Uziemienia i EMC - Europejski Instytut Miedzi

Uziemienia i EMC
Układy uziomowe
– Podstawowe zagadnienia
konstrukcyjne
6.5.1
Uziemienia i EMC
Uziemienia i EMC
Układy uziomowe – Podstawowe zagadniania konstrukcyjne
Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz i Dr inż. Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
Lipiec 2004
Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość
Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da
Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz
producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe
i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są
zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami
badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi
się rozwojem miedzi na całym świecie.
Europejski Instytut Miedzi (ECI)
Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi
(ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi
na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu
1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu,
we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo
rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań
Miedzi) powstałemu w 1961 roku.
Zrzeczenie się odpowiedzialności
Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej
odpowiedzialności.
Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności
za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia
informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.
Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.
Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła.
Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania:
Politechnika Wrocławska
Akademia Górniczo-Hutnicza
Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska
Medcom Sp. z o.o.
Uziemienia i EMC
Układy uziomowe – Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Wstęp
Podstawowe informacje na temat właściwości uziemień podano w Zeszycie 6.3.1 „Uziemienia - Podstawy obliczeń i projektowania”. Niniejszy Zeszyt dotyczy praktycznych zagadnień związanych z obliczeniami i projektowaniem oraz podaje
wytyczne do projektowania. Głównymi zagadnieniami, rozważanymi tutaj, są:
!
rezystancja uziemienia dla różnych konstrukcji uziomów
!
materiały stosowane do budowy uziomów
!
korozja uziomów.
W Zeszycie 6.3.1 podano podstawowe deÞnicje i wzory do obliczania rezystancji uziemienia i rozkładu potencjału dla uziomu półkulistego. Podobne metody umożliwiają sformułowanie zależności również dla innych konÞguracji uziomów. Wszystkie te wzory są jednak wyprowadzone przy założeniu, że grunt jest nieograniczony, a jego
struktura jest jednorodna, co na ogół odbiega od warunków rzeczywistych. Ponadto, rezystywność gruntu ρ zmienia się z jego wilgotnością, a zatem - wraz z porami roku. Z tego powodu wartość rezystancji uziemienia, wyliczona z podanych wzorów, nie może być uważana za dokładną. Zwykle w praktyce nie jest wymagana duża dokładność obliczeń oraz pomiarów rezystancji uziemienia. Parametr ten ma bowiem tylko pośredni wpływ na działanie
sieci i urządzeń elektrycznych, jak również na ochronę przed porażeniem elektrycznym. Obecne normy i wytyczne
w większości krajów nie precyzują największych dopuszczalnych wartości rezystancji uziemienia, zalecając zwykle
najniższe możliwe wartości [1]. Wartości rezystancji uziemienia, obliczone z podanych niżej wzorów należy zatem
traktować jako przybliżone, a niedokładność w granicach ±30% uważać za akceptowalną. Z tego powodu, wyprowadzanie dokładnych zależności dla celów praktycznych nie jest uzasadnione, szczególnie dla uziomów kratowych
i złożonych układów uziomowych.
Zaletą analizy przeprowadzonej dla uziomów o prostej konstrukcji, jest jasne zobrazowanie podstawowych zależności
pomiędzy rezystancją uziomu a jego geometrią i warunkami ułożenia. Jest oczywiste, że przy projektowaniu uziomów
należy stosować możliwie najbardziej dokładne zależności, choć w praktyce najdokładniejszą informację o rezystancji
uziemienia daje pomiar w warunkach rzeczywistych.
W opracowaniu przedstawiono informacje dotyczące obliczania rezystancji uziemienia i rozkładu potencjału na powierzchni gruntu, dla kilku typowych uziomów. Konstrukcje te, to:
!
uziomy poziome prostoliniowe - wykonane z taśmy lub drutu ułożone poziomo, o kształcie prostego odcinka lub
pierścienia
!
uziomy pionowe - o długości wystarczającej na przeniknięcie przez warstwy gruntu o różnej konduktywności; są
szczególnie przydatne jeżeli płytkie warstwy gruntu mają dużą rezystywność w porównaniu z warstwami głębszymi, lub, gdy teren do budowy uziomu jest ograniczony
!
uziomy kratowe - zwykle wykonane jako wielooczkowa krata, ułożona poziomo w ziemi na niewielkiej głębokości
!
ekrany i osłony kabli elektroenergetycznych wykorzystywane jako uziomy – kable, których nieosłonięta metalowa powłoka, ekran lub pancerz, zapewniają połączenie z ziemią o rezystancji podobnej do rezystancji uziomów
poziomych
!
uziomy fundamentowe – są to metalowe części umieszczone w betonie fundamentu, który jest zagłębiony w ziemi i ma z nią styczność na dużej powierzchni.
1
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Funkcje układów uziomowych i podstawowe wymagania
W zależności od zadania, jakie mają spełniać, uziemienia dzieli się na:
!
uziemienie ochronne
!
uziemienie robocze
!
uziemienie odgromowe.
