631ebook PL

Uziemienia i EMC6.3.1Uziemienia Podstawy

obliczeń i projektowania

Uziem

ienia i EM

C

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 Sp. z o.o.)Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-proÞ t, Þ nansowaną 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 odpowiedzialnościNiniejszy 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 EMCUziemienia Podstawy obliczeń i projektowania

Prof. Henryk Markiewicz i Dr Antoni KlajnPolitechnika Wrocławska

Czerwiec 2003

1

Uziemienia i EMC

Uziemienia Podstawy obliczeń i projektowania

WstępDział 6.1 niniejszego Poradnika zawiera przegląd wymagań dotyczących układów uziemień oraz omawia potrzebę syste-matycznego podejścia do ich projektowania, w odniesieniu do uziemienia instalacji w budynku. Zeszyt ten jest poświęco-ny podstawowym informacjom z zakresu projektowania układów uziomowych, natomiast zeszyt 6.5.1 zawiera praktycz-ne informacje dotyczące projektowania i obliczeń uziomów.

Przez układ uziomowy, zwany często krótko uziemieniem, rozumie się zespół środków służących do połączenia metalo-wej części przewodzącej z ziemią. Układ uziomowy jest zasadniczą częścią instalacji, tak po stronie wysokiego jak i ni-skiego napięcia. Dobre uziemienie jest konieczne dla zapewnienia:

! ochrony budynków i instalacji przed skutkami wyładowań atmosferycznych,

! bezpieczeństwa ludzi i zwierząt przez ograniczenie napięć dotykowych i krokowych do bezpiecznych wartości,

! odpowiedniego poziomu kompatybilności elektromagnetycznej (EMC), t.j. ograniczenia wpływu zakłóceń elek-tromagnetycznych,

! poprawnej pracy układu elektroenergetycznego i pożądanej jakości energii elektrycznej.

Wszystkie te funkcje są realizowane zwykle przez jeden układ uziomowy, który powinien spełniać odpowiednie wyma-gania odnośnie każdego wymienionego zadania. Wybrane elementy układu uziomowego mogą być przystosowane do spełnienia określonego zadania, lecz nie mogą one stanowić odrębnej części układu uziomowego. Zgodnie z wymaga-niami norm wszystkie elementy uziemienia powinny być połączone ze sobą galwanicznie razem tak, aby stworzyć jeden układ uziomowy.

Podstawowe deÞ nicje [1,2]Uziemienie lub układ uziomowy to ogół środków i przedsięwzięć wykonanych w celu uziemienia, czyli połączenia z ziemią części elektrycznie przewodzących przez instalację uziemiającą. Instalacja uziemiająca, to lokalnie ograniczony układ połączonych elektrycznie uziomów lub metalowych części wykorzystywanych dla celów uziemienia (np. funda-mentów słupów, zbrojeń lub metalowych powłok kabli), przewodów uziemiających i przewodów wyrównawczych. Uzie-miane części elektrycznie przewodzące to zwykle określone części układu elektrycznego, dostępne części przewodzące urządzeń elektrycznych, bądź dostępne zewnętrzne elementy przewodzące.

Uziom, to przewodzący element metalowy, bądź zestaw wzajemnie połączonych elementów metalowych, lub innych obiektów metalowych spełniających podobną funkcję, pogrążonych w gruncie i mających dobrą styczność z ziemią, bądź pogrążonych w betonie mającym styczność z ziemią na dużej powierzchni (np. fundament budynku).

Przewód uziemiający, to przewód łączący z uziomem część należącą do instalacji, która powinna być uziemiona, lub przewód łączący uziomy i który jest układany nad ziemią lub pogrążony w gruncie ale od niego izolowany.

Ziemia odniesienia, to obszar ziemi znajdujący się poza strefą wpływu uziomu lub układu uziemiającego, tj. obszar, w którym różnica potencjałów dwóch dowolnych punktów nie zmienia się pod wpływem prądu uziomowego. Generalnie przyjęto tak traktować powierzchnię ziemi. Potencjał ziemi odniesienia jest przyjmowany jako równy zeru.

Napięcie uziomowe (potencjał uziomowy) UE to napięcie pomiędzy układem uziomowym a ziemią odniesienia, wy-stępujące podczas przepływu prądu uziomowego IE. Prąd uziomowy IE jest prądem płynącym do ziemi przez impedancję układu uziomowego.

Rezystywność gruntu ρ, to rezystancja właściwa gruntu, czyli rezystancja wycinka gruntu o kształ-cie sześcianu, o boku 1 m, mierzona pomiędzy je-go dwoma przeciwległymi bokami (rys. 1). Jednost-ką rezystywności jest Ωm.

