Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska

Kvalita elektrické energie-průvodce
Uzemnûní & EMC
UzemÀovací systémy
– základní konstrukãní hlediska
6.5.1
Uzemnûní & EMC
Uzemnění & EMC
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Autor: Henryk Markiewicz & Antoni Klajn, Wroclaw University of Technology
Autoři překladu: Josef Gavlas, Miloslav Kužela, Pavel Santarius, FEI Technická univerzita Ostrava,
Leden 2005
Tento Průvodce byl vytvořen v rámci programu Leonardo Power Quality Initiative
(LPQI), což je evropský vzdělávací program podporovaný Evropskou komisí (v
rámci programu Leonardo da Vinci) a Mezinárodní asociací mědi (International
Copper Assotiation). Více informací naleznete na www.lpqi.org.
Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC)
HCPC je nezisková organizace financovaná producenty mědi a výrobci zpracovávajícími měď. Jejím cílem
je podporovat používání mědi a měděných slitin a napomáhat jejich správné a účinné aplikaci. Služby
HCPC, mezi něž patří i poskytování informací a technického poradenství, jsou dostupné zájemcům o
využití mědi ve všech oborech. Sdružení rovněž slouží jako prostředník mezi výzkumnými organizacemi a
průmyslovými uživateli a udržuje těsné styky s obdobnými střediskami mědi ve světě.
Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB Technická univerzita Ostrava (FEI - TUO)
Fakulta elektrotechniky a informatiky zahájila svou činnost na VŠB Technické univerzitě v Ostravě od 1.
ledna 1991. Fakulta zajišťuje všechny formy vysokoškolského studia (tj. bakalářské, magisterské a
doktorské) ve studijním programu Elektrotechnika a informatika s ucelenou strukturou elektrotechnických
oborů a inženýrské informatiky. Nedílnou součástí činností pedagogů na fakultě je i vědecko-výzkumná
činnost, kde jedním z nosných programů je kvalita elektrické energie s hlavním zaměřením na
problematiku monitorování parametrů kvality a na problematiku harmonických v elektrických sítích.
European Copper Institute (ECI)
European Copper Institute je organizací založenou podporujícími členy ICA (International Copper
Association) a IWCC (International Wrought Copper Council). ECI zastupuje největší světové producenty
mědi a přední evropské výrobce při propagaci mědi v Evropě. ECI, který byl založen v roce 1996, se opírá o
síť deseti národních organizací mědi (Copper Development Associations - 'CDAs') v Beneluxu, Francii,
Německu, Řecku, Maďarsku, Itálii, Polsku, Skandinávii, Španělsku a Spojeném království. Navazuje na
činnost sdružení Copper Products Development Association založeného v roce 1959 a INCRA
(International Copper Research Association) založeného v roce 1961.
Upozornění
Obsah tohoto materiálu nemusí nutně vyjadřovat názor Evropského společenství a není pro něj ani
závazný.
European Copper Institute a Hungarian Copper Promotion Centre odmítají odpovědnost za jakékoliv
přímé, nepřímé či vedlejší škody, které mohou být způsobeny nesprávným využitím informací v této
publikaci.
Copyright© European Copper Institute a Copper Development Association.
Česká verze byla připravena ve spolupráci HCPC a Fakulty elektrotechniky a informatiky VŠB - Technické
Univerzity Ostrava.
Reprodukce je možná za předpokladu, že materiál bude otištěn v nezkrácené podobě a s uvedením zdroje.