Uziemienie ochronne jest środkiem ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej, polegającym na połączeniu obudowy
chronionych urządzeń oraz dostępnych innych części przewodzących z uziomem. Zadaniem uziemienia ochronnego jest
ograniczenie napięć, jakie mogą wystąpić przy przepływie przez uziom prądu uziomowego IE do wartości nie stanowiących zagrożenia porażeniowego dla ludzi i zwierząt. Napięcie uziomowe UE, przy spodziewanym prądzie uziomowym IE
nie powinno przekroczyć wartości granicznej dopuszczalnej, w danych warunkach, napięcia dotykowego UF :
UE ≤ U F
(1)
zatem największa, dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia wynosi:
R=
UF
IE
(2)
gdzie IE jest prądem uziomowym, w najbardziej niekorzystnych warunkach.
W instalacjach przemysłowych, podobnie jak w podstacjach elektroenergetycznych, systemy uziemiające sieci niskiego i wysokiego napięcia są często wspólne z powodu ograniczonej dostępnej powierzchni gruntu. W instalacjach typu IT
uziemienie ochronne powinno być wspólne z uziemieniem ochronnym sieci wysokiego napięcia, niezależnie od sposobu
uziemienia punktu neutralnego (tzn. sieć z izolowanym punktem neutralnym lub skompensowana).
Uziemienie robocze oznacza połączenie określonych punktów sieci elektrycznej z systemem uziemiającym, w celu zapewnienia prawidłowej pracy sieci. Typowym przykładem jest uziemienie punktu neutralnego uzwojeń niskiego napięcia transformatora.
Uziemienie odgromowe służy do odprowadzenia do ziemi ładunku elektrycznego wyładowania atmosferycznego. Prąd wyładowania atmosferycznego może osiągać bardzo dużą wartość szczytową ip, nawet do 100 – 200 kA, przy stromościach narastania 100-200 kA/µs i powodować bardzo wysokie wartości potencjału uziomu UE, który można obliczyć z poniższego wzoru:
 di p 2
 + (i p R p ) 2
UE = L
 dt 
(3)
gdzie:
L - indukcyjność uziomu i przewodów instalacji odgromowej
Rp - rezystancja udarowa uziomu.
W zależności od wartości prądu wyładowania atmosferycznego i od właściwości układu uziomowego, potencjał UE może
osiągać bardzo wysokie wartości - do kilkuset kV lub nawet do kilku tysięcy kV. Ponieważ wartości te znacznie przewyższają napięcie pracy sieci, wyładowania atmosferyczne często powodują wyładowania wtórne lub przepięcia indukowane w sieci. Ochrona sieci i instalacji przed wyładowaniami atmosferycznymi wymaga zatem stosowania urządzeń ograniczających przepięcia (iskierniki, odgromniki i ograniczniki przepięć).
Rezystancja i rozkład potencjału na powierzchni gruntu
dla typowych konstrukcji uziomów
Uziomy poziome prostoliniowe, to metalowe pręty, taśmy lub rury, umieszczone poziomo pod powierzchnią gruntu na głębokości t, (rys. 1). Długość tych elementów l, jest zwykle znacznie większa od t. Przy tym założeniu, rozkład potencjału uziomowego na powierzchni gruntu, w kierunku prostopadłym do długości l, jest opisany następującym wzorem:
2
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
ρ IE
l 2 + 4t 2 + 4 x 2 +1
ln
2π l
l 2 + 4t 2 + 4 x 2 −1
Ux =
(4)
gdzie:
Ux – potencjał na powierzchni gruntu [V]
UE – napięcie uziomowe [V] przy prądzie uziomowym IE [A]
ρ – rezystywność gruntu [Ωm]
l – długość uziomu [m]
Pozostałe symbole są objaśnione na rysunku 1.
Względna wartość potencjału Ux* jest określona przez:
U x* =
Ux
UE
(4a)
uziom o przekroju kołowym
i wymiarach:
długość l = 10 m
średnica d = 0,02 m
głębokość pogrążenia t = 0,7 m
gdzie:
Ux* - względna wartość potencjału na powierzchni gruntu.
Na rysunku 1 pokazano rozkład potencjału na powierzchni
gruntu, dla wybranych wymiarów uziomu, zgodnie ze wzorami (4) i (4a).
Rezystancję uziemienia dla prostego uziomu poziomego
o długości l i średnicy d umieszczonego w ziemi, można obliczyć z następującego wzoru:
R=
UE
ρ
l2
=
ln
2 π l td
IE
Rys. 1. Rozkład potencjału na powierzchni
gruntu w kierunku prostopadłym
do poziomego uziomu rurowego
(5)
Uziomy poziome są najczęściej wykonywane z taśm o przekroju prostokątnym, zwykle o szerokości (b) 30-40 mm i grubości (c) 4-5 mm.