Potencjał na powierzchni gruntu ϕx, to potencjał punktu x na powierzchni gruntu względem potencja-łu ziemi odniesienia. Rys. 1. Szkic ilustrujący sens Þ zyczny rezystywności gruntu ρ.

2


Właściwości elektryczne gruntuWłaściwości elektryczne gruntu są określone jego rezystywnością ρ. Podana tu deÞ nicja rezystywności jest wprawdzie stosunkowo prosta, lecz jej praktyczne wyznaczenie jest często zadaniem niełatwym z dwóch zasadniczych powodów:

! grunt nie posiada jednorodnej struktury, lecz ma zwykle budowę warstwową,

! rezystywność danego rodzaju gruntu zmienia się w szerokich granicach (tabela 1) i w znacznym stopniu zależy od jego wilgotności.

Obliczenie rezystancji uziomu wymaga dobrej znajomości właściwości gruntu, w szczególności jego rezystywności ρ. Znaczny rozrzut wartości ρ utrudnia to zadanie. Zwykle w obliczeniach zakłada się jednorodną strukturę gruntu, przyj-mując uśrednioną wartość ρ, wynikającą z oszacowania na podstawie znajomości właściwości gruntu, bądź z pomiaru. Istnieje kilka sposobów pomiaru rezystywności gruntu. Warunkiem wiarygodności wyników pomiaru ρ jest zapewnie-nie takiej drogi przepływu prądu pomiarowego w gruncie, aby obejmowała ona te jego warstwy, poprzez które będzie się zamykał prąd uziomowy planowanego uziomu. Niezależnie od tego wyniki pomiarów należy interpretować z pewną dozą ostrożności. W obliczeniach praktycznych, przy braku danych odnośnie rezystywności gruntu, przyjmuje się zwy-kle uśrednioną wartość ρ =100 Ωm. Jednak jak wynika z danych zawartych w tabeli 1, rzeczywista rezystywność może znacznie różnić się od założonej. Dlatego ostateczna wartość rezystancji uziemienia powinna być potwierdzona na drodze pomiarowej, z uwzględnieniem przewidywanych zmian powodowanych czynnikami klimatycznymi.

Innym problemem w określeniu rezystywności gruntu jest jego wilgotność, która może się zmieniać w szerokich grani-cach zależnie od położenia geograÞ cznego i od warunków pogodowych. Zakres tych zmian jest znaczący i zawiera się od kilku procent dla terenów pustynnych do około 80% dla terenów podmokłych. Przykładową zależność zmian rezystyw-ności gliny od jej wilgotności przedstawia rysunek 2. Dla wilgotności powyżej 30 % zmiany ρ można uznać za nieznacz-ne, natomiast spadkowi wilgotności poniżej 20% towarzyszy gwałtowny wzrost rezystywności.

Rodzaj gruntu Rezystywność gruntu ρ [Ωm]Zakres Średnia wartoś

grunt bagnisty 2 - 50 30glina 2 - 200 40ił, ziemia piaszczysto-gliniasta, humus, próchnica, czarnoziem

20 - 260 100

piasek i grunt piaszczysty 50 - 3000 200 (wilgotny)torf ≥ 200 200żwir (wilgotny) 50 - 3000 1000 (wilgotny)grunt kamienisty i skalisty 100 - 8000 2000beton: 1 część cementu + 3 części piasku 50 - 300 150beton:1 część cementu + 5 części żwiru 100 ÷ 8000 400

Tabela 1 Rezystywność ρ różnych rodzajów gruntu i betonu [2, 3]

W klimacie umiarkowanym, przykładowo w krajach europejskich, rezystancja uziemienia zmienia się wraz z porami roku, zależnie od wilgotności gruntu i jego temperatury. W Europie zmiany te mają w przybliżeniu przebieg sinusoidalny, przy czym największa rezystancja przypada na miesiąc luty, a najmniejsza jest w sierp-niu. Wartość średnia pomiędzy tymi dwiema ekstremalnymi jest w maju i w listopadzie, przy czym rezystancja w lutym jest więk-sza o ok. 30% od średniej, natomiast w sierpniu jest od niej o ok. 30% mniejsza [4].

Należy podkreślić, że zamrożenie gruntu ma podobny skutek jak jego wysychanie i powoduje znaczący wzrost rezystywno-ści.

Rys. 2. Rezystywność ρ gruntu gliniastego w funk-cji jego wilgotności h.

3


Omówione uwarunkowania sprawiają, że zarówno obliczanie rezystancji układu uziomowego jak i planowanie konstruk-cji uziomu może być przeprowadzane przy ograniczonym poziomie dokładności.

Właściwości elektryczne układu uziomowegoWłaściwości elektryczne układu uziomowego zależą od dwóch parametrów:

! rezystancji uziemienia,

! kształtu uziomu.

