ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. «Προστασία ηλεκτροδίων γείωσης από τη διάβρωση»

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ «Προστασία ηλεκτροδίων γείωσης από τη διάβρωση» ΒΑΣΙΛΕΙΑΔΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Επιβλέπων καθηγητής Π. Ν. Μικρόπουλος Θεσσαλονίκη, Απρίλιος 2013

2 ii

3 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΥΨΗΛΩΝ ΤΑΣΕΩΝ Κτίριο Δ, Πανεπιστημιούπολη, Εγνατία Οδός, ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ τηλ./fax: , url: ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ «Προστασία ηλεκτροδίων γείωσης από τη διάβρωση» Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας αποτελεί η πρόληψη και προστασία των ηλεκτροδίων γείωσης από τη διάβρωση. Η καθοδική προστασία που αναλύεται μπορεί να εφαρμοστεί γενικότερα πέρα από τα συστήματα γείωσης και σε κάθε μεταλλική κατασκευή που βρίσκεται μέσα στο έδαφος χωρίς σημαντικές διαφορές από τον τρόπο που περιγράφεται στην παρούσα εργασία. Η διάρθρωση της διπλωματικής εργασίας αναλύεται ως εξής Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στη διάβρωση των μεταλλικών υλικών και περιγράφονται τα διάφορα είδη της διάβρωσης. Το δεύτερο κεφάλαιο αφορά τις μεθόδους προστασίας από τη διάβρωση όπου γίνεται μια σύντομη περιγραφή των μεθόδων παθητικής και ενεργητικής προστασίας. Το τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται στα συστήματα γείωσης όπου δίνονται οδηγίες για την κατασκευή τους βασισμένες στα πρότυπα IEEE Std και ΕΛΟΤ EN Το τέταρτο κεφάλαιο χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος δίνονται οδηγίες σχεδίασης ενός συστήματος καθοδικής προστασίας με βάση την απαιτούμενη ποσότητα ρεύματος ανά μονάδα επιφάνειας για την προστασία της κατασκευής. Στο δεύτερο μέρος δίνεται μια άλλη προσέγγιση και υπολογίζεται η απαιτούμενη διατομή που πρέπει να έχουν οι χαλύβδινοι αγωγοί γείωσης ώστε να έχουν την επιθυμητή διάρκεια ζωής. Τελευταίο κεφάλαιο είναι τα συμπεράσματα της εργασίας όπου τονίζεται η σπουδαιότητα της καθοδικής προστασίας διότι με τη χρήση της μπορούν να εξοικονομηθούν μεγάλα χρηματικά ποσά. Βασιλειάδης Ιωάννης, Θεσσαλονίκη, Απρίλιος 2013 Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών, ΑΠΘ iii

4 ARISTOTLE UNIVERSITY OF THESSALONIKI FACULTY OF ENGINEERING DEPARTMENT OF ELECTRICAL AND COMPUTER ENGINEERING DIVISION OF ELECTRICAL ENERGY HIGH VOLTAGE LABORATORY Building D, Egnatia Str, THESSALONIKI tel./fax: , url: ABSTRACT «Corrosion protection of grounding electrodes» The main topic of this project is the prevention and protection of grounding electrodes from corrosion. Cathodic protection, which is analyzed thoroughly in this project, can be implemented apart from grounding systems, in every underground metallic structure without significant differences from the information provided in this project. The structure of the project is the following: In the first chapter there is an introduction to corrosion of metallic materials. The main types of corrosion are also described. The second chapter includes the existing corrosion protection methods and there is a brief reference on active and passive protection methods. The third chapter refers to grounding systems and the recommended practices of their construction, based on the international standards IEEE Std and ELOT EN The fourth chapter is divided in two parts. The first part contains instructions for designing a cathodic protection system based on the current density requirements. In the second part there is different approach to grounding protection. Conductors cross section is calculated in order to achieve the desired life expectancy. Last chapter is the conclusions where the importance of cathodic protection is mentioned due to the fact that much money can be saved with its implementation. Vasileiadis Ioannis, Thessaloniki, April 2013 vasiliadis.ioan@gmail.com Electrical and Computer Engineer, AUTH iv