W tym przypadku średnicę zastępczą można wyliczyć jako
de =
2b
π
(6)
Niektóre pozycje literatury zalecają przyjmowanie de = b/2.
Dla różnych wykonań prostych uziomów poziomych, rezystancję można obliczyć z zależności:
R=
ρ
Bl 2
ln
2 π lΣ td e
Rys. 2. Prosty uziom pierścieniowy,
wg równania (8)
(7)
gdzie B jest współczynnikiem zależnym od konstrukcji uziomu (podanym w tabeli 1), a lΣ jest sumą długości wszystkich
elementów uziomu.
Rezystancję uziomu pierścieniowego, o średnicy D, wykonanego z taśmy o grubości c (rys. 2), pogrążonego w ziemi na
głębokości t = 1 m, można obliczyć [4] stosując wzór:
R=
ρ
k
2π 2 D
(8)
gdzie k jest współczynnikiem podanym na rysunku 3 (wszystkie wymiary jak w równaniu (4)).
3
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Uziom
Nazwa
Współczynnik B
we wzorze (7)
Rzut poziomy
Prostoliniowy
1
Dwupromieniowy,
o ramionach prostopadłych
1,46
Trójpromieniowy, symetryczny
2,38
Czteropromieniowy, symetryczny
8,45
Sześciopromieniowy, symetryczny
192
Dwuramienny, równoległy
l2
4a 2
Kwadratowy
5,53
Prostokątny,
o różnym stosunku l1/l2 (1,5; 2; 3; 4)
1,5
5,81
2
6,42
3
8,17
4
10,4
Tabela 1. Wartości współczynnika B (7) dla różnych kształtów uziomów poziomych
Uziomy pionowe są to długie metalowe pręty lub rury, umieszczone pionowo w gruncie tak, aby zapewnić styczność
z głębszymi warstwami gruntu. Jak wspomniano w Zeszycie 6.3.1, rezystywność gruntu zależy od głębokości, z powodu
większej wilgotności głębiej położonych warstw. Uziomy pionowe pozwalają więc, w stosunkowo prosty sposób, uzyskać pożądaną wartość rezystancji. Styczność z głębszymi warstwami gruntu zapewnia ponadto mniejszą zależność rezystancji uziomu od warunków pogodowych i pór roku, niż to ma miejsce w przypadku uziomów poziomych. Konstrukcja
uziomów pionowych pozwala na bardziej dogodny montaż w miejscach, w których powierzchnia przeznaczona do
umieszczenia uziomu jest mała. Uziomy pionowe są zatem szczególnie zalecane w obszarach o gęstej zabudowie, lub tam, gdzie powierzchnia gruntu jest pokryta asfaltem lub betonem. Uziomy pionowe są często stosowane również jako uzupełnienie uziomów poziomych, w celu zmniejszenia całkowitej rezystancji uziemienia.
Istotną wadą prostego uziomu prętowego jest niekorzystny rozkład
potencjału na powierzchni gruntu, który można obliczyć z poniższego wzoru, zakładając, że rozpływ prądu uziomowego IE na całej długości uziomu jest równomierny:
Ux =
ρ IE
x 2 + l 2 +1
ln
4π l
x 2 + l 2 −1
(9)
gdzie: x – odległość od uziomu
Rys. 3. Wykres współczynnika k
w równaniu (8) k = f (D/a)
l – długość uziomu;
pozostałe wymiary jak w (4).
4
Rezystancja
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Długość
Rys. 4. Rozkład potencjału na powierzchni gruntu
U*x = f(x) wokół pionowego uziomu prętowego
o długości l = 3 m i średnicy d = 0,04 m
Rys. 5. Rezystancja uziemienia (rezystancja rozprzestrzeniania) uziomu prętowego o długości l i średnicy d = 0,02 m
w gruncie jednorodnym o rezystywności ρ [2]
Na rysunku 4 przedstawiono przykład rozkładu potencjału względnego na powierzchni gruntu Ux* = f(x) (4a), dla określonych wymiarów uziomu. Porównanie charakterystyk na rysunkach 1 i 4 ukazuje, że dla uziomu pionowego gradienty
potencjałów na powierzchni gruntu są znacząco wyższe i wartości napięć dotykowych są niekorzystne. Przybliżona zależność dla rezystancji uziomu pionowego wynosi:
R=
UE
ρ
4l 2
=
ln 2
4π l r
IE
(10)
gdzie r jest promieniem uziomu.
Rysunek 5 podaje rezystancję uziemienia w zależności od długości uziomu w gruncie o różnej rezystywności.