Rezystancja uziemienia określa zależność pomiędzy napięciem uziomowym UE a płynącym przez nie prądem uziomo-wym IE. Kształt uziomu determinuje rozkład potencjału na powierzchni gruntu ϕ(x), który wynika z drogi rozpływu prą-du IE w ziemi. Od rozkładu potencjału na powierzchni gruntu zależą z kolei wartości napięć dotykowych i krokowych, co ma znaczenie w ocenie zagrożenia porażeniowego. Zagadnienia te zostaną tu krótko omówione w dalszej części opra-cowania.

Rezystancja uziemienia składa się zasadniczo z dwóch składników:

! rezystancji rozprzestrzeniania RD, która jest rezystancją pomiędzy uziomem a ziemią odniesienia,

! rezystancji metalowych elementów uziomu i przewodu uziemiającego, oznaczonej symbolem RL.

Rezystancja RL jest zwykle znacznie mniejsza od rezystancji rozprzestrzeniania RD, dlatego w praktyce przyjmuje się, że rezystancja układu uziomowego jest równa rezystancji rozprzestrzeniania RD, i tę właśnie rezystancję rozumie się w lite-raturze pod pojęciem rezystancji uziemienia.

Połączenie instalacji elektrycznej do uziemienia wykonane w punkcie zasilania może być zbocznikowane przez inne połączenia z elementami uziemionymi, np. poprzez miejscowe połączenia wyrównawcze w budynku. Można by w tej sytuacji oczekiwać mniejszej wypadkowej impedancji uziemienia tak dla częstotliwości podstawowej jak i dla często-tliwości harmonicznych. Czynników takich nie należy jednak uwzględniać przy projektowaniu instalacji uziemiają-cej i impedancję uziemienia należy tak zaprojektować, aby spełniała ona wszystkie wymogi zgodnie ze swoim prze-znaczeniem.

Rezystancja uziemienia i rozkład potencjałuW obwodach prądu przemiennego mówi się zasadniczo nie tyle o rezystancji ile o impedancji uziemienia ZE, która jest impedancją pomiędzy układem uziomowym a ziemią odniesienia, przy przepływie prądu uziomowego o określonej czę-stotliwości. Reaktancja układu uziomowego to reaktancja przewodu uziemiającego i metalowych elementów uziomu. W przypadku niskich częstotliwości - do których należy zaliczyć częstotliwość sieciową i jej przeciętnie spotykane harmo-niczne reaktancja ta jest zwykle pomijalnie mała w porównaniu z rezystancją uziemienia. Ma ona natomiast znacznie większą wartość dla wysokich częstotliwości, bądź dużych stromości narastania prądu uziomowego, np. dla prądów wy-ładowań atmosferycznych odprowadzanych przez uziom. Dlatego dla niskich częstotliwości zakłada się, że impedancja uziemienia ZE jest równa jego rezystancji rozprzestrzeniania RD, która z kolei jest w przybliżeniu równa rezystancji uzie-mienia R:

ZE ≈ RD ≈ R (1)

Rezystancja uziemienia R zależy od rezystywności gruntu oraz od kształtu i wielkości uziomu. Aby uzyskać niskie war-tości R, gęstość prądu płynącego z uziomu do otaczającego gruntu powinna być możliwie niska, tj. objętość gruntu, któ-ry przewodzi prąd wokół elektrody, powinna być możliwie duża. W ten sposób prąd uziomowy IE wpływający do ziemi z metalowych elementów uziomu ulega lepszemu rozprzestrzenieniu przez co uzyskuje się jego mniejszą gęstość. Przy-kładem krańcowo różnych rozkładów gęstości prądu uziomowego może być uziom punktowy, dla którego gęstość jest bardzo duża, oraz uziom w kształcie płyty, dla którego gęstość jest mała, choć rozkład prądu nie jest równomierny i ma największe wartości na krawędziach płyty. Wynika stąd, że uziomy prętowe, rurowe oraz wykonane z pojedynczego dru-tu mają znacznie większe wartości rezystancji rozprzestrzeniania w porównaniu z uziomem płytowym o tej samej po-wierzchni zewnętrznej. Ponadto wraz ze wzrostem gęstości prądu uziomowego zwiększa się podatność uziomu na koro-zję, zarówno dla prądu przemiennego jak i stałego. Dlatego niska gęstość prądu korzystnie wpływa na wydłużenie czasu eksploatacji układu uziomowego [2].