5 Ευχαριστίες Στο σημείο αυτό θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου: Στον επιβλέποντα της διπλωματικής μου εργασίας, κ. Π. Ν. Μικρόπουλο, αναπληρωτή καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Α.Π.Θ. για την άψογη συνεργασία και καθοδήγηση κατά τη διάρκεια της εργασίας. Στον κ. Ζ. Δάτσιο υποψήφιο διδάκτορα του ίδιου τμήματος για τις χρήσιμες συμβουλές και υποδείξεις. Στον κ. Χρ. Α. Ροδόπουλο, καθηγητή Δομικής Ακεραιότητας του Πανεπιστημίου του Monash, για τις πολύ χρήσιμές πληροφορίες πάνω στο αντικείμενο της καθοδικής προστασίας. Τέλος με την ευκαιρία αυτή να ευχαριστήσω την οικογένειά μου για την αμέριστη στήριξη και συμπαράσταση τους σε όλη τη διάρκεια των σπουδών μου. v

6 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1 - Διάβρωση μεταλλικών υλικών Εισαγωγή στη φθορά των υλικών Ορισμός διάβρωσης Συστήματα διάβρωσης Ηλεκτροχημεία των φαινομένων της διάβρωσης Το στοιχείο Daniell Είδη διάβρωσης Διάβρωση χωρίς μηχανική καταπόνηση Διάβρωση από μηχανικά αίτια στο διαβρωτικό περιβάλλον Ηλεκτροχημική διάβρωση Διαταραχές πλέγματος ως αποτέλεσμα θερμικής ή τοπικής μηχανικής επεξεργασίας της επιφάνειας Ατέλειες δομής Χημική σύσταση - Εγκλείσεις Κεφάλαιο 2 - Προστασία από τη διάβρωση-μέθοδοι Μέθοδοι προστασίας από τη διάβρωση Μέθοδοι ενεργής προστασίας Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικής πηγής (impressed current) Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων ανόδων (sacrificial anodes) ή γαλβανικού τύπου Μέθοδοι παθητικής προστασίας Ανόργανες αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις Αναστολείς της διάβρωσης Οργανικές επικαλύψεις Μεταλλικές επικαλύψεις ή επιμεταλλώσεις Κεφάλαιο 3 - Συστήματα γείωσης Γενικά Ηλεκτρόδιο γείωσης Είδη ηλεκτροδίων γείωσης Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Α Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Β vi

7 Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου πλέγματος Φυσικά ηλεκτρόδια γείωσης Θεμελιακή γείωση Αντίσταση γείωσης Υπολογισμός αντίστασης γείωσης Τρόποι μείωσης της αντίστασης γείωσης Εμπειρικός υπολογισμός αντίστασης γείωσης Μέτρηση αντίστασης γείωσης Επιλογή υλικών ηλεκτροδίου γείωσης Χαλκός Επιχαλκωμένος χάλυβας Χάλυβας Αλουμίνιο Ειδικές περιπτώσεις που πρέπει να ληφθούν υπόψη Διαστασιολόγηση αγωγών γείωσης Ειδική αντίσταση εδάφους Το έδαφος σαν μέσο γείωσης Παράγοντες που επηρεάζουν την ειδική αντίσταση του εδάφους Μέτρηση ειδικής αντίστασης εδάφους Μοντέλα εδάφους Κεφάλαιο 4 - Μελέτη και σχεδίαση καθοδικής προστασίας Γενικά Τύποι καθοδικής προστασίας Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων ανόδων Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικής πηγής Σχεδίαση συστήματος καθοδικής προστασίας Συγκέντρωση απαιτούμενων πληροφοριών Επιλογή μεθόδου καθοδικής προστασίας Βήματα σχεδίασης καθοδικής προστασίας με θυσιαζόμενες ανόδους Επιλογή και χωροθέτηση ανόδων Υπολογισμός του δυναμικού προστασίας των ανόδων Υπολογισμός του απαιτούμενου αριθμού ανόδων με κριτήριο τη μέγιστη αντίσταση R a Υπολογισμός του απαιτούμενου αριθμού ανόδων με κριτήριο τη διάρκεια ζωής του συστήματος vii

