ZVYŠOVANIE KVALITY ODPORU UZEMNENIA

Transcript

1 ZVYŠOVANIE KVALITY ODPORU UZEMNENIA Rudolf Huna 1, Jana Staroňová 2, Vladimír Janove 3 ÚVOD V súčasnom období s výrazným nástupom elektroniky a rozširovania elektrotechnického trhu (telekomunikačných a počítačových sietí, používaním veľkého množstva elektronických zariadení, elektrických spotrebičov napájaných s rozvodnej siete) permanentne narastá aj nutnosť zvyšovania ochrany pred možným zásahom elektrickým prúdom osôb, ktoré ich obsluhujú, alebo aj náhodne prídu s nimi do styku. Ochrana pri práci na elektrických zariadeniach pre stacionárne a mobilné zariadenia je zabezpečená pomocou ochranných prvkov, ako sú: ochranné bezpečnostné prvky (ich úlohou je v najkratšom krátkom čase spoľahlivo odpojiť chybné elektrické zariadenie od napájania nn siete prúdový chránič, napäťový chránič). prvky nadprúdovej ochrany (ich úlohou je ochrana proti nežiaducemu nadprúdu, hlavne v rozvodných nn sieťach ističe, poistky, stýkače, časové relé a pod.), prvky prepäťovej ochrany (ich úlohou je predovšetkým ochrana elektronických zariadení proti vonkajšiemu a vnútornému nežiadúcemu prepätiu). Jednou z nevyhnutných podmienok činnosti ochranných prvkov je získanie nízkej hodnoty uzemnenia, čo je v praxi niekedy veľmi problematické dosiahnuť. Uzemnenie elektrických zariadení spočíva vo vodivom spojení častí elektrického zariadenia, uzla obvodu alebo vodivých predmetov v blízkosti elektrického obvodu so zemou. Uzemnenie, z hľadiska účelu, musí zabezpečiť kvalitnú funkciu a ochranu elektrických zariadení. (STN ) 1 Základné požiadavky na uzemnenie Uzemnenie elektrických zariadení sa realizuje a využíva tak, aby pri predpokladanom elektrickom a mechanickom namáhaní zostala zachovaná jeho kvalita a schopnosť vykonávať požadovanú funkciu. Typ uzemňovača sa volí podľa miestnych podmienok, podľa merného odporu pôdy, veľkosti nezastavaného priestoru, úpravy terénu, možnosti použitia mechanizačných prostriedkov a pod. Dimenzovanie uzemňovačov a uzemňovacích prívodov sa vykonáva v súlade s STN pričom sa berú v úvahu požiadavky ako: hodnota odporu uzemnenia, hodnota prípustného napätia uzemňovacej sústavy, dovolené medzné dotykové napätie a dovolené krokové napätie (STN ), prúdová zaťažiteľnosť, mechanická odolnosť a odolnosť proti korózii. 1.1 Odpor uzemnenia Kvalita uzemnenia je určená základnými požiadavkami (STN ), z ktorých dominantné postavenie zohráva predovšetkým celková hodnota odporu uzemnenia (uzemňovacej sústavy). Výsledný odpor (R C ) uzemnenia je tvorený súčtom nasledujúcich odporov (obr. 1): 56

