Wielu początkujących elektryków i elektroników zastanawia się dlaczego miernik lub inny przyrząd pokazuje obecność napięcia w ziemi czy np. kawałku przewodu który nie ma metalicznego połączenia z innymi przewodami. Mało tego, wiele osób wykonujących przez wiele lat pracę elektryka (a raczej elektromontera) nie potrafi odpowiedzieć na to pytanie lub opowiada stary mit, że to efekt „indukcji”, co oczywiście nie jest prawdą. Wyjaśnienie jest jednak stosunkowo dość proste.
Na początek, aby nie pisać tu nudnej książki o podstawach elektrotechniki dla mniej zaawansowanych czytelników, wyjaśnijmy maksymalnie prosto czym jest impedancja.
Impedancja to w bardzo prostych słowach równoważnik rezystancji. Przy prądzie stałym zazwyczaj przyjmuje się, że impedancja jest czysto rezystancyjna. Cewka w połączeniu z prądem stałym ma jakąś rezystancję, mniejszą lub większą – jednak jest ona generalnie stała. W przypadku pojawienia się prądu zmiennego cewka zachowuje się jakby miała większą rezystancję i to w dużym skrócie jest impedancja.
W przypadku idealnego kondensatora jest odwrotnie niż w przypadku idealnej cewki. Mianowicie kondensator zachowuje się jak izolator dla prądu stałego, a zaczyna „przewodzić” przy pojawieniu się prądu (ściślej napięcia) przemiennego. Celowo w cudzysłowie, gdyż nie jest to do końca prawdą, ale jednak takie rozważania fizyczne nie są tematem tego artykułu.
Wiedząc z grubsza czym jest rezystor, cewka i kondensator, można rozpatrzyć bardzo prosty przykład dzielnika impedancyjnego, zwanego też dzielnikiem napięciowym. Aby było maksymalnie prosto, można wziąć dwa rezystory lub dwie żarówki, które dla prądu elektrycznego są niczym innym jak rezystorem – z tą małą różnicą, że świecą.
Jak widać, mamy dwie identyczne żarówki 6V połączone szeregowo i zasilane z baterii o napięciu 12V. Gdzie tu dzielnik? Jeśli przyłożyć sondy (idealnego) woltomierza do obu biegunów dowolnej z tych dwóch żarówek, to zobaczymy napięcie 6V a nie 12V.
Analogiczna sytuacja by była przy czterech żarówkach 3V. W tych dwóch przykładach założenie jest takie że wszystkie połączone żarówki są identyczne, tzn. o identycznej mocy i rezystancji. W realnym świecie, zawsze będą jakieś niewielkie różnice, gdyż oczywiście nie da się wyprodukować w 100% dwóch identycznych przedmiotów, a nadmierna dokładność powoduje niepotrzebne nikomu koszta.
Dokładnie tak samo zbudowane są dzisiejsze woltomierze cyfrowe. Wewnętrzny przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC) potrafi mierzyć bardzo niskie napięcia, rzędu 200mV (0.2V), a jakoś mimo wszystko mierzymy nimi np. napięcie w sieci nN.
Przy ustawieniu zakresu np. 1000V do gry wchodzi dzielnik napięcia zbudowany z co najmniej dwóch rezystorów, przetwornik próbkuje napięcie na jednym z rezystorów i wyświetlana jest wartość pomnożona przez tyle ile wynosi iloraz (wynik dzielenia matematycznego) dzielnika. W tym wypadku, po prostu, wyświetlacz miernika pokazuje na końcu V zamiast mV.
Spójrzmy teraz na nieco minimalnie bardziej skomplikowany dzielnik, bo zawierający dwa kondensatory połączone szeregowo i podłączone do źródła prądu przemiennego.
Przyjmując że oba kondensatory są identyczne, to posiadają tą samą impedancję przy tej samej częstotliwości, więc jest analogicznie jak przy dwóch identycznych rezystorach, czy ww. żarówkach.
No i teraz w końcu, co to ma do napięcia zmierzonego na niepodłączonym nigdzie przewodzie? Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba zadać nieco inne – czym są dwa przewodniki oddzielone izolatorem? To oczywiście najzwyklejszy w świecie kondensator. Prawa fizyki są niezależne od tego jak nazwiemy daną rzecz, czy tego chcemy czy nie.
Luźny przewód stanowi okładkę kondensatora wobec innych przewodników znajdujących się w pobliżu. Także tych oddzielonych powietrzem – niezależnie czy to są przewody, elementy konstrukcji budynku, czy wręcz dosłownie ziemia.
Po podłączeniu woltomierza, zobaczymy efekt działania takiego dzielnika napięcia (dzielnika impedancyjnego), lecz trzeba zauważyć że miernik posiada również własną impedancję – zarówno pojemność elektryczna przewodów pomiarowych jak i przede wszystkim rezystancja wewnętrzna miernika – przeważnie 10MΩ lub 1MΩ w przypadku tańszych mierników.