Uzemnění & EMC
Úvod
Základní informace o vlastnostech uzemňování jsou uvedeny v Části 6.3.1, „Uzemňovací systémy
– základy výpočtu a návrh". Tato část nabízí rady pro projektování a pojednává o praktických
otázkách týkajících se výpočtu a hledisek návrhu. Hlavními problémy jsou:
• Zemnící odpor pro různá provedení zemnící elektrody
• Materiál užívaný pro konstrukci zemnící elektrody
• Koroze zemnících elektrod
V Části 6.3.1 jsou uvedeny základní definice a vztahy pro výpočet zemnícího odporu a rozložení
potenciálu pro idealizovanou uzemňovací elektrodu tvaru polokoule. Podobné metody umožňují
formulovat vztahy pro jiná uspořádání uzemňovacích elektrod. Všechny tyto vztahy jsou
odvozeny za nesprávných předpokladů, že země má homogenní strukturu a je nekonečná. Kromě
toho měrný odpor země ρ se mění s obsahem půdní vlhkosti a tedy s ročním obdobím. Kvůli tomu
hodnota zemnícího odporu vypočítaná podle zde daného vztahu by neměla být považována za
přesnou. Na druhé straně v praxi při výpočtu nebo měření zemnícího odporu není nutná vysoká
úroveň přesnosti. Tento parametr má pouze nepřímý vliv na provoz elektrické sítě a zařízení,
stejně jako na ochranu před úrazem elektrickým proudem. V současných normách a směrnicích
většiny zemí nejsou předepsány maximální možné hodnoty zemnícího odporu, ale jsou pouze
doporučeny nejnižší možné hodnoty [1]. Tedy hodnoty zemnícího odporu stanovené podle
vztahů uvedených níže by měly být brány jako přibližné a v praxi může být uvažována dovolená
nepřesnost + 30%. Kvůli tomu není důvod definovat přesné vztahy, zvláště pro síťové a složité
uzemňovací systémy.
Předností odvozených vztahů pro provedení s jednoduchou uzemňovací elektrodou je, že
umožňují si jasně představit základní vztah mezi zemnícím odporem a geometrií elektrody.
Samozřejmě je vždy doporučováno používat nejpřesnější dostupný vztah. V praxi, ačkoliv jsou
používány vztahy pro návrh uzemňovacího systému, nejpřesnější informací týkající se zemnícího
odporu je aktuální měření na místě.
Dále bude věnována pozornost výpočtu odporu uzemnění a rozložení zemnícího povrchového
potenciálu povrchu pro různé uzemňovací elektrody. Typické uzemňovací elektrody tvoří:
• jednoduché povrchové uzemňovací elektrody ve tvaru horizontálně uspořádaných pásků
nebo drátů vedených rovně nebo v kruhu
• tyčové (vertikální) elektrody dostačující délky procházející skrz půdní vrstvy různých
vodivostí, což je zvláště účinné když mělké vrstvy mají nízkou vodivost ve srovnání s
hlubšími vrstvami, nebo když existují závažné důvody omezení plochy určené pro
instalaci uzemňovací elektrody.
• síťové elektrody, obvykle budované jako mříž horizontálně umístěná v malé hloubce
pod povrchem země
• vodič fungující jakou uzemňovací elektroda – vodič s odkrytým kovovým pláštěm,
stínění nebo armování zajišťující spojení se zemí s podobným odporem jako má pásový
typ uzemňovacích elektrod
• základové uzemňovací elektrody – jsou vodivé kovové části uložené v betonu, který je v
kontaktu se zemí na velké ploše.
1
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Funkce uzemňovacích systémů a základní požadavky
Uzemňovací systém má zajistit:
• ochranné uzemnění
• funkční uzemnění elektroenergetických systémů
• ochranu před přepětím.
Ochranný uzemňovací systém zajišťuje propojení nebo vodivé spojení všech kovových částí
(nekrytých a cizích vodivých částí), kterých by se mohla dotknout osoba nebo zvíře. Za běžných
bezporuchových poměrů není mezi těmito částmi potenciál, ale v případě poruchy se na nich
může objevit nebezpečný potenciál v důsledku průchodu poruchového proudu. Funkcí
uzemňovacího systému je ochrana života před úrazem elektrickým proudem, základní
podmínkou je, aby zemní potenciál VE při očekávaném zkratovém proudu IE nepřevýšil dovolené
dotykové napětí VF:
Tedy maximální dovolená hodnota zemnícího odporu je:
kde IE je jednofázový zkratový proud za nejhorších podmínek.
V průmyslových instalacích i v rozvodnách často bývají uzemňovací systémy nízkého a vysokého
napětí společné z důvodu omezené dostupné zemnící plochy. V instalacích s izolovanou zemí (IT)
by mělo být ochranné uzemnění provedeno jako společný systém s vysokonapěťovým
ochranným uzemnění nezávisle na typu provozu středního bodu (uzlu) (tj. izolovaný nebo
kompenzovaný).