4


Obliczanie rezystancji uziemienia prze-prowadza się zwykle przy założeniu, że grunt posiada jednorodną strukturę i określoną rezystywność. Pozwala to na wyprowadzenie dokładnych zależności opisujących rezystancję uziemienia, lecz w praktyce przydatność tych równań jest bardzo ograniczona, zwłaszcza w przy-padku uziomów rozległych, dla których otrzymuje się stosunkowo złożoną po-stać zależności. Ponadto nawet niewielka niedokładność w przyjętej wartości rezy-stywności ma znaczący wpływ na otrzy-many wynik, w szczególności dla uzio-mów rozległych. Dlatego wyznaczenie rezystancji uziomu z pożądaną dokładno-ścią jest często zadaniem niełatwym. Wy-mienione czynniki sprawiają, że dokładne matematyczne zależności określające re-zystancję uziemienia są najczęściej uży-wane do wyznaczenia rezystancji uzio-mów o stosunkowo prostych kształtach. Zależności matematyczne wykorzystuje się również do ilustracji współzależności pomiędzy napięciem uziomu, rozkładem potencjału na powierzchni gruntu i prą-dem uziomowym. Dla uziomów rozle-głych, w szczególności dla uziomów kra-towych wyprowadza się zwykle jedynie przybliżone zależności pozwalające na obliczenia rezystancji.

Podstawowym modelem pozwalającym na zilustrowanie zasadniczych właściwości elektrycznych uziomu, jest uziom o kształcie półkuli pogrążony w gruncie tak, jak to przedstawiono na rys. 3. Dla takiego kształtu uziomu zakłada się promie-nisty rozkład prądu uziomowego IE, czego konsekwencją jest założenie, że kolejne półkule wewnątrz gruntu, w szczegól-ności półkula o elementarnej grubości dx (rys. 3), są powierzchniami ekwipotencjalnymi, a linie rozpływu prądu IE są do nich prostopadłe. Przy takich założeniach rezystancja półkulistej warstwy gruntu o grubości dx i promieniu x , dla stałej wartości rezystywności gruntu ρ wyraża się zależnością:

dR· x

dx=2 2ρ

π (2)

Rezystancja uziemienia jest zatem określona równaniem:

R dxx r

r

= =∞

∫ρ

π

ρ

π2 22 (3)

Rezystancja uziemienia zależy w dużym stopniu od głębokości pogrążenia metalowych elementów uziomu. Jest to spo-wodowane głównie tym, że wilgotność gruntu rośnie wraz jego głębokością. Drugim istotnym czynnikiem jest znacz-nie większa stabilność wilgotności i temperatury w głębszych warstwach gruntu w porównaniu z warstwami płytszymi. Warstwy płytsze wysychają i nasiąkają wodą jak również ulegają zamrożeniu zależnie od warunków atmosferycznych, co jest powodem znacznych zmian rezystancji uziemienia. Problem ten jest przykładowo zilustrowany na rys. 4, gdzie pokazano zmiany rezystancji pionowego uziomu prętowego w funkcji jego długości, dla określonych stałych warunków pogodowych. Widoczny jest wyraźny wzrost rezystancji wraz ze skracaniem długości uziomu. Wykonanie uziomów pio-nowych nie jest jednak wszędzie możliwe bądź to ze względu na warunki geologiczne, np. w gruncie skalistym, bądź ze względu na inne czynniki, takie jak przykładowo pożądany równomierny rozkład potencjału, co można uzyskać konstru-ując rozległy uziom poziomy.

Rys. 3. Idealizowany rozkład potencjału wokół elektrody półkolistej, ilustru-jący zależności niezbędne do obliczenia rezystancji uziemienia i rozkładu

potencjału na powierzchni gruntu (przy założeniu ρ = const); r promień elektrody, x odległość od środka elektrody, aT, aS odcinki o długości 1 m reprezentujące odpowiednio zasięg ręki i długość kroku, ϕ* względna wartość rozkładu potencjału na powierzchni gruntu, U*

T, U*S względne spodziewane wartości napięć odpowiednio dotykowego i krokowego.

5


Rozróżnia się następujące podstawowe rodzaje uziomów ze względu na ich kształt:

! proste uziomy poziome, wykonane jako poziomo ułożone w ziemi pojedyncze taśmy, linki, pręty bądź druty, w kształcie prostego odcinka lub o kształcie pierścienia,

! uziomy kratowe, wykonane jako poziomo ułożona w ziemi wielooczkowa krata,

! ekrany bądź metalowe zbrojenie kabli elektroenergetycznych, które efekcie są podobne do prostych uziomów poziomych,

! uziomy fundamentowe, wykonane jako metalowe elementy umieszczone w betonie fundamentu budynku, mającego stycz-ność z ziemią na znacznej powierzchni,

! uziomy pionowe, wykonane zwykle jako pręty bądź rury pogrą-żane w gruncie przy pomocy wibromłota na głębokość większą niż 1 m, przeważnie od 3 m do 30 m bądź nawet więcej.