2 Ochrana pred zásahom elektrickým prúdom R C = R S + R V + R U + R ρ + ΣR P odporom uzemňovacej svorky (R S ), odporom uzemňovacieho prívodu (R V ), odporom uzemňovača (R U ), odporom pôdy (zeme) (R ρ ), prechodovými odpormi (R P ): - uzemňovacia svorka - uzemňovací prívod, - uzemňovací vodič - uzemňovač, - uzemňovač - pôda. Odpory uzemňovacej svorky, uzemňovacieho vodiča a uzemňovača sú zanedbateľné za predpokladu správneho použitia materiálu a zabezpečenia dokonalých spojov všetkých častí od R ρ zariadenia k uzemňovaču. Odpor uzemnenia je teda v prevažnej časti určovaný odporom pôdy a prechodovým odporom zem - uzemňovač. Prechodový odpor medzi uzemňovačom a zemou je dostatočne malý vtedy, keď bude uzemňovač dosť rozmerný a správne umiestnený do zeme a zem priliehajúca na uzemňovač bude dostatočne vlhká a vodivá. R p R S R V R U Obr. 1 Celkový odpor uzemnenia 1.2 Odpor pôdy a jeho zníženie Kvalita pôdy sa z hľadiska uzemnenia predovšetkým posudzuje podľa merného odporu pôdy. Merným odporom pôdy (ρ) je elektrický odpor pôdy tvaru kocky 1 m 3 meraný medzi protiľahlými stranami. Tento odpor je možné určiť nepriamo podľa odporu jednoduchého uzemňovača z prúdu a napätia, alebo pomocou prístroja na meranie odporu. Hodnota merného odporu závisí od vlastností pôdy a tiež od teploty (tab. 1). Súvislé horniny (žula, pieskovec, čadič a pod.) sú veľmi zle vodivé, mohli by sa použiť ako izolátory. Ornica a vápenitá pôda sú pomerne dobrými vodičmi elektrického prúdu, ale pôda obsahujúca nerozpustné kremene a kremičitany a málo uhličitanov, je zle vodivá. Ako výborné vodiče by sa dali použiť pôdy ílovité, ale po vyschnutí sa stávajú naopak zlými vodičmi. Dobre vodivé sú rašelina a hlinité pôdy. Veľmi zle vodivé sú pôdy pieskovité, so štrkom a kameňmi. Vlastnosti pôdy sú závislé od povrchových a spodných vôd, od obsahu vody a soli a od teploty. Veľký vplyv na vodivosť pôdy má obsah solí, ktoré sa v minulosti veľmi často používali na znižovanie hodnoty odporu uzemnenia pre stacionárne zariadenia nn inštalácie v budovách. Pre zníženie hodnoty odporu uzemnenia sa používalo tzv. umelé lôžko, ktoré bolo príčinou rýchlej korózie materiálu z ktorého bol uzemňovač (uzemňovacia elektróda), svorka a uzemňovací prívod konštruovaný a rýchleho odfiltrovania vodou použitých solí (NaCl, alebo Na 2 CO 3 ). Zníženie hodnoty odporu uzemnenia bolo síce dosiahnuté, ale len na krátku dobu a po určitom čase sa stalo, že uvedené zariadenie nebolo funkčné a bolo príčinou mnohých úrazov. Súčasné moderné riešenia umelého lôžka predstavujú používanie nových materiálov, ktoré aj v aglomeráciách, s vysokým merným odporom pôdy zabezpečia požadovanú hodnotu odporu uzemnenia a konzistenciu uzemňovacej elektródy a uzemňovacieho prívodu. Na zlepšenie kvality uzemnenia už pri projektovaní nn inštalácie v zastavaných objektoch by projektant mal odporúčať pre umelé lôžka, v ktorých sa budú nachádzať uzemňovacie elektródy nekorodujúci ekologický gél (Conductiver plus) na zlepšenie vodivosti pôdy a celkového uzemnenia. Jedná sa o základný elektrolyt, ktorý zvyšuje vodivosť zmesi vylepšenej o ďalšie prímesy. Komponenty Conductiver plus boli zvolené podľa ich rozpustnosti, s cieľom získať mierne rozpustný produkt reakciou rozpustných látok a tak vytvoriť trvanlivú vrstvu produktu v okolí 57

3 elektródy. Použité reakčné prvky sú produktmi, ktorých reakcia vytvára zlúčeniny s vysokou vodivosťou, čím sa znižuje merný odpor pôdy najmä tam, kde je menší výskyt solí. Komponenty gélu boli vybrané aj podľa ekologických parametrov so zreteľom na výber nekontaminujúcich a nekorozívnych prvkov s ohľadom na konštantné veličiny rozpustnosti reaktívnych prvkov, ako aj výsledného produktu. Reaktívne prvky s vysokou rozpustnosťou zabezpečujú okamžitý nárast vodivosti. Súčasťou produktu sú aj nerozpustné výsledné produkty, ktoré zachovajú rezervu iónov, a podieľajú sa na spomínanom raste vodivosti. Charakteristika gélu - Conductiver plus: je schopný vytvárať čiastočne ionizované elektrolyty s vysokým nábojom a veľkou kapacitou zadržiavania vody a vytvárania gélovej hmoty, zostáva v pôde dlhý čas vďaka väzbám s časticami pôdy, zvyšuje vodivosť pôdy (cca 200% pre zrážkový súhrn 700 L.m -2 na obdobie presahujúce jeden rok), nepôsobí korozívne na zemniace elektródy, je ekologický, je termostabilný v rozsahu -60 C až +60 C, preniká do pôdy a vytvára homogénnu masu s jednotným kontaktným povrchom, nevytvárajú sa kryštály alebo amorfné prvky je maximálne účinný, životnosť je niekoľko rokov, dá sa v tom istom mieste znovu aplikovať a predĺžiť. Uzemňovací zvod Uzemňovacia svorka Kryt z eko materiálu Pôda Umelé lôžko Otvor pre dopĺňanie vodivého gélu Vodivý gél Uzemňovacia elektróda Obr. 2 Vytvorenie umelého lôžka v okolí uzemňovacej elektródy pomocou vodivého gélu Na dosiahnutie požadovanej hodnoty R z vplýva hodnota merného odporu pôdy v mieste, kde sa navrhuje uzemnenie. Závisí od vlastností pôdy a tiež od teploty. Tepelný súčiniteľ merného odporu je záporný a býva pri teplote 21 C rovný asi 9 % na 1 C. Okolo bodu mrazu sa tepelný súčiniteľ rýchle zväčšuje a v dôsledku toho sa odpor pôdy pri nízkej teplote výraznejšie zväčšuje. Vplyv počasia a ročného obdobia na merný odpor pôdy vyjadruje obr. 2 ako súčiniteľ K, ktorým sa násobí nameraná hodnota merného odporu pôdy. Orientačné hodnoty zemného odporu pre niektoré druhy a typy uzemňovačov a pre niektoré druhy pôd sú uvedené v tab. 2. Merné odpory uvádzané v literatúre v rôznych tabuľkách sú priemerné hodnoty a sú určené na približnú orientáciu. Každý druh pôdy má iný merný odpor. Aj zaradenie konkrétnej pôdy do určitej skupiny môže byť len približné. Tam, kde ide o zariadenie väčšieho rozsahu, alebo kde sa vyžaduje malý odpor uzemnenia, je potrebné merný odpor pôdy zistiť meraním. V prípadoch keď 58