I tu niektórym przyjdzie na myśl znane zjawisko migania lub słabego świecenia oświetlenia LED podczas gdy zostało wyłączone. Pojemności przewodów w instalacji i ewentualnie obecność neonówki w łączniku powoduje że źródło światła jest zasilane mniejszym lub większym napięciem. Na tej samej zasadzie działają tzw. „eliminatory rozbłysków” które są niczym innym, jak kondensatorem zwiększającym impedancję i tym samym zmieniają one napięcie dzielnika. Rezystor połączony równolegle z kondensatorem służy tylko do tego żeby po wyłączeniu rozładować kondensator – aby nie pozostawało na nim niebezpieczne napięcie.
Kolejna istotna i zarazem ciekawa kwestia tematycznego „ghost voltage” to napięcie panujące między dwoma punktami ziemi. Gdy wbić sondy jakiegokolwiek woltomierza, to można zaobserwować mniejsze lub większe napięcie. Zarówno zmienne jak i stałe. Stałe można łatwo wytłumaczyć, gdyż ziemia zawiera różne substancje, przez które może się zachowywać jak ogniwo (bateria) elektrochemiczna. Ale co z napięciem przemiennym?
Najlepiej to zobrazować dla układu sieci TN, a ściślej TN-C-S bo w takowym występuje przewód PEN w którym następuje podział na PE i N, przy czym punkt podziału lub PE blisko niego zostaje (opcjonalnie) uziemione. Powiedzmy że rezystancja tego uziemienia wynosi 3Ω, zmierzona wartość IPZ (impedancja pętli L-PEN) wynosi 0.3Ω oraz zostaje na jednej fazie przyłączone obciążenie powodujące pojawienie się natężenia prądu równego dokładnie 10A. Można założyć w uproszczeniu że impedancja przewodów L i zarówno PEN od stacji trafo do instalacji jest identyczna – dla uproszczenia obliczeń.
Połowa z 0.3Ω to 0.15Ω, więc na przewodzie PEN (o ile nikt inny nie korzysta z tej sieci i nie ma innych obciążeń) spadek napięcia wyniesie zgodnie z prawem Ohma. Oczywiście równolegle z przewodem PEN jest połączona ziemia poprzez co najmniej dwa uziemienia, co nieco zmienia wypadkową rezystancję – ale to ma tu pomijalny wpływ i tym bardziej dlatego pominiemy to dla uproszczenia. W takim przypadku powyższe 10A razy 0.15Ω da nam 1.5V napięcia zmiennego. W takim właśnie przykładzie, gdy do tego wbijemy sondy miernika (musiały by być bardzo długie…) w ziemię w pobliżu jednego i drugiego uziemienia to zobaczymy takie właśnie napięcie.
W przypadku gdy obie sondy zostaną wbite gdzieś w połowie drogi to zmierzone napięcie będzie niższe, gdyż ziemia jest tu tak samo dzielnikiem napięcia. W realnym świecie sytuacja jest ciut bardziej skomplikowana gdyż ziemia nie jest płaska i dwuwymiarowa jak kartka papieru tylko trójwymiarowa tzn. ma jeszcze głębokość, ukształtowanie oraz zmienną rezystancję w zależności od zawartości gleby, zwłaszcza z kamieniami, piaskiem czy wodą. Do tego dochodzi jeszcze impedancja użytego miernika. To też doskonale tłumaczy czemu mierniki rezystancji uziemienia posiadają takie długie sondy które powinno się wbić całe lub prawie całe – najlepiej się upewnić w instrukcji danego przyrządu.
Dokładnie to samo się dzieje w przypadku gdy przewód linii energetycznej zostanie przerwany i upadnie na ziemię lub na inny przewodnik (w tym m.in. drzewo) mający z nią kontakt. Ziemia wkoło oraz wgłąb stanowi słaby przewodnik czyli rezystor innymi słowy. I znowu pojawia się dzielnik napięcia, tylko skala trochę inna… Jako że prąd płynie przez całą ziemię, a nie po linii prostej, to kontakt człowieka z dwoma odległymi między sobą punktami w pobliżu takiego miejsca może być bardzo tragiczny.
W tym miejscu można to porównać do zasad bezpieczeństwa w razie takiego wypadku – gdy linia energetyczna upadnie na ziemię. Nie możemy z góry zakładać zadziałania zabezpieczeń linii, zwłaszcza że automatyka SPZ linii energetycznych będzie okresowo próbować ponownie przywrócić zasilanie. Najmniejsza bezpieczna odległość jaką najczęściej można spotkać w źródłach wynosi około 6 metrów, czasami wiele więcej. Dokładna odległość nie jest możliwa do obliczenia ze względu na ilość czynników która o tym decyduje, choćby wraz z rezystywnością ziemi w okolicy wypadku, która oczywiście może być zupełnie inna nawet jeden metr od miejsca pomiaru.
W zagranicznych źródłach można znaleźć grafiki, które bardzo dobrze tłumaczą te zjawiska. Dwa z nich można zobaczyć poniżej:
