijních situacích (např. současné brzdění dvou protijedoucích vlaků), pro korektní posouzení situace v dané lokalitě je tedy nutno průběh magnetického pole sledovat delší dobu. Vzhledem k vektorovému charakteru magnetického pole je třeba v každém místě současně měřit tři jeho složky. K indukování proudu teoreticky dochází ve vodivých smyčkách, ve skutečnosti stačí jeden kovový komponent, zbytek smyčky pak může být tvořen zemní vodivostí. Velikost indukovaného proudu je určena rychlostí změn magnetického pole, plochou smyčky a její vodivostí. U liniových staveb byly zjištěny proudy až desítek Ampér. Prevence v tomto případě spočívá především ve snížení velikosti těchto smyček vkládáním izolačních vložek a promyšleným zemněním. Problematika prevence vzniku proudů ve stavebních konstrukcích je komplikovaná. Zatímco v některých případech se doporučuje používat izolačních vložek, výztuže v betonu se naopak doporučuje provařovat - to sice může velikost proudu zvýšit, ale lokálně to proces koroze omezí. Univerzálně používanou ochranu elektrickou izolací celé stavby je možno použít jen u nových staveb. I když se používá samozacelujících materiálů, životnost takové izolace je omezená. U nových staveb by také měly být instalovány měřicí kabely a svorky pro kontrolu izolačních odporů, zemních odporů a elektrických potenciálů. Z uvedeného přehledu vyplývá potřeba měřit elektrické proudy procházející stavebními konstrukcemi. Pokud je příslušný prvek dostupný, je možno použít klešťových ampérmetrů nebo rozpojitelných Rogowského cívek. V případě, že vodič není dostupný nebo jeho přesná poloha dokonce není známa, je třeba použít magnetometrických metod. V obecných případech, kdy vodičů může být větší množství, je nutné provést mapování magnetického pole. V následujícím textu popisujeme zmíněné metody s ohledem na jejich použití pro měření stejnosměrného a střídavého proudu. Podrobnější přehled lze nalézt v [1]. PROUDOVÉ KLEŠTĚ Proudové kleště mají rozebíratelný magnetický obvod, který umožňuje obejmout měřený vodič (obr. 1 a 2). Po uzavření jsou pak kleště citlivé pouze na celkovou velikost obemknutého elektrického proudu, nikoli na tvar vodiče či jeho polohu uvnitř kleští. Kleště jsou také necitlivé na okolní elektrické proudy a magnetická pole. Toto vše je splněno v případě, že efektivní vzduchová mezera po uzavření kleští je zanedbatelná. Protože to 244
technologicky nebývá možné splnit, magnetický obvod kleští se doplňuje magnetickým stíněním. V praxi se používá dvou základních typů kleští: Střídavé proudové kleště Jsou obvykle založeny na principu proudového transformátoru: měřený proud tvoří jediný závit primárního vinutí, proudový převod je určen počtem závitů sekundárního vinutí. Proudový transformátor nejlépe funguje se zkratovaným sekundárním vinutím. Ve skutečnosti je sekundární vinutí zatíženo malým odporem - kmitočtově nezávislým rezistorem. Výstupní veličinou je pak úbytek napětí na tomto rezistoru. Běžně jsou dostupné proudové kleště s přesností 0,5 %, ale existují i speciální kleště s přesností 50 ppm. Materiálem magnetického obvodu bývají FeSi plechy, pro vyšší kmitočty ferit. Pro nejpřesnější kleště se využívá materiálů s vysokou permeabilitou, zejména nanokrystalických. Stejnosměrné proudové kleště Stejnosměrné proudové kleště (měří nejen stejnosměrné, ale i nízkofrekvenční proudy) bývají založeny na Hallově sondě, která měří magnetické pole ve vzduchové mezeře. Na rozdíl od magnetorezistorů a fluxgate senzorů Hallova sonda měří ve směru kolmo k povrchu, potřebná vzduchová mezera může být velmi tenká. Přesto je pro potlačení chyb způsobených vzduchovou mezerou třeba použít komplikovaného magnetického stínění, které se otvírá spolu s celými kleštěmi. Levné nestíněné kleště totiž trpí závislostí na vnějších magnetických polích i na poloze měřeného vodiče. Častým problémem bývá závislost čtení na poloze vůči zemskému magnetickému poli a na změnách offsetu Hallovy sondy, která mívá značnou teplotní závislost offsetu. Dalším zdrojem offsetu může být remanence magnetického obvodu. Před měřením je proto nutné kleště tohoto typu vynulovat. Obr. 1 Běžné proudové kleště (www.fluke. com) Obr. 2 Velké proudové kleště (http://www.swainmeter.com) 245