Funkční uzemnění se týká určitých bodů elektrického systému, které musí být spojeny
s uzemňovacím systémem, aby byl zajištěn řádný provoz. Typickým příkladem je uzemnění
středního bodu transformátoru.
Ochranné uzemnění před přepětím svede proudy při přepětí do země. Proudy přepětí mohou
dosahovat velmi vysokých vrcholových hodnot ip a mohou být příčinou velmi vysokých hodnot
potenciálu uzemňovací elektrody VE , který může být vypočítán podle následujícího vztahu:
kde:
L je indukčnost uzemňovací elektrody a bleskosvodů
Rp je nárazový odpor uzemňovací elektrody
V závislosti na proudu přepětí a vlastnostech uzemňovacího systému může potenciál VE
dosáhnout velmi vysokých hodnot, až několik stovek nebo dokonce tisíců kV. Protože jsou tyto
hodnoty mnohem vyšší než pracovní síťová napětí, přepětí často způsobí zpětný přeskok nebo
indukovaná přepětí v síti. Tedy úplná ochrana instalací proti přepětí vyžaduje zajištění systémem
bleskojistek a jiskřišť.
Odpor a rozložení povrchového potenciálu typických
provedení uzemňovací elektrody
Jednoduché povrchové uzemňovací elektrody jsou kovové tyče, pásy nebo trubky umístěné
horizontálně pod povrchem země v dané hloubce t, jak ukazuje Obrázek 1. Obvykle délka těchto
2
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
elementů l je mnohem větší než t. Za tohoto předpokladu je rozložení povrchového potenciálu
uzemňovací elektrody ve směru x kolmého k délce l popsáno následujícím vztahem:
kde:
Vx = povrchový potenciál země (V)
VE = potenciál uzemňovací elektrody (V) při
proudu uzemněním IE (A)
ρ = zemní odpor (ςm.m))
l = délka uzemňovací elektrody
Další symboly jsou vysvětleny na Obrázku 1.
Relativní hodnota potenciálu Vx* je dána:
kde:
Vx* = relativní
potenciálu
hodnota
povrchového
Rozložení povrchového potenciálu podle vztahů
(4 a 4a) je ukázána na Obrázku 1, pro konkrétní
hodnoty rozměrů uzemňovací elektrody.
Odpor uzemnění jednoduchého potrubí
uloženého v zemi může být vypočítán podle
následujícího vztahu:
uzemňovací elektroda
délka l = 10 m
průměr d = 0,02 m
umístěná v hloubce
t = 0,7 m
Obrázek 1 – Rozložení povrchového potenciálu v
kolmém směru k horizontálnímu potrubí
Horizontální uzemňovací elektrody jsou obvykle
vyráběny z pásků obdélníkového průřezu, obvykle
30-40 mm široké (b) a 4-5 mm tlusté (c). V
takovém případě může být skutečný ekvivalentní
průměr de vypočten podle:
a nahradit průřez ve vztahu (5). V některé
literatuře se vyskytuje výpočet de = b/2.
Odpor různých provedení horizontálně umístěných jednoduchých uzemňovacích elektrod
může být vypočítán použitím následujícího
vztahu:
Obrázek 2 – Schéma jednoduché kruhové
uzemňovací elektrody, podle vztahu (8)
3
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
kde B je koeficient závislý na provedení elektrody (uvedeno v Tabulce 1) a iΣ je součet délek
elementů všech elektrod.
Odpor uzemňovací elektrody ve tvaru kruhu s průměrem D, vytvořené z pásku tloušťky c (Obrázek
2), umístěné v typické hloubce pod povrchem země t = 1 m může být vypočítán použitím
následujícího vztahu [4]:
kde k je koeficient zobrazený na Obrázku 3 (všechny veličiny jsou jako ve vztahu (4)).