Pierwsze cztery konstrukcje uziomów, to elektrody poziome, pogrążane zwykle na głębokość nie przekraczającą 1 m i wykonane w postaci poje-dynczych lub kombinowanych układów gołych taśm, linek bądź prętów. Podstawową zaletą tych rozwiązań w porównaniu z uziomem pionowym jest korzystny rozkład potencjału na powierzchni gruntu. Uziomy pionowe to tzw. uziomy głębokie. Ich podstawową zaletą jest wspomniana już łatwość uzyskania niskiej war-tości rezystancji uziemienia oraz jej stabilność w różnych warunkach pogodowych. Rozwiązania te są szczególnie przydatne w rejonach, w których wierzchnie warstwy gruntu ulegają wysychaniu bądź zmrożeniu, lub też są to warstwy o dużej rezystyw-ności. Uziom pionowy pozwala na uzyskanie w tych warunkach pożądanej wartości rezystancji (rys. 4). Inną zaletą uziomów pionowych jest możliwość ich instalowania tam, gdzie jest ograniczona ilość miejsca na powierzchni gruntu, przykładowo w gęsto zabudowanych bądź pokrytych asfaltem, betonem terenach miast lub zakładów przemysłowych. Z drugiej jednak strony wadą uziomów pionowych jest niekorzystny rozkład potencjału na powierzchni gruntu, co jest tematem następnego rozdziału. W praktyce często stosuje się również uziomy kombinowane, czyli połączenie uziomu poziomego z uziomem pionowym. Za-letą tych rozwiązań jest stosunkowo łatwe uzyskanie pożądanej rezystancji uziemienia oraz korzystnego rozkładu potencjału.

Bardziej szczegółowy opis wymienionych tu typowych konstrukcji uziomów oraz równania opisujące ich rezystancję są przedmiotem zeszytu 6.5.1 Poradnika.

Napięcie uziomowe i rozkład potencjału na powierzchni gruntuNapięcie uziomowe jak i rozkład potencjału na powierzchni gruntu podczas przepływu prądu uziomowego, są ważnymi pa-rametrami w ocenie zagrożenia porażeniowego. Podstawowe zależności zostały zilustrowane na modelu uziomu na rys. 3.

Potencjał dowolnego punktu znajdującego się w odległości x od środka uziomu przez który przepływa prąd uziomowy IE, wyraża się następującą zależnością:

ϕρ

πxEIx

=2

(4),

a jego wartość względna: ϕϕ

xx

EU* = (4a),

gdzie UE jest napięciem uziomowym, równym potencjałowi uziomowemu przy założeniu, zerowej wartości potencjału zie-mi odniesienia. Napięcie uziomowe może być wyrażone zależnością:

U I RI

rE E EE= = ρ

π2 (5).

Różnica potencjałów pomiędzy dwoma punktami na powierzchni gruntu, jednym odległym o x i drugim odległym o x + as, przy czym as = 1m, jest nazywana spodziewanym napięciem krokowym, czyli napięciem jakie istnieje na odcinku równym długości kroku człowieka, który mógłby znaleźć się w tym miejscu:

UI

x x aSE

S

= −+

ρ

π21 1

(6).

Rys. 4. Przykładowy rozkład rezystancji roz-przestrzeniania RD pionowego uziomu pręto-wego o progresywnie rosnącej długości i głę-

bokości pogrążenia d.

6


Względną wartość napięcia krokowego wyraża zależność:

UUUS

S

E

* = (6a),

gdzie: x ≥ r.

Analogiczną zależność można zapisać dla dowolnie wybranego punktu x oraz odległości aS. W szczególności dla x = r (rys. 3) oraz a = aT = 1m, równanie (6) pozwala na obliczenie spodziewanego napięcia dotykowego, tj. napięcia na jakie byłby narażony człowiek stojący w odległości 1 m od uziomu i dotykający go, w chwili przepływu prądu uziomowego:

UI

r r aTE

T

= −+

ρ

π21 1

(7)

i jego wartość względna: UUUT

T

E

* = (7a).