W przypadku połączonego układu n uziomów pionowych (rys. 6) umieszczonych w linii prostej w jednakowej odległości
a od siebie, wypadkową rezystancję uziemienia oblicza się z zależności:
n
1 
1
= ∑ k ,
R  i=1 Ri 
(10a)
gdzie:
Ri oznacza rezystancje kolejnych uziomów pionowych w układzie, obliczone przy założeniu braku wpływu sąsiednich uziomów składowych,
k jest współczynnikiem korekcyjnym, przy czym k ≥ 1.
Wartość współczynnika k jest większy od jedności ze względu na
wzajemny wpływ pól elektrycznych wytwarzanych przez poszczególne uziomy pionowe w układzie. W efekcie tego oddziaływania
naruszona jest symetria w rozpływie prądów poszczególnych
uziomów pionowych, a tym samym gęstość prądu w gruncie ulega
zmianie. W literaturze [8] podano szczegółowe wartości współczynnika k dla różnych konÞguracji równoległych uziomów pionowych. W przypadku prostego układu liniowego zilustrowanego na
rys. 6 wartości k można przyjąć następująco [4]:
dla a ≥ 2l, k ≈ 1,25 oraz dla a ≥ 4l, k ≈ 1.
5
Rys. 6. Układ uziomów pionowych rozmieszczonych w linii prostej; R1 - R4 - rezystancje
poszczególnych uziomów pionowych,
a – odległość pomiędzy poszczególnymi uziomami,
l – głębokość pogrążenia uziomu.
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Uziomy kratowe są zwykle stosowane w układach uziomowych obiektów elektroenergetycznych, zajmujących duże powierzchnie, np. w stacji elektroenergetycznej. Uziom kratowy jest zwykle tak budowany, że krata odpowiada wymiarami
obszarowi stacji i zapewnia korzystny, w przybliżeniu równomierny, rozkład potencjału na powierzchni całego obiektu.
Rezystancję uziemienia dla uziomów kratowych można obliczyć stosując uproszczone równanie:
R=
ρ
ρ
+
4re lΣ
(11)
gdzie re - promień zastępczy.
Dla uziomów kratowych o kształcie kwadratu, lub zbliżonym do kwadratowego, promieniem zastępczym jest taki promień, przy którym pole powierzchni koła o tym promieniu jest równe rzeczywistej powierzchni obszaru.
Dla uziomów kratowych o kształcie prostokątnym, jeżeli uziomy tworzą wydłużony prostokąt, promień zastępczy jest
równy sumie zewnętrznych boków podzielonej przez π (rys. 7b); lΣ jest sumą boków wszystkich oczek wewnątrz kraty.
Uziomy fundamentowe są to przewodzące elementy metalowe, umieszczone w betonie fundamentu budynku. Beton fundamentów posadowionych bezpośrednio w gruncie ma naturalną wilgotność i jego przewodność można uważać za porównywalną z przewodnością gruntu. Ze względu na dużą powierzchnię tego rodzaju uziomu uzyskuje się niską rezystancję. Ponadto, ponieważ beton chroni części metalowe przed korozją, stalowe elementy uziomu umieszczonego w betonie
nie wymagają dodatkowej ochrony antykorozyjnej. Uziomy fundamentowe są obecnie zalecane jako bardzo praktyczne
rozwiązanie uziemienia budynku [6, 7].
Rys. 7. Przykłady wyjaśniające sposób obliczania promienia zastępczego re w równaniu (11) dla uziomów kratowych
o kształcie zbliżonym do kwadratu (a) i wydłużonego prostokąta (b)
W praktyce można wyróżnić dwie podstawowe konstrukcje uziomów fundamentowych:
!
w fundamencie z betonu niezbrojonego (rys. 8)
!
w fundamencie z betonu zbrojonego (rys. 9)
W obydwu przypadkach uziom jest wykonywany z:
!
taśmy stalowej o przekroju prostokątnym, nie mniejszym niż 30 mm x 3,5 mm, lub
!
pręta stalowego o przekroju okrągłym i średnicy nie mniejszej niż 10 mm.
6
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Elementy stalowe mogą być ocynkowane, ale nie jest to konieczne, jeżeli grubość warstwy betonu otaczającej elementy
uziomu jest większa niż 50 mm (rys. 8) [6], ponieważ beton zapewnia wystarczającą ochronę przed korozją.
W fundamencie z betonu niezbrojonego (rys. 8) uziom zwykle odpowiada obrysowi fundamentu budynku tzn. jest
umieszczany pod ścianami nośnymi. W budynkach o rozległych fundamentach uziom jest zwykle wykonywany w postaci pętli, które pokrywają się z obrysem poszczególnych części fundamentu i są wzajemnie połączone.
Rezystancję uziomu fundamentowego można wyliczyć z uproszczonej zależności [2]:
R = 0, 2 3
ρ
V
przewód uziemiający z zaciskiem
izolacja przeciwwilgociowa
ściana
min. 1,5 m
W fundamencie z betonu zbrojonego uziom jest umieszczany ponad
najniższą warstwa zbrojenia z siatki drucianej (rys. 9), co zapewnia
właściwą ochronę antykorozyjną.