Tyčové vertikální elektrody jsou dlouhé kovové tyče nebo trubky uložené vertikálně v zemi, aby
procházely skrz hluboké vrstvy země. Jak uvádí Část 6.3.1, odpor země značně závisí na její
hloubce kvůli vyšší vlhkosti půdy v hlubších vrstvách. Tyčové elektrody vytvářejí spojení s
hlubšími vrstvami kde je pravděpodobnost vyššího obsahu vlhkosti a nižšího odporu, což je
zejména vhodné tam, kde je pro elektrodu vyžadována malá povrchová plocha. Vertikální
Uzemňovací elektroda
Popis
Půdorys
Koeficient B
ve vztahu (7)
Přímá
Dvouramenná, pravoúhlá
Tříramenná, symetrická
Čtyřramenná, symetrická
Šestiramenná, symetrická
Dvouramenná, paralelní
Čtvercová
Obdélník,
s různým poměry l1/l2
(1,5; 2; 3; 4)
Tabulka 1 – Hodnoty koeficientu B (7) pro různé geometrické uspořádání rovinných elektrod
elektrody jsou tedy vyžadovány obzvláště na místech husté výstavby nebo tam, kde je povrch
pokryt asfaltem nebo betonem. Vertikální uzemňovací elektrody jsou často používány navíc k
horizontálním, aby se snížil celkový zemnící odpor.
Závažným nedostatkem jednoduchých vertikálních tyčových elektrod je nežádoucí rozložení
povrchového potenciálu, které může být vypočítáno podle následujícího vztahu. Předpokladem je
4
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
rovnoměrné rozložení zemního proudu IE v celé délce
elektrody.
kde:
x = vzdálenost od uzemňovací elektrody
l = délka elektrody
Další veličiny jako v (4).
Příklad rozložení relativního povrchového potenciálu Vx*
= f(x) pro určitý rozměr elektrody je ukázán na Obrázku 4.
Srovnání průběhů na Obrázcích 1 a 4 dokazuje, že
gradienty potenciálu na povrchu země jsou podstatně
vyšší pro vertikální elektrodu a dotyková napětí jsou
nepřijatelná. Přibližný vztah pro odpor vertikální
uzemňovací elektrodu je:
Obrázek 4 – Rozložení povrchového potenciálu
Vx* = f(x) v okolí vertikální tyčové elektrody délky
l = 3m a průměru d = 0,04 m
Obrázek 3 – Závislost koeficientu
k = f (D/a) použitého ve vztahu (8)
Obrázek 5 – Zemnící odpor (rozptylový odpor)
tyčové elektrody délky l a průměru 0,02 m
v homogenní zemi s odporem r [2]
kde r je poloměr tyčové elektrody.
Obrázek 5 ukazuje závislost odporu na délce tyče pro elektrodu v zemi s různým odporem.
5
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Pro případ n vertikálních elektrod (Obrázek 6)
umístěných v řadě ve stejné vzdálenosti a od
sebe je výsledný zemnící odpor [4, 8]:
kde R1, R2, R3…Rn jsou odpory uzemnění
určené pro
každou tyč, myšleno bez vlivu
Obrázek 6 – Paralelní umístění tyčových elektrod, R1 –
R4 – odpory jednotlivých elektrod,
ostatních uzemňovacích tyčí a k je nazýván
a – vzdálenosti elektrod, l – délka elektrody
koeficientem „plnění" nebo „provozu",a k ≥ 1
Hodnota k je větší než 1 díky vzájemnému působení elektrických polí vytvářených sousedícími
elektrodami. Ve skutečnosti symetrie toku proudu pro každou jednotlivou elektrodu je
deformována a proudová hustota se v zemi mění. Literatura [8] uvádí přesné hodnoty koeficientu
k pro různá uspořádání paralelních tyčových elektrod. Pro jednoduché uspořádání ukázané na
Obrázku 6 může být hodnota k vypočtena [4]:
pro a ≥ 2l, k ≈ 1,25 a pro a ≥ 4l, k ≈ 1
Síťové elektrody jsou používány hlavně v uzemňovacích systémech velkých oblastí, například
v rozvodnách. Mříž plná elektrod je obvykle vytvořena tak, že odpovídá rozměru instalace
a zaručuje vhodné, přibližně stejné, rozložení povrchového potenciálu. Zemnící odpor síťových
elektrod může být vypočítán využitím následujícího zjednodušeného vztahu:
kde re je ekvivalentní poloměr.
Pro čtverec nebo
přibližný čtverec
je skutečná plocha nahrazena
kruhovou
plochou s ekvivalentním poloměrem.