4 Ochrana pred zásahom elektrickým prúdom nie je možné jedným zhotoveným uzemňovačom dosiahnuť požadovaný odpor uzemnenia, je nutné zhotoviť viac uzemňovačov. Pritom treba zohľadňovať to, že jednotlivé uzemňovače sa navzájom elektricky ovplyvňujú. Potenciálové polia jednotlivých uzemňovačov na seba vzájomne pôsobia a v dôsledku toho sa zníži účinný prierez, ktorým sa prúd rozptyľuje do zeme, takže vodivosť jednotlivých uzemňovačov nie je plne využitá. Nemá preto zmysel inštalovať uzemňovače veľmi blízko seba. Tab. 1 Priemerné hodnoty merného odporu rôznych druhov pôdy Druh zeminy (pôdy) Priemerná hodnota merného odporu [Ωm] Rašelina 30 Ornica, íl 100 Vlhký piesok Vlhký štrk s malým obsahom piesku Suchý piesok alebo štrk Suchá kamenistá pôda Poznámky: 1) Vodivosť pôdy závisí od druhu pôdy, od jej rozvrstvenia, od teploty a od vlhkosti. Zamrznutá zem má veľmi zníženú vodivosť. Ak prechádza uzemňovačom trvalo prúd, pôda sa zahrieva, vysušuje a tým jej vodivosť klesá. 2) Zlým vodičom je voda dažďová alebo riečna a mastné alebo olejové škvrny. 3) Vlhkosť pôdy sa mení so stavom spodnej vody a s poveternosťou. Vo vrchných vrstvách pôdy sa mení viac ako v spodných. Preto je ťažké určiť číselné hodnoty vodivosti pôdy, ktoré by platili všeobecne. K 2 1,8 1,6 1,4 suché obdobie daždivé obdobie 200 % 150 % 1, mesiac 100 % Obr. 3 Závislosť merného odporu pôdy do hĺbky 3 m (činiteľ K) od ročného obdobia Ak sa ukladajú časti uzemňovača v tvare hviezdy, jednotlivé lúče majú byť rozdelené pravidelne, pričom uhol medzi nimi nemá byť menší ako 60 ; spravidla sa nekladú viac ako štyri lúče. Ak sa na uzemnenie použije niekoľko tyčových uzemňovačov, vzdialenosti medzi nimi nemajú byť menšie ako je ich dĺžka. 59