Uziom powinien być na całej długości mocowany do siatki zbrojeniowej drutem wiązałkowym, w odstępach nie mniejszych niż 2 m. Nie
ma potrzeby aby w każdym punkcie uzyskać skuteczne połączenie
elektryczne ponieważ zasadnicze
połączenie elektryczne następuje poprzez beton. Jeżeli fundament
jest zbudowany w postaci oddzielnych płyt, łączonych dylatacjami,
to uziomy w każdej z płyt winny
być połączone ze sobą galwanicznie. Połączenia te muszą być giętkie
(mostek dylatacyjny) i tak umieszczone, aby były dostępne do pomiarów i konserwacji [6].
grunt
a = min. 5 cm
podłoga
podłoże
fundament
dren
podsypka
uziom
grunt
uchwyt mocujący/odstępnik
Rys. 8. Ilustracja ułożenia uziomu fundamentowego
w fundamencie z betonu niezbrojonego
przewód uziemiający z zaciskiem
izolacja przeciwwilgociowa
(12)
ściana
R jest wyrażone w Ω
grunt
V jest objętością fundamentu w m3.
Wyprowadzenie przewodu uziemiającego uziomu fundamentowego powinno mieć długość co najmniej 150 cm ponad poziom podłogi (rys. 8 i 9) i powinno być usytuowane możliwie jak najbliżej
głównego zacisku uziemiającego
instalacji budynku. Zacisk uziemiający uziomu fundamentowego
dla instalacji odgromowej powinien być umieszczony na zewnątrz
budynku.
połączenie drutem wiązałkowy
min. 1,5 m
gdzie:
zbrojenie betonu
podłoga
fundament
dren
podsypka
grunt
Rys. 9. Ilustracja ułożenia uziomu fundamentowego
w fundamencie z betonu niezbrojonego
7
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Obecnie są dostępne programy komputerowe, które umożliwiają dokładne obliczanie parametrów dla różnych, połączonych kształtów uziomów, z uwzględnieniem złożonej struktury warstwowej gruntu. Ich stosowanie jest jednak ograniczone, ponieważ struktura gruntu, rezystywność gruntu i jej zmiany w ciągu roku, praktycznie nie są znane. Dokładne obliczenia można wykonać tylko dla określonej pory roku i dla innych okresów będą się one znacząco różniły. W praktyce
duża dokładność tego rodzaju obliczeń nie jest wymagana, zwykle dokładność ±30% jest wystarczająca, a stosowanie podanych tu prostych wzorów daje zadowalające wyniki. Jeżeli obliczenie ma istotne znaczenie dla projektu, skuteczność
układu można zweryÞkować tylko po jego wykonaniu, drogą pomiaru wartości rezystancji.
Przykłady obliczeń
We wszystkich przykładach założono, że struktura gruntu jest jednorodna, a jego rezystywność wynosi ρ = 100 Ωm.
Przykład A
Rezystancję prostego uziomu, umieszczonego poziomo i pogrążonego w gruncie na głębokości 1m, o następujących
wymiarach:
szerokość b = 40mm
grubość c = 5mm
długość l = 5m
można obliczyć z równań (6) i (7) oraz tabeli 1. Średnica zastępcza de (6) wynosi:
de =
2b 2⋅0, 04m
=
= 0, 025m (współczynnik B z tablicy 1 jest równy 1).
π
π
Rezystancja uziomu wynosi:
R=
ρ
100Ωm
1⋅52 ⋅m 2
Bl 2
=
≈ 22Ω
ln
ln
2 π lΣ td e
2⋅ π ⋅5m 1m⋅0, 025m
Przykład B
Uziom czteropromieniowy, symetryczny utworzony z dwóch prętów o długości 5m (tablica 1), ma następujące parametry:
de = 0,025m
l = 2,5m
B = 8,45.
Rezystancja uziomu wynosi:
R=
ρ
Bl 2
100Ωm
8, 45⋅2, 52 ⋅m 2
=
= 12, 2Ω
ln
ln
2 π lΣ td e
2⋅ π ⋅10m
1m⋅0, 025m
Przykład C
Uziom pierścieniowy umieszczony poziomo (rys. 2), na głębokości pogrążenia 1m, o średnicy D = 5m, wykonany z takiej samej taśmy jak w przykładzie A. Współczynnik k można oszacować z rysunku 3 dla D/a = 5 m/0,0025m = 2000,
gdzie a = c/2.
Rezystancję uziomu można obliczyć stosując równanie (8):
R=
ρ
100Ωm
k=
⋅19, 2 ≈ 19, 4Ω
2π 2 D
2⋅ π 2 ⋅5m
8
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Przykład D
Rezystancję uziomu prętowego, umieszczonego pionowo, o średnicy 20mm i długości 5m, można obliczyć z równania (10):
R=
ρ
4l 2
100Ωm
4⋅52 m 2
≈ 21, 9Ω
ln 2 =
ln
4π l r
4⋅ π ⋅5m 0, 012 m 2
Podobną wartość można uzyskać z wykresu na rysunku 5.