Praktyczna ilustracja napięć dotykowych i krokowych dla uziomów o dwóch różnych konÞ guracjach jest przedstawio-na na rys. 5. Napięcie dotykowe występuje pomiędzy dłonią a stopą osób A i B, natomiast napięcie krokowe to napięcie pomiędzy stopami osoby C. Spodziewane napięcie dotykowe UT i spodziewane napięcie krokowe US to napięcia, które pojawiają się podczas przepływu prądu uziomowego IE pomiędzy punktami oddzielonymi odpowiednio odcinkami aT i aS (rys. 3) gdy nie ma tam człowieka. W odróżnieniu od tych pojęć istnieją dwa analogiczne określenia odpowiednio na-pięcia dotykowego rażeniowego UTS i napięcia krokowego rażeniowego USS, które są napięciami jakie mogą się pojawić na ciele człowieka zakładając, że przez ciało człowieka przepływa prąd rażeniowy odpowiednio na drodze ręka stopy (UTS) lub stopa-stopa (USS). Rozróżnienie napięć dotykowych i krokowych spodziewanych od rażeniowych wynika stąd, że prąd płynący przez ciało człowieka deformuje rozkład potencjału na powierzchni gruntu w stosunku do tego, jaki był-by, gdyby człowieka nie było w zasięgu oddziaływania napięcia uziomowego UE (rys. 3 i rys. 5). Spodziewane napięcia dotykowe UT i krokowe US mają zwykle mniejsze wartości od odpowiednich wartości napięć: dotykowych rażeniowych UTS i krokowych rażeniowych USS. Różnice te są jednak zwykle niewielkie, stąd w praktyce przyjmuje się, że wymienio-ne napięcia są sobie w przybliżeniu odpowiednio równe: UT ≈ UTS oraz US ≈ USS. Lewa strona rysunku 5 ilustruje rozkład potencjału dla uziomu pionowego, podczas gdy strona prawa, dla uziomu kra-towego. Uziom pionowy (1, rys. 5) umożliwia wprawdzie łatwe uzyskanie niskiej wartości rezystancji uziemienia, lecz jego rozkład potencjału jest stromy, a tym samym niekorzystny z punktu widzenia zagrożenia porażeniowego. Rozkład potencjału na powierzchni gruntu w przypadku uziomu kratowego (2, rys. 5) jest znacznie bardziej równomierny. Napię-cie dotykowe osoby A jest tym samym większe niż osoby B (rys. 5). Podobnie napięcie krokowe (osoba C) jest znacznie mniej niebezpieczne w przypadku uziomu kratowego (2) niż dla uziomu pionowego (1).

Jeśli wykonanie uziomu kratowego nie jest w danych uwarunkowaniach możliwe, wówczas instaluje się uzio-my otokowe dające podobny efekt rozkładu potencjału. Praktyka taka jest stosowana przykładowo w Niemczech i w Belgii. Uzyskuje się w ten sposób rozsądne rozwiąza-nie problemu bezpieczeństwa porażeniowego za rozsąd-ną cenę.

Rezystancja uziemienia determinuje wartość napięcia uzio-mowego, podczas gdy konÞ guracja uziomu decyduje o roz-kładzie potencjału na powierzchni gruntu. Oczywiście kon-Þ guracja ma również wpływ na wartość rezystancji, co przy-kładowo jest widoczne w uziomach kratowych posiadają-cych dużą powierzchnię styczności z ziemią. Wynika stąd, że przy projektowaniu uziomu należy uwzględnić obydwa czynniki: konÞ gurację i rezystancję. Należy zauważyć, że uziomy kratowe są wrażliwe na wilgotność gruntu, ponie-waż należą do uziomów poziomych i ze względu na znacz-ną powierzchnię trudno byłoby pogrążać je głęboko. Dobrą stabilność rezystancji uziomu kratowego uzyskuje się łącząc

Rys. 5. Porównanie rozkładów potencjału na powierzchni gruntu ϕ podczas przepływu prądu uziomowego dla dwóch

konstrukcji układów uziomowych; 1 uziom pionowy, 2 uziom kratowy; UE napięcie uziomowe, UT, UTS napięcia dotykowe odpowiednio: spodziewane i rażeniowe, US, USS napięcia krokowe odpowiednio: spodziewane i rażeniowe, IT prąd rażeniowy dotykowy, IK prąd zwarcia doziemnego równy prądowi uziomowemu, A, B, C ilustracja różnych przypadków rażenia człowieka znajdującego

się w zasięgu oddziaływania napięcia uziomowego.

7


kratę z rozmieszczonymi na jej powierzchni pionowymi uziomami prętowy-mi.