5 Tab. 2 Orientačné hodnoty odporu uzemnenia podľa typov uzemňovačov uložených v rôznych pôdy Merný Uzemňovač Pôda druh odpor pásik, drôt dĺžka [m] tyč, rúrka dĺžka [m] [Ωm] hlinitá ílovitá ornica hlinito-pieskovitá pieskovito-ílovitá pieskovitá štrkovitá vlhká pieskovitá štrkovitá suchá Prúdová zaťažiteľnosť uzemňovačov Prúdová zaťažiteľnosť uzemňovačov uložených v zemine sa určuje podľa tab.3 a náhodných i zhotovených uzemňovačov uložených v betóne podľa tab. 4. Tab. 3 Najvyššie dovolené hustoty prúdov vztiahnuté na plochu uzemňovača uloženého v zemine Čas priechodu prúdu Prúdová hustota plochy povrchu uzemňovača uloženého v zemine s merným odporom v [Am -2 ] 100 [Ωm] 500 [Ωm] 1000 [Ωm] 3000 [Ωm] 1 sekunda sekúnd hodina 16,6 7,5 5,2 3 2 hodiny 11,8 5,3 3,7 2,2 3 hodiny 9,6 4,3 3 1,8 Tab. 4 Najvyššie dovolené hustoty prúdu uzemňovača vychádzajúceho z betónového zákrytu základového uzemňovača Čas priechodu prúdu Stredná hustota prúdu v [Am -2 ]z betónového zákrytu základového uzemňovača s merným odporom pôdy, ktorý ho obklopuje 100 [Ωm] 500 [Ωm] 1000 [Ωm] 3000 [Ωm] 1 sekunda sekúnd hodina 26,5 10,8 7 2,6 2 hodiny 18,8 8,2 5 1,5 3 hodiny 15,4 6,8 3,9 0,9 > 3 hodiny Poznámka: Pre nárazový prúd je dovolená prúdová hustota 50 ka/m 2 60

6 Ochrana pred zásahom elektrickým prúdom 1.4 Napätie na uzemňovacej sústave Napätie na uzemňovacej sústave (uzemňovači) U z sa vypočíta zo vzťahu U z = R z. I z [V], kde: R z výsledný odpor uzemnenia všetkých prepojených náhodných aj zhotovených uzemňovačov [Ω], I z efektívna hodnota prúdu tečúceho uzemňovačom [A]. Určuje sa pre rozvodné sústavy nad 1000 V st a 1500 V js v súlade s STN Mechanická pevnosť a korozívna odolnosť uzemňovačov S ohľadom na dostatočnú mechanickú pevnosť a korozívnu odolnosť v pôdach s merným odporom väčším ako 50 Ωm sa používajú uzemňovače najmenej s rozmermi podľa tab. 5. V pôdach s merným odporom menším ako 50 Ωm a v lokalitách s jednosmernými bludnými prúdmi sa volia prierezy úmerne väčšie podľa výsledkov korozívneho prieskumu vykonaného podľa STN Zásady ochrany proti korózii nelíniových zariadení uložených v zemi alebo vo vode. Tab. 5 Minimálne rozmery oceľových uzemňovačov Minimálny rozmer Typ uzemňovača Vyhotovenie nepozinkovaná pozinkovaná oceľ oceľ prierez 100 mm 2 prierez 150 mm 2 Pásové a drôtové pásová oceľ hrúbka 3 mm hrúbka 4 mm uzemňovače oceľový drôt priemer 8 mm priemer 10 mm oceľová tyč priemer 8 mm priemer 10 mm priemer 15 mm priemer 15 mm oceľová rúrka Tyčové uzemňovače hrúbka steny 3 mm hrúbka steny 4 mm uholníky, profily a pod. prierez 100 mm 2 hrúbka steny 3 mm prierez 150 mm 2 hrúbka steny 4 mm Pri zriaďovaní uzemnenia sa musia vykonať opatrenia, aby sa zabránilo ich mechanickému poškodeniu a poškodeniu elektrolytickou koróziou. Všetky spoje uzemňovačov a podzemné spoje uzemňovacích prívodov sa musia chrániť proti korózii pasívnou ochranou napr. zaliatím asfaltom, izolačnou hmotou, obtočením antikoróznou páskou a pod. Medené uzemňovače nesmú byť umiestnené v bezprostrednej blízkosti oceľových uzemňovačov (najmenšia vzdialenosť je 2 m), ani sa nesmú s nimi spájať. Protikorózna ochrana nesmie ovplyvňovať vodivosť spojov. Uzemňovacie vodiče v mieste prechodu do pôdy je potrebné v dĺžke najmenej 30 cm pod povrchom a 20 cm nad povrchom doplniť pasívnou ochranou. Ak je uzemňovací vodič pri prechode do zeme uložený v rúrke, rúrka sa musí utesniť asfaltovou alebo inou izolačnou zálievkou. Uzemňovacie vodiče pripojené k základovým uzemňovačom sa chránia pred koróziou pasívnou ochranou: na priechode z betónu do zeme najmenej 30 cm v betóne a 100 cm v zemi, na priechode z betónu na povrch najmenej 10 cm v betóne a 20 cm nad povrchom zeme. 61