Pro obdélníkové
plochy je ekvivalentní
poloměr roven součtu vnějších stran
dělených π, jestObrázek 7 – Příklady síťových uzemňovacích elektrod vysvětlující metodu výpočtu
liže elektrody tvo- ekvivalentního poloměru re ve vztahu (11), pro dva tvary uzemňovací elektrody: téměř podobná
čtverci (a) a dlouhý obdélník (b)
ří velmi dlouhý
o b d é l n í k
(Obrázek 7b) (lΣ = součet délek stran všech síťových stran mříže).
Základové uzemňovací elektrody jsou vodivé kovové části uložené v betonovém základu budov.
Beton umístěný přímo v zemi má přirozený obsah vlhkosti a může být považován za vodivý
materiál s vodivostí podobnou zemní. Nízkého odporu může být dosaženo díky velké ploše
6
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
min. 1,5 m
min. 1,5 m
svorka zemnící elektrody
tohoto typu elektrody. Navíc
beton chrání kovové části před
izolace proti vlhkosti
korozí a ocelové elektrodové
prvky
uložené
v
betonu
nepotřebují přídavnou korozívní
stěna
ochranu. Základové uzemňovací
elektrody jsou v současné době
doporučované
jako
velmi
zemina
praktické řešení uzemňování
budov [6, 7].
a = min. 5cm
V praxi existují dvě základní
provedení
základové
podlaha
uzemňovací elektrody:
základ
betonová podkladová vrstva
• v základu bez betonové výztuže
odvodňovací
kanál
(Obrázek 8)
spodní podkladová vrstva
zemnící
elektroda
• v základu s betonovou výztuží
zemina
(Obrázek 9).
podpěra
obou případech uzemňovací
elektroda je vytvořena z:
Obrázek 8 – Ilustrace umístění základové uzemňovací elektrody v základu
bez betonové výztuže
• ocelového pásku obdélníkového průřezu ne menšího než
30 mm x 3,5 mm nebo
svorka zemnící elektrody
• ocelové tyče kruhového prů-řezu
izolace proti vlhkosti
s průměrem větším než 10 mm.
Ocelové části mohou být
galvanicky pokoveny (např.
zinkem), ale není to nutné,
drátěný vodič
stěna
jestliže vrstva betonu pokrývající
zemina
elektrodu je větší než 50 mm [6],
protože
beton
zajišťuje
dostačující ochranu proti korozi,
betonová výztuž
jak ukazuje Obrázek 8.
V základu bez betonové výztuže
podlaha
(Obrázek 8) elektroda obvykle
kopíruje základ budovy, tzn. je
základ
umístěna pod hlavními stěnami.
spodní podkladová vrstva
V budovách s rozsáhlými základy odvodňovací
kanál
je elektroda obvykle provedena
zemina
ve tvaru vzájemně spojených
smyček, které pokrývají části
základových obrysů.
Obrázek 9 – Ilustrace umístění základové uzemňovací elektrody v základu s
V základech s betonovou výztuží
betonovou výztuží
je
uzemňovací
elektroda
umístěna nad nejnižší vrstvou
výztuže drátěným pletivem (Obrázek 9), což zajišťuje dostačující korozívní ochranu elektrody.
Elektroda by měla být přichycena k betonové výztuži drátěnými vodiči v úsecích vzdálených
méně než 2 m. Není nutné vytvářet důkladné elektrické spojení v každém bodě, protože spojení
je zajištěno betonem. Jestliže je základ sestaven ze samostatných panelů vzájemně spojených
7
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
dilatačními spárami, měly by být uzemňovací elektrody všech panelů galvanicky propojeny. Tato
propojení musí být pružná a musí být umístěna tak, aby byla přístupná za účelem měření a
údržby [6].
Základový zemnící odpor může být vypočítán použitím následujícího zjednodušeného vztahu [2]:
kde:
R je v Ω
V je objem základu v m3.
Svorka základové uzemňovací elektrody by měla mít vzdálenost minimálně 1,5 m od úrovně
podlahy (Obrázek 8 a 9). Měla by být umístěna pokud možno nedaleko hlavní uzemňovací svorky
instalace budovy. Propojení základové uzemňovací elektrody a ochrany před bleskem by mělo být
umístěno vně budovy.
Výpočtové programy, které jsou nyní k dispozici, umožňují přesný výpočet parametrů pro různé
kombinované provedení uzemňovacích elektrod, zahrnující složité struktury půdních vrstev.