Przykład E
Prostokątny uziom kratowy ma wymiary jak na rysunku 10.
Promień zastępczy re, oblicza się jak na rysunku 6, a rezystancję
- ze wzoru (11):
re =
S
4m⋅4, 5m
=
≈ 2, 4m
π
π
Suma długości boków w pojedynczym oczku wynosi:
(1,5m + 1m)*2 = 5m
Rys. 10. Uziom kratowy dla przykładu E
Suma długości boków wszystkich oczek wewnątrz kraty:
lΣ = 5m · 12 oczek = 60m
Zatem, rezystancja uziomu:
R=
ρ
ρ 100Ωm 100Ωm
+ =
+
≈ 12,1Ω
4re lΣ 4⋅2, 4m
60m
Zagadnienia konstrukcji uziomów
Układy uziomowe powinny być budowane w taki sposób, i z takich materiałów, aby funkcjonowały prawidłowo przez
cały oczekiwany czas życia, przy umiarkowanym koszcie wykonania. Wymagane są następujące właściwości:
!
niska rezystancja i korzystny rozkład potencjału na powierzchni gruntu
!
odpowiednia obciążalność prądowa
!
długa trwałość.
Rezystancja uziemienia nie powinna przekraczać wartości wymaganych przez wytyczne lub normy w najbardziej niekorzystnych warunkach klimatycznych (długotrwała susza, silny mróz). Jeżeli nie ma dokładnych wymagań, rezystancja
uziemienia powinna być jak najniższa.
Rozkład potencjału na powierzchni gruntu powinien być taki, aby napięcia dotykowe i krokowe nie przekraczały dopuszczalnych wartości. Najkorzystniejszy rozkład potencjału na powierzchni gruntu uzyskuje się za pomocą uziomów
kratowych. Czasami, aby uzyskać pożądany rozkład potencjału na powierzchni gruntu, należy umieścić dodatkowe
elementy poziome. Te zagadnienia były omawiane w Zeszycie 6.3.1 „Uziemienia - Podstawy obliczeń i projektowania”.
Obciążalność prądowa uziomu jest to największa wartość prądu jaki może być przewodzony przez uziom do ziemi bez
nadmiernego nagrzewania elementów uziomu i otaczającego gruntu. Przy zbyt dużych wartościach prądu i nadmiernej
gęstości prądu, woda zawarta w gruncie w pobliżu uziomu odparowuje, powodując wysuszenie gruntu i wzrost jego rezystywności.
9
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Trwałość uziomu jest to jego czas życia od chwili zainstalowania do czasu, kiedy, z powodu korozji części metalicznych, może nastąpić przerwanie ciągłości elektrycznej. Trwałość uziomu powinna być większa niż oczekiwany czas życia instalacji elektrycznej. Dla większości instalacji czas ten może przekraczać 25 lat, dla linii energetycznych – 35-50
lat. System uziomowy powinien być objęty procedurą przeglądów okresowych i napraw.
Trwałość układu uziomowego zależy głównie od jego odporności na korozję. Uziomy, będąc w bezpośrednim kontakcie
z gruntem lub wodą, pracują w warunkach sprzyjających korozji. Trzy główne czynniki, od których zależy szybkość korozji elementów metalowych w gruncie, to:
!
prądy stałe przepływające w ziemi
!
chemiczne zanieczyszczenia gruntu
!
zjawiska elektrochemiczne (galwaniczne) pomiędzy różnymi metalami umieszczonymi w ziemi.
Korozja powodowana przez prądy stałe występuje głównie w pobliżu sieci prądu stałego (np. stałoprądowe zasilanie
trakcji kolejowej). Istnieją normy (np. DIN VDE 0150) i przepisy, które zawierają wymagania w tym zakresie.
Korozja powodowana przez substancje chemiczne zawarte w gruncie zwykle nie ma większego znaczenia; dotyczy tylko układów uziomowych w zakładach chemicznych lub w pobliżu wybrzeża morskiego. W takich sytuacjach uziomy powinny być wykonywane z metali odpornych na określony rodzaj korozji chemicznej. W celu zminimalizowania korozji
chemicznej, w niektórych przypadkach zaleca się zmierzenie pH gleby. Dla gleby zasadowej (pH>7) zalecane są uziomy
miedziane, a dla gleby kwaśnej uziomy wykonane z aluminium, cynku lub stali ocynkowanej.