7 1.6 Meranie odporu uzemnenia po zvýšení vodivosti CONDUCTIVEROM PLUS Meranie odporu uzemnenia sa vykonáva meraním úbytku napätia U Z na základovom uzemňovači (je uložený v umelom lôžku) okolo ktorého sa do vzdialenosti cm ukladá gél. CONDUCTIVER PLUS a ktorým prechádza známy (zmeraný) prúd I Z : U Z RZ [Ω]. I Z Pri meraní prúdu a napätia sú potrebné dva pomocné uzemňovače (X, Y), ktoré sú umiestnené mimo vplyvu meraného základového uzemňovača R Z. Umiestňujú sa na spojnici medzi meraným (R Z ) a pomocným (Y) uzemňovačom tak, aby vzdialenosť medzi nimi bola min. 20 m. Zvod bleskozvodu Uzemňovacia svorka A R ~ I Z Meraný základový R Z doskový uzemňovač 6 m Gél (umelé lôžko) V X 6 m Pomocné uzemňovače najmenej 20 m Y Pásma, ktoré sa neprekrývajú U Z Neutrálna zem l [m] Obr. 4 Princíp merania odporu uzemnenia po zvýšení vodivosti gélom pre stacionárne objekty 62

8 Ochrana pred zásahom elektrickým prúdom Sondu (X) je možné umiestniť i mimo spojnicu uvedených uzemňovačov. Na obr. 5 je znázornený spôsob merania aj so zmenami polohy napäťovej sondy (X), ktorá je umiestnená mimo vplyvu obidvoch uzemňovačov (R Z, Y), ktorými prechádza prúd I Z. Keď sa pri zmene polohy napäťovej sondy (X) namerané napätie na uzemňovači R Z nemení, je sonda (X) na potenciáli zeme. Voltmeter ukazuje skutočné napätie na uzemňovači (STN ). L1 L2 M obilný technický prostriedok L3 R z N Terromet PCH 1 2 Uzemňovacia svorka je rozpojená Umelé lôžko vytvorené z gélu CONDUCTIVER pre meraný uzemňovač 20 m 20 m Pri použití PCH čo najkratšia vzdialenosť Obr. 5 Princíp merania odporu uzemnenia po zvýšení vodivosti gélom pre mobilný technický prostriedok V súčasnosti sa pre meranie uzemnenia používajú multifunkčné meracie prístroje, ktoré pracujú na princípe V-A metódy merania malých odporov, alebo meracie prístroje využívajúce induktívny spôsob merania odporu uzemnenia. Z hľadiska funkčnosti a zabezpečenia čo najnižšej hodnoty odporu uzemnenia je potrebné vykonávať meranie odporu uzemnenia jeden krát ročne. ZÁVER Uzemňovanie je dôležitý faktor, z hľadiska funkčnosti elektrických zariadení, ale aj z hľadiska ochrany ľudí a majetku. Cieľom uzemnenia je vytvoriť potenciál zeme, ktorý svojou veľmi malou hodnotou je schopný zviesť nežiaduce poruchové prúdy, ktoré sú zdrojom ohrozenia. Z hľadiska praxe je potrebné pri výstavbe stacionárnych, ale aj mobilných objektoch venovať problematike uzemňovania patričný dôraz. Uzemnenie, pospájanie, ochranné vodiče, prvky prepäťovej a nadprúdovej ochrany ako celok musia zabezpečovať z hľadiska prevádzky nn inštalácií a elektrických zariadení ochranu človeka, pred možným zásahom elektrickým prúdom. Hodnota uzemnenia musí byť čo najnižšia, čo v praxi s využitím metód vytvárania umelého lôžka už nemusí predstavovať zložitý problém. Jednou z foriem riešenia je aj využitie ekologického a nekorodujúceho gélu CONDUCTIVER PLUS. 63

9 LITERATÚRA [1] HUNA, R. STAROŇOVÁ, J. JANOVE, V.: Ochrana pred úrazom elektrickým prúdom na elektrických inštaláciách a pri obsluhe elektrických zariadení do 1000 V striedavých a 1500 V jednosmerných. Pobočka SES pri VA, Liptovský Mikuláš, [2] STN Elektrické zariadenia. Časť 6: Revízie. Kapitola 61: Východisková revízia. [3] STN Elektrické inštalácie budov. Časť 4: Zaistenie bezpečnosti. Kapitola 41: Ochrana pred úrazom elektrickým prúdom. [4] STN Elektrické inštalácie budov. Časť 5: Výber a stavba elektrických zariadení. Kapitola 54: Uzemňovacie sústavy a ochranné vodiče. [5] Firemná dokumentácia LP-AXIS, s. r. o. Bratislava, AT-10L CONDUKTIVER PLUS. 64