Existujícím omezením použití je pouze půdní struktura, měrný odpor země, jehož změny v
průběhu roku nejsou prakticky známé. Přesný výpočet může být prováděn pouze pro určité
období a bude se podstatně lišit pro různá období. V každém případě vysoká přesnost takových
výpočtů není potřebná, v praxi je obvykle dostačující přesnost + 30%. Proto tedy je tedy běžně
dostačující používání jednoduchých vztahů. Samozřejmě pokud je to pro projekt nezbytné,
schopnost systému může být ověřena pouze měřením hodnoty odporu po výstavbě.
8
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Příklady výpočtu
Ve všech příkladech se předpokládá, že země má homogenní strukturu s měrným odporem ρ = 100 Ωm.
Příklad A)
Odpor jednoduché elektrody, umístěné horizontálně 1 m hluboko v zemi, s následujícími rozměry:
šířka
b = 40 mm
tloušťka c = 5 mm
délka
l = 5m
může být vypočten využitím vztahů (6) a (7) a Tabulky 1. Ekvivalentní průměr de (6) je následující:
Odpor uzemňovací elektrody:
(Koeficient B z Tabulky 1 je roven 1.)
Příklad B)
Elektroda skládající se ze dvou 5 m tyčí, uspořádaná jako čtyřramenná symetrická, má následujícími
parametry:
de = 0,025 m
l = 2,5 m
B = 8,45.
Odpor uzemňovací elektrody:
Příklad C)
Horizontálně umístěná kruhová elektroda (Obrázek 2), 1 m hluboko, s průměrem D = 5 m,
vyrobená ze stejného pásku jako v příkladu A. Koeficient k na Obrázku 3 může být odhadnut
pro D/a = 5/0,0025 = 2000, kde a = c/2, Obrázek 2. Odpor uzemňovací elektrody může být vypočten
využitím vztahu (8).:
9
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Příklad D)
Vertikálně umístěná tyčová elektroda s průměrem 20 mm a délkou 5 m, má odpor vypočítaný
podle vztahu (10):
Podobná hodnota může být odečtena z diagramu na Obrázku 5.
Příklad E)
Pravoúhlá, horizontálně umístěná síťová uzemňovací
elektroda má rozměry jak je ukázáno na Obrázku 10.
Odpor je vypočítán použitím vztahu (11) a ekvivalentní
poloměr re je vypočítán jak ukazuje Obrázek 7.
Součet délek ramen v jediné smyčce je:
(1.5m + 1m) * 2 = 5m.
Součet délek všech smyček uvnitř mříže:
Obrázek 10 – Nákres síťové uzemňovací
elektrody (Příklad E)
Odpor uzemňovací elektrody:
Konstrukční hlediska uzemňovacích elektrod
Uzemňovací systémy by měly být konstruovány takovým způsobem a z takových materiálů, aby
fungovaly správně po celou předpokládanou dobu existence za přijatelné stavební náklady.
Požadované vlastnosti jsou následující:
• Nízký zemnící odpor a vhodné rozložení povrchového potenciálu
• Přiměřená proudová přenosová schopnost
• Dlouhá životnost.
Zemnící odpor by neměl převyšovat hodnoty požadované směrnicemi nebo normami za
nejnepříznivějších klimatických podmínek (velmi suché počasí, silné mrazy). Jestliže nejsou
stanoveny podmínky, zemnící odpor by měl být co nejnižší.
Rozložení povrchového potenciálu by mělo být takové, aby dotykové a krokové napětí
nepřekročilo dovolené hodnoty. Nejpříznivější rozložení potenciálu na povrchu země je dosaženo
při použití horizontálně umístěných síťových uzemňovacích elektrod. Někdy je nezbytné umístit
navíc horizontální prvky k dosažení požadovaného rozložení potenciálu na povrchu země. Tato
problematika byla objasněna v Části 6.3.1, „Uzemňovací systémy – základy výpočtu a návrh".
Proudová přenosová schopnost je nejvyšší hodnota proudu který může být přenesen přes
uzemňovací elektrodu do země bez nadměrného zahřívání částí uzemnění a okolní půdy. Při
příliš velkých hodnotách proudu a proudové hustotě se odpařuje voda v zemi na rozhraní zemní
elektrody a zanechává suchou zem s vysokým odporem.