Korozja galwaniczna jest powodowana przez prąd stały przepływający w obwodzie zasilanym przez różnicę potencjałów elektrochemicznych pomiędzy dwoma elementami z różnych metali w wilgotnym gruncie, który działa jako elektrolit. Spośród powszechnie stosowanych metali, miedź ma najniższy potencjał. W odniesieniu do potencjału miedzi inne metale mają potencjał dodatni (tabela 2). Wynikający stąd ciągły przepływ o prądu stałego o małej wartości powoduje
przenoszenie jonów metalu z anody do katody i, w konsekwencji, ubywanie metalu z anody i gromadzenie się go na katodzie. Można zatem określić, jakie kombinacje metali są korzystne z tego punktu widzenia. Korzystnym rozwiązaniem
jest, na przykład, stal pokryta miedzią, ponieważ ilość miedzi pozostaje taka sama. Przeciwnym przykładem jest stal pokryta cynkiem, ponieważ cynk jest zawsze anodą i jego ilość ciągle maleje. Należy zauważyć, że potencjał elektrochemiczny stali umieszczonej w betonie jest bardzo bliski potencjałowi miedzi. Zatem konstrukcje stalowe w fundamentach
budynków są katodami w stosunku do elementów cynkowych umieszczonych w gruncie (nie tylko uziomów, ale także
np. rur wodociągowych). Oznacza to, że duże fundamenty są przyczyną silnej korozji elektrochemicznej tego rodzaju elementów metalowych.
Metal
Cynk albo stal ocynkowana
Stal
Stal w betonie
Potencjał elektrochemiczny względem elektrody miedzianej [V]
0,9–1,0
0,4–0,7
0–0,3
Tabela 2. Wartości potencjału elektrochemicznego różnych metali względem elektrody miedzianej [2]
Najczęściej używanymi materiałami do budowy uziomów są:
!
stal, np. w uziomach fundamentowych
!
stal ocynkowana
!
stal miedziowana
!
stal wysokostopowa
!
miedź i stopy miedzi.
Minimalne wymiary uziomów, podane w tabeli 3, są podyktowane wytrzymałością mechaniczną i warunkami korozyjnymi.
10
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Minimalny wymiar
Wyrobu
Materiał
Rodzaj uziomu
Cynkowana na
gorąco
Stal
Z powłoką
z ołowiu 1)
Z tłoczoną osłoną
miedzianą
Z elektrolityczną
powłoką z miedzi
Średnica
(mm)
Grubość
średnia
(µm)
90
3
63
70
ProÞl
(w tym płyta)
90
3
63
70
2
47
55
63
70
Rura
Pręt o przekroju
okrągłym
Drut okrągły dla
uziomu poziomego
Drut okrągły dla
uziomu poziomego
Pręt o przekroju
okrągłym
Pręt o przekroju
okrągłym
25
16
10
50
8
1 000
15
2 000
14,2
90
100
1
5
20
40
50
Drut okrągły dla
uziomu poziomego
Linka wielodrutowa
2
25 3)
1,8 4)
Rura
20
Ocynowana
Linka
1,8 4)
Ocynkowana
Taśma
Z powłoką
z ołowiu 1)
Linka
Miedź
Grubość Grubość
(mm)
minimalna
(µm)
Taśma 2)
Taśma
Goła
Przekrój
poprzeczny
(mm2)
Pokrycia / powłoki
25
2
25
50
1,8 4)
Drut okrągły
2
25
1 000
25
1 000
1)
Nie stosuje się do bezpośredniego umieszczenia w betonie.
2)
Taśma, walcowana lub cięta, z zaokrąglonymi krawędziami.
3)
W warunkach ekstremalnych, jeżeli z doświadczenia wynika, że ryzyko korozji lub uszkodzeń mechanicznych jest skrajnie niskie,
można zastosować przekrój 16 m2.
4)
Dla pojedynczego drutu linki.
Tabela 3. Rodzaje i minimalne wymiary materiałów, zapewniających wytrzymałość mechaniczną
i odporność na korozję, stosowanych do budowy uziomów [5]
Ze względu na wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję, minimalny przekrój poprzeczny przewodów uziemiających wynosi dla:
!
miedzi
16 mm2
!
aluminium
35 mm2
!
stali
50 mm2
11
Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne
Wnioski
Projektując układ uziomowy należy uwzględnić jego:
!
funkcję
!
właściwości elektryczne
!
materiał.
Główne właściwości układu uziomowego to:
!
rezystancja uziemienia
!
rozkład potencjału na powierzchni gruntu
!
obciążalność prądowa.
Najkorzystniejszy rozkład potencjału na powierzchni gruntu zapewniają uziomy powierzchniowe, a szczególnie uziomy
kratowe, dla których rozkład potencjału można kontrolować stosunkowo prosto. W przypadku uziomów pionowych rozkład potencjału jest najmniej korzystny i występują tu największe wartości napięcia dotykowego. Z drugiej strony, stosowanie uziomów pionowych pozwala osiągnąć niską i stabilną wartość rezystancji uziemienia, która nie zależy znacząco
od pór roku. Uziomy pionowe są także stosowane w połączeniu z uziomami poziomymi, w celu uzyskania niższych wartości rezystancji uziemienia.