Přesnější, ale podstatně dražší, jsou proudové kleště založené na fluxgate principu. Jedny takové byly na ČVUT vyvinuty za použití střídavě buzených komerčních transformátorových kleští [2]. ROGOWSKÉHO CÍVKY Rogowského cívky využívají principu Rogowski-Chattogovského potenciometru: napětí indukované v uzavřené toroidní cívce navinuté kolem vodiče je úměrné časové derivaci elektrického proudu procházejícího tímto vodičem. Pro získání časového průběhu proudu se proto výstupní napětí integruje. Cívka bývá kalibrována spolu s integrátorem. Rogowského cívky navinuté na flexibilním substrátu jsou rozpojitelné a mohou být použity pro měření proudů v přístupných stavebních konstrukcích. Stabilně umístěná cívka měří střídavé proudy. Pro měření stejnosměrného proudu je potřeba integrovat napěťový puls vzniklý při ovinutí cívky kolem proudovodiče. Obr. 3 ukazuje instalaci Rogowského cívky pro měření nežádoucích elektrických proudů procházejících velkou uzemněnou konstrukcí. Obr. 3 Velká Rogowského cívka (zdroj: http://www.lightning-measurement.com/3-8.html) MAGNETOMETRICKÉ METODY Pole dlouhého přímého vodiče klesá s 1/r za předpokladu, že zpětný vodič je ve velké vzdálenosti. Není-li to tento případ, je magnetické pole nižší, a musí se počítat ze skutečné geometrie. Druhý extrém je malá proudová smyčka, která vytváří pole klesající s 1 / r 3 vzdálenosti. Podzemní nebo jinak nedostupné elektrické vodiče mohou být vyhledány a jejich proud vypočten z měření jejich magnetického pole v několika bodech. V případě, že kabel obsahuje jak dopředné tak vratné proudy, může být zjištěn pouze z malé vzdálenosti, a aktuální hodnotu nelze zjistit, protože závisí na zkroucení vodiče. Tato technika byla použita pro lokalizaci podvodních optických kabelů, které obsahují kovový vodič, nesoucí stejnosměrný proud přibližně 1 A k napájení opakovače. Rozložení pole bylo měřeno dvěma tříosými axiálními fluxgate magnetometry. Kabely byly detekovány ze vzdálenosti 40 m, a jejich poloha byla stanovena s přesností 0,1 m ze vzdálenosti 4 m [3]. Magnetometrická metoda je také používána k vyhledání a měření střídavých i stejnosměrných poruchových proudů ve stavebních konstrukcích, jako jsou mosty. Přirozené variace pole Země indukuje proudy v dlouhých vodičů, které mohou způsobit elektrochemickou korozi: proud 70 A byl naměřen na Aljašském ropovodu [4]. Pro magnetometrickou lokalizaci a měření proudů je třeba používat citlivých magnetických 246
senzory, jako jsou např. fluxgate senzory. Je výhodné, když je senzor vektorový. Výhodně lze využít gradiometru, měřícího všechny složky tenzoru magnetického gradientu. V takovém případě lze vypočítat polohu dlouhého vodiče a proud v něm z měření v jediném bodě. V praktických situacích je však vždy třeba měřit rozložení magnetického pole ve více bodech. Pro měření je možno použít i senzorů skalárních, nevýhodou je obtížnější výpočet, naopak výhodou je skutečnost, že senzory není před měřením nutno orientovat. LITERATURA [1] P. Ripka, Electric current sensors: a review, Meas. Sci. Instrum. 21 (2010) Iss. 11, pp.1-23. [2] P. Ripka, P. Kaspar, J. Saneistr: Geometrical selectivity of current sensors, Przeglad elektotechniczny 88 (2012), Iss. 5a, pp. 38 [3] Takagi S., Kojima J., and Asakawa K., "DC cable sensors for locating underwater telecomunication cables", proc. IEEE OCEANS 96 conf., New York 1996, pp. 339-344 [4] Campbell W., Zimmernan, J. "Induced Electric currents in the Alaska oil pipeline measured by gradient fluxgate and SQUID magnetometers IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 18 (1980), 244 50. 247