Životnost uzemňovací elektrody je její životnost od stavby do času, kdy v důsledku koroze
kovových částí ztratí elektrickou průchodnost. Životnost uzemňovací elektrody by měla
10
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
přesahovat předpokládanou životnost instalace. Pro hlavní energetická zařízení by měla životnost
přesáhnout 25 let a elektrická vedení 35-50 let. Uzemńovací systém by měl zahrnovat také cykly
opravy a údržby.
Životnost uzemňovacího systému závisí hlavně na její schopnosti odolávat korozi. Uzemňovací
elektrody, které jsou přímo v kontaktu se zemí nebo s vodou, pracují v korozívních podmínkách.
Jsou zde tři hlavní faktory určující míru koroze kovových předmětů v zemi:
• Stejnosměrný proud v zemi
• Chemické znečištění země
• Elektrochemické (galvanické) jevy mezi různými kovy umístěnými v zemi.
Koroze způsobená stejnosměrným proudem se vyskytuje hlavně v blízkosti stejnosměrných sítí
(například stejnosměrné drážní systémy). Jsou zde normy a předpisy (např. DIN VDE 0150)
týkající se požadavků pro takové případy.
Koroze způsobená chemickými látkami v zemi není běžně příliš důležitá, postihuje pouze
systémy v chemických závodech a v blízkosti oceánů. V takových případech by uzemňovací
elektrody měly být vyrobeny z kovů odolných specifické chemické korozi. Aby byla chemická
koroze minimalizována, doporučuje se v některých případech měření pH země. Pro zásadité
země (pH>7) se doporučují měděné elektrody, pro kyselé země jsou upřednostňovány elektrody
vyrobené z hliníku, zinku nebo pozinkované oceli.
Galvanická koroze je způsobena tokem stejnosměrného proudu v obvodu, který je napájen z
rozdílu elektrochemických potenciálů mezi dvěmi kovovými objekty ve vlhké zemi, která je v
takovém případě elektrolytem. Z běžně užívaných elektrodových kovů má měď nejnižší potenciál.
Ostatní kovy mají kladný potenciál ve srovnání s potenciálem mědi (Tabulka 2). Tento nepřetržitě
protékající malý stejnosměrný proud vyvolává tok kovových iontů z anody ke katodě. Takže kov
ubývá z anody a usazuje se na katodě. Z tohoto hlediska může být volena vhodná kombinace
kovů. Například vhodným řešením je ocel pokrytá mědí, protože množství mědi zůstává stejné.
Opačným příkladem je ocel pokrytá zinkem, kdy zinek je vždy anoda a jeho množství se
nepřetržitě snižuje. Elektrochemický potenciál oceli uložené v betonu je velmi blízký mědi. Tedy
ocelové konstrukce stavebních základů tvoří katody ve vtahu k ostatním ocelovým nebo
zinkovým předmětům umístěným v zemi (nejedná se pouze o uzemňovací elektrody, ale také
například o vodní potrubí). To znamená, že velké základy způsobují závažnou korozi těchto
kovových předmětů v důsledku elektrochemické koroze.
Kov
Elektrochemický potenciál k měděné elektrodě (V)
Zinek nebo pozinkovaná ocel
0,9 – 1,0
Ocel
0,4 – 0,7
Ocel v betonu
0 – 0,3
Tabulka 2 – Hodnoty elektrochemického potenciálu různých kovů vzhledem k měděné elektrodě [2]
Nejčastěji používané materiály elektrod jsou:
• Ocel (například v základových uzemňovacích systémech)
• Pozinkovaná ocel
• Ocel pokrytá mědí
• Vysoce legovaná ocel
• Měď a slitiny mědi.
Mechanickou pevnost a korozívní podmínky vyžadující minimální rozměry uzemňovacích
elektrod udává Tabulka 3 [5].