Wybór materiału uziomu jest zwykle kompromisem pomiędzy kosztem a trwałością uziomu. Korozja materiału i agresywność korozyjna gruntu są głównymi czynnikami ograniczającymi czas życia układu uziomowego.
LITERATURA
[1] PN-IEC 60364-5-54:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia
i przewody ochronne.
[2] Rudolph W, Winter O, EMV nach VDE 0100, VDE-Schriftenreihe 66, VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1995.
[3] ABB Switchgear Manual, 10 ed., Düsseldorf, Cornelsen Verlag 1999.
[4] Batz H et al, Elektroenergieanlagen, VEB Verlag Technik Berlin, 1989.
[5] HD 637 S1 (Harmonisation Document) „Power installations exceeding 1 kV a.c.”
[6] RWE Energie Bau-Handbuch, 12ed., Editor: Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung, HEA-e.V.
[7] DIN 18014, Fundamenterder, Berlin, Beuth Verlag.
[8] Wołkowinski K. Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych, Warszawa, WNT, 1967.
12
Partnerzy główni i referencyjni
European Copper Institute (ECI)
www.eurocopper.org
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
www.etsii.upm.es
LEM Instruments
www.lem.com
Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH)
www.agh.edu.pl
Fluke Europe
www.fluke.com
MGE UPS Systems
www.mgeups.com
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
www-citcea.upc.es
Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW)
www.htw-saarland.de
Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM)
www.miedz.org.pl
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
www.ceiuni.it
Hogeschool West-Vlaanderen
Departement PIH
www.pih.be
University of Bath
www.bath.ac.uk
Copper Benelux
www.copperbenelux.org
Istituto Italiano del Rame (IIR)
www.iir.it
Università di Bergamo
www.unibg.it
Copper Development Association (CDA UK)
www.cda.org.uk
International Union for Electricity Applications (UIE) Utto-Von-Guericke-Universität Magdeburg
www.uie.org
www.uni-magdeburg.de
Deutsches Kupferinstitut (DKI)
www.kupferinstitut.de
ISR - Universidade de Coimbra
www.isr.uc.pt
University of Manchester Institute of Science and
Technology (UMIST)
www.umist.ac.uk
Engineering Consulting & Design (ECD)
www.ecd.it
Katholieke Universiteit Leuven
(KU Leuven)
www.kuleuven.ac.be
Politechnika Wrocławska
www.pwr.wroc.pl
EPRI PEAC Corporation
www.epri-peac.com
Laborelec
www.laborelec.com
Zespół redakcyjny
David Chapman (Chief Editor)
CDA UK
[email protected]
Prof Angelo Baggini
Università di Bergamo
[email protected]
Dr Araceli Hernández Bayo
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
[email protected]
Prof Ronnie Belmans
UIE
[email protected]
Dr Franco Bua
ECD
[email protected]
Jean-Francois Christin
MGE UPS Systems
[email protected]
Prof Anibal de Almeida
ISR - Universidade de Coimbra
[email protected]
Hans De Keulenaer
ECI
[email protected]
Gregory Delaere
Lemkco
[email protected]
Prof Jan Desmet
Hogeschool West-Vlaanderen
[email protected]
Dr ir Marcel Didden
Laborelec
[email protected]
Dr Johan Driesen
KU Leuven
[email protected]
Stefan Fassbinder
DKI
[email protected]
Prof Zbigniew Hanzelka
Akademia Górniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
LEM Instruments
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
[email protected]
Carlo Masetti
CEI
[email protected]
Mark McGranaghan
EPRI PEAC Corporation
[email protected]
Dr Jovica Milanovic
UMIST
[email protected]
Dr Miles Redfern
University of Bath
[email protected]
Dr ir Tom Sels
KU Leuven
[email protected]
Prof Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPM
[email protected]
Hans van den Brink
Fluke Europe
[email protected]
Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz
Politechnika Wrocławska
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-370 Wrocław
Polska
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 48 71 320 34 24
00 48 71 320 35 96
[email protected]
www.pwr.wroc.pl
Dr inż. Antoni Klajn
Politechnika Wrocławska
Wybrzeże Wyspiańskiego 27
50-370 Wrocław
Polska
Tel:
Fax:
Email:
Web:
00 48 71 320 39 20
00 48 71 320 35 96
[email protected]
www.pwr.wroc.pl
Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.
50-136 Wrocław
pl. 1 Maja 1-2
Polska
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B-1150 Brussels
Belgium
Tel:
Fax:
e-mail:
Website:
Tel:
Fax:
Email:
Website:
00 48 71 78 12 502
00 48 71 78 12 504
[email protected]
www.miedz.org.pl
00 32 2 777 70 70
00 32 2 777 70 79
[email protected]
www.eurocopper.org