Podczas przepływu prądu uziomowego przez uziom kratowy napięcie uzio-mowe jest rozłożone na znacznej powierzchni. W przypadku uziomu kra-towego płaskiego występuje zjawisko tzw. wynoszenia potencjału. Pole-ga ono na tym, że powierzchnia gruntu ponad konturem kraty uziomowej to w przybliżeniu powierzchnia ekwipotencjalna, podczas gdy zasadniczy gradient potencjału występuje na powierzchni gruntu poza obrębem kra-ty (rys. 6). W takim układzie nie należy się wprawdzie spodziewać niebez-piecznych napięć dotykowych, ponieważ rozpiętość kraty zwykle znacznie przekracza długość 1 metra, mogą jednak wystąpić znaczne napięcia kroko-we poza obrysem kraty uziomu. Sytuacja taka jest często spotykana w uzie-mieniach stacji elektroenergetycznych, gdzie kontur kraty pokrywa się zwy-kle z powierzchnią stacji. Zjawisko wynoszenia potencjału może być znacz-ne zredukowane przez umieszczenie zewnętrznych elementów prostokąta kraty (ostatniego, bądź ostatniego i przedostatniego) na większej głęboko-ści (rys. 6c).

Właściwości udarowe uziomówW dotychczasowej analizie omówiono parametry uziemień przy założeniu umiarkowanych wartości prądów o częstotliwości sieciowej, w stanach sta-tycznych. Uziom posiada jednak odmienne właściwości podczas przepływu prądów udarowych, np. prądów wyładowań atmosferycznych. Różnice po-między obciążeniem statycznym i udarowym uziomu wynikają z następują-cych właściwości prądów udarowych:

! wartość prądu uziomowego jest duża, osiągając niejednokrotnie se-teki kA,

! stromości narastania prądu uziomowego są znaczne typową stro-mością prądu udarowego jest kilkaset kA/µs.

Podczas przepływu ekstremalnie dużych wartości prądu przez ziemię występują bardzo znaczne natężenia pola elektrycz-nego, powodujące miejscowe wyładowania w pęcherzykach gazowych obecnych w glebie. Wskutek tych przebić rezy-stywność gruntu maleje. Zjawisko to zachodzi przede wszystkim w pobliżu uziomu, gdzie gęstość prądu jest największa, a skutki są najbardziej odczuwalne dla parametrów uziemienia. Intensywność tego zjawiska jest szczególnie duża w grun-cie suchym i o znacznej rezystywności.

Indukcyjność metalowych elementów uziomu, która jest szacowana na ok. 1 µH/m, jest zwykle pomijana w analizie impedan-cji uziemienia przy prądzie o częstotliwości sieciowej. Indukcyjność ta staje się jednak istotną częścią impedancji w przypadku prądów o znacznych stromościach narastania, rzędu kilkuset kA/µs lub więcej. Podczas wyładowań atmosferycznych induk-cyjny spadek napięcia (L di/dt) osiąga znaczne wartości. Rezultatem tego jest stosunkowo niewielkie znaczenie zewnętrznych części uziomu, podczas gdy zasadniczy przepływ prądu do ziemi odbywa się poprzez części leżące w pobliżu miejsca przyłączenia przewodu uziemiającego.

Rezystancja metalowych elementów uziomu podczas przepływu prądów udarowych również wzrasta w porównaniu z rezystancją w warunkach statycznych ze względu na zjawisko naskórkowości. Dlatego zwiększanie długości uziomu ponad tzw. dłu-gość krytyczną (rys. 7) nie wpływa na zmniejszenie impedancji uziemienia.

Obydwa opisane tu zjawiska występujące podczas przepływu prądu udarowe-go mają przeciwstawny wpływ na impedancję uziemienia. Prąd uziomowy o du-żej wartości obniża wprawdzie rezystancję uziemienia wskutek przebić pęche-rzyków powietrza w glebie, lecz jego duża stromość narastania powoduje wzrost impedancji elementów uziomu. Wypadkowa impedancja może więc być większa bądź mniejsza, zależnie od tego, który z wymienionych czynników w jest danej sytuacji czynnikiem dominującym.

Rys. 6. Ilustracja zjawiska wynoszenia potencjału. Rozkład potencjału na po-

wierzchni gruntu dla dwóch różnych kon-strukcji uziomów kratowych;

a) elektroda kratowa płaska,b) kontur elektrody widziany z góry,c) elektroda kratowa z dwoma zewnętrznymi kratami

pogrążonymi na większej głębokości niż pozostała część uziomu.

Rys. 7. Maksymalna długość uzio-mu lmax ze względu na przewodzenie prądu wyładowań atmosferycznych w funkcji rezystywności gruntu ρ.

8


WnioskiRezystancja uziemienia i rozkład potencjału na powierzchni gruntu są głównymi parametrami charakteryzującymi wła-ściwości układów uziomowych.

Parametry elektryczne układu uziomowego zależą tak od właściwości gruntu jak i od konÞ guracji uziomu. Właściwości gruntu są charakteryzowane przez jego rezystywność, która może się zmieniać w szerokim zakresie od kilku Ωm do kil-ku tysięcy Ωm zależnie od rodzaju gruntu, jego struktury i wilgotności. W efekcie tego obliczenie dokładnej wartości re-zystancji uziemienia nie jest zadaniem łatwym. Wszystkie zależności opisujące rezystancję uziemienia zostały wyprowa-dzone przy założeniu jednorodnej struktury gruntu i stałej wartości rezystywności.