11
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Minimální velikost
jádro
Povlak / plášť
Typ elektrody
Materiál
Průměr
Průřez
Tloušťka
(mm)
(mm2)
(mm)
Jediné
Střední
hodnoty
hodnoty
(µm)
(µm)
Pásek 2)
Profil (včetně plechu)
Trubka
zinkovaná ponořením
Kruhová tyč pro zemnící tyč
Kruhový vodič pro
horizontální zemnící
elektrodu
Ocel
s olověným pláštěm 1)
Kruhový vodič pro
horizontální zemnící
elektrodu
s měděným pláštěm lisovaným
Kruhová tyč pro zemnící tyč
s měděným pláštěm elektrolytickým
Kruhová tyč pro zemnící tyč
Pásek
holá
Kruhový vodič pro
horizontální zemnící
elektrodu
Splétaný kabel
Měď
Trubka
pocínovaná
Splétaný kabel
pozinkovaná
Pásek
s olověným pláštěm 1)
Splétaný kabel
Kruhový vodič
1) nevhodné pro přímé uložení do betonu
2) pásek, válcovaný nebo stříhaný s oblou hranou
3) v extrémních případech, kdy zkušenosti ukazují, že riziko koroze a mechanického poškození je
mimořádně nízké, může být použito 16 mm2
4) pro samostatné stanoviště
Tabulka 3 – Typ a minimální rozměry materiálu uzemňovacích elektrod
zaručují mechanickou pevnost a korozívní odolnost [5]
Minimální průřezy pro uzemňovací vodič pro náležitou mechanickou pevnost a odolnost proti
korozi jsou [5]:
• Měď 16 mm2
• Hliník 35 mm2
• Ocel 50 mm2.
12
Uzemňovací systémy – základní konstrukční hlediska
Závěry
Při konstrukci uzemňovacího systému by se měla uvážit následující:
• Funkce
• Elektrické vlastnosti
• Materiál.
Hlavní elektrické vlastnosti uzemňovacího systému jsou:
• Zemnící odpor
• Rozložení povrchového potenciálu
• Proudová přenosová schopnost.
Nejvhodnější rozložení povrchového potenciálu mají horizontální elektrody, speciálně síťové
elektrody, kdy povrchový potenciál může být regulován relativně jednoduše. Pro případ
vertikálních elektrod je rozložení potenciálu nejhorší a kdy se vyskytují největší hodnoty
dotykového napětí. Na druhé straně použití vertikálních elektrod může jednoduše trvale snížit
hodnotu zemnícího odporu, který je v podstatě nezávislý na období. Vertikální elektrody jsou také
používány v kombinaci s horizontálními elektrodami proto, aby bylo dosaženo nižších hodnot
zemnícího odporu.
Výběr materiálu elektrody je obvykle kompromisem mezi cenou a životností uzemňovací
elektrody. Koroze materiálu a korozívní agresivita jsou hlavními faktory omezující životnost
uzemňovacího systému.
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
IEC 364-5-54, Electrical installations of buildings
Rudolph W, Winter O, EMV nach VDE 0100, VDE-Schriftenreihe 66, VDE-Verlag GmbH.
Berlin, Offenbach, 1995
ABB Switchgear Manual, 10th edition, Düsseldorf, Cornelsen Verlag 1999
Batz H et al, Elektroenergieanlagen, VEB Verlag Technik Berlin, 1989
HD 637 S1 (Harmonisation Document) "Power installations exceeding 1 kV a.c."
RWE Energie Bau-Handbuch, 12th Edition, Editor: Hauptberatungsstelle für
Elektrizitätsanwendung, HEA-e.V
DIN 18014, Fundamenterder, Berlin, Beuth Verlag
Wolkowinski K, Uziemienia urzaden elektroenergetycznych (Earthing systems of electrical
power devices), in Polish, Warsaw, WNT, 1967
13
Poznámky
20
21
Prof. Henryk Markiewicz
Dr. Antoni Klajn
Hungarian Copper
Promotion Centre
Képíró u. 9
H - 1053 Budapest
Maďarsko
Tel.: 00 361 266 4810
Tel.: 00 361 266 4804
E-mail: [email protected]
Website: www.hcpcinfo.org
VŠB-TU Ostrava
Fakulta elektrotechniky
a informatiky
Katedra elektroenergetiky
17. listopadu 15
CZ 708 33 Ostrava-Poruba
Tel.: +420 597324279
Tel.: +420 596919597
E-mail: [email protected]
Website: homen.vsb.cz/san50/
European Copper Institute
168 Avenue de Tervueren
B - 1150 Brussels
Belgium
Tel.:
00 32 2 777 70 70
Fax:
00 32 2 777 70 79
Email: [email protected]
Website: www.eurocopper.org