Idealnym rozkładem potencjału byłby rozkład płaski wokół uziomu. Rozkład potencjału jest parametrem istotnym w ochronie przeciwporażeniowej i determinuje wartości napięć dotykowych i krokowych. Najmniej korzystny rozkład po-tencjału mają uziomy pionowe, podczas gdy najbardziej płaski rozkład potencjału na powierzchni gruntu ma uziom kratowy.

Przy projektowaniu uziemienia należy uwzględnić jego właściwości udarowe. Bardzo duże wartości prądu powodują zmniejszenie się rezystancji wskutek istnienia silnego pola elektrycznego pomiędzy metalowymi częściami uziomu a zie-mią, podczas gdy duże szybkości narastania prądu powodują zwiększenie impedancji wskutek istotnego wpływu reaktan-cji elementów uziomu. Impedancja uziemienia jest superpozycją obydwu tych zjawisk.

LITERATURA[1] HD 637 S1 Power installations exceeding 1 kV a.c., 1999.

[2] ABB Switchgear Manual, 10th edition, Dusseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

[3] IEC 364-5-54: 1980 Electrical installations of buildings Part 5: Selection and erection of electrical equipment Chapter 54: Earthing arrangements and protective conductors

[4] Rudolph W., Winter O. EMV nach VDE 0100. VDE-Schriftenreihe 66. VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1995.

Partnerzy główni i referencyjniEuropean Copper Institute(ECI)Web: www.eurocopper.org

Akademia Górniczo-Hutnicza(AGH)Web: www.agh.edu.pl

Centre dInnovació Tecnològica enConvertidors Estàtics i Accionaments(CITCEA)Web: www-citcea.upc.es

Comitato Elettrotecnico Italiano(CEI)Web: www.ceiuni.it

Copper BeneluxWeb: www.copperbenelux.org

Copper Development Association(CDA UK)Web: www.cda.org.uk

Deutsches Kupferinstitut(DKI)Web: www.kupferinstitut.de

Engineering Consulting & Design(ECD)Web: www.ecd.it

Hochschule für Technik und Wirtschaft(HTW)Web: www.htw-saarland.de

Istituto Italiano del Rame(IIR)Web: www.iir.it

International Union of Electrotechnology(UIE)Web: www.uie.org

ISR - Universidade de CoimbraWeb: www.uc.pt

Katholieke Universiteit Leuven(KU Leuven)Web: www.kuleuven.ac.be

La Escuela Técnica Superior deIngenieros Industriales (ETSII)Web: www.etsii.upm.es

Polskie Centrum Promocji Miedzi(PCPM)Web: www.miedz.org.pl

Provinciale Industriele Hogeschool(PIH)Web: www.pih.be

Università di BergamoWeb: www.unibg.it

University of BathWeb: www.bath.ac.uk

University of Manchester Institute ofScience and Technology (UMIST)Web: www.umist.ac.uk

Politechnika WrocławskaWeb: www.pwr.wroc.pl

David Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected]

Dr Araceli Hernàndez Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid [email protected]

Prof Ronnie Belmans UIE [email protected]

Franco Bua ECD [email protected]

Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected]

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Gregory Delaere Lemcko [email protected]

Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dipl-Ing Marcel Didden KU Leuven [email protected]

Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza [email protected]

Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska [email protected]

Reiner Kreutzer HTW [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]

Dr Jovica Milanovic UMIST [email protected]

Dr Miles Redfern University of Bath [email protected]

Andreas Sumper CITCEA [email protected]

Roman Targosz PCPM [email protected]

Zespół redakcyjny

Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o.50-136 Wrocławpl. 1 Maja 1-2Polska

Tel: 00 48 71 78 12 502Fax: 00 48 71 78 12 504e-mail: [email protected]: www.miedz.org.pl

European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

Tel: 00 32 2 777 70 70Fax: 00 32 2 777 70 79Email: [email protected]: www.eurocopper.org

Dr Antoni Klajn

Politechnika WrocławskaWybrzeże Wyspiańskiego 2750-370 WrocławPolska

Tel: 00 48 71 320 39 20Fax: 00 48 71 320 35 96Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

Prof Henryk Markiewicz

Politechnika WrocławskaWybrzeże Wyspiańskiego 2750-370 WrocławPolska

Tel: 00 48 71 320 34 24Fax: 00 48 71 320 35 96Email: [email protected]: www.pwr.wroc.pl

631ebook PL

Documents

Transcript of 631ebook PL