8 4.5 Βήματα σχεδίασης καθοδικής προστασίας με εξωτερική πηγή Επιλογή και χωροθέτηση ανόδων Υπολογισμός του απαιτούμενου αριθμού ανόδων Επιλογή των ανορθωτών Σχεδίαση χαλύβδινου συστήματος γείωσης σύμφωνα με τους Sen P. K. et al Ρυθμός διάβρωσης χάλυβα Καθοδική προστασία γειώσεων με θυσιαζόμενες ανόδους Διαστασιολόγηση αγωγών γείωσης λαμβάνοντας υπόψη τη διάβρωση Εκτίμηση χρόνου ζωής θυσιαζόμενης ανόδου Συμπεράσματα Βιβλιογραφία viii

9 1.1 Εισαγωγή στη φθορά των υλικών[1] Κεφάλαιο 1 Διάβρωση μεταλλικών υλικών Γενικά όλα τα υλικά ασχέτως χημικής σύστασης υφίστανται φθορά με την πάροδο του χρόνου με αποτέλεσμα την υποβάθμιση των ιδιοτήτων τους Οι ιδιότητες των υλικών εξαρτώνται από τη δομή και τη μέθοδο κατεργασίας τους. Για τις πάσης φύσεως κατασκευές και εφαρμογές των υλικών, οι Μηχανικοί και γενικότερα οι τεχνικοί επιστήμονες καλούνται να επιλέξουν τα κατάλληλα υλικά. Η ορθή επιλογή των υλικών είναι βασική προϋπόθεση για την επιτυχή κατασκευή ή εφαρμογή. Η συμπεριφορά στη διάβρωση αποτελεί σημαντική παράμετρο στην επιλογή των υλικών για μια συγκεκριμένη εφαρμογή. Οι παράμετροι και τα κριτήρια επιλογής υλικών ταξινομούνται όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 1.1 Παράμετροι και κριτήρια επιλογής υλικών Από την συσχέτιση κυρίως κόστους και συμπεριφοράς στη διάβρωση προκύπτει τελικά η βέλτιστη μέθοδος προστασίας των υλικών. Τονίζεται εδώ ότι σε πολύπλοκες κατασκευές (π.χ. μηχανολογικές διατάξεις, τεχνικά έργα) είναι σκόπιμη η συνεργασία ειδικού της διάβρωσης και προστασίας των υλικών (corrosion engineer,) στη φάση του σχεδιασμού, ώστε να προληφθούν τυχόν αστοχίες οι οποίες συχνά εμφανίζονται μετά την ολοκλήρωση και θέση σε λειτουργία της κατασκευής. 1

10 1.2 Ορισμός διάβρωσης Συστήματα διάβρωσης[1] Με τον όρο «διάβρωση» εννοούμε την καταστροφή, φθορά ή και λειτουργική αχρήστευση ενός υλικού εξαιτίας χημικής ή ηλεκτροχημικής ή μηχανικής δράσης του υλικού με το περιβάλλον του. Ο όρος δεν είναι μονοσήμαντος και αναφέρεται τόσο στο φαινόμενο της δράσης όσο και στο αποτέλεσμά της. Ο ορισμός αυτός είναι πολύ γενικός. Συνήθως «διάβρωση» χρησιμοποιείται για μεταλλικά υλικά (καθαρά μέταλλα ή κράματα). Τελευταία όμως χρησιμοποιείται και για τα πολυμερή ή και τα σύνθετα υλικά. Η από οποιαδήποτε αιτία φθορά ή αχρήστευση υλικών όπως το ξύλο, τα κεραμικά, το δέρμα, τα υφάσματα δεν χαρακτηρίζεται ως «διάβρωση». Το υλικό και το περιβάλλον ή το διαβρωτικό μέσο αποτελούν ένα σύστημα διάβρωσης. Στη βιβλιογραφία υπάρχει πλήθος χαρακτηρισμών του διαβρωτικού συστήματος και κατά συνέπεια της διάβρωσης π.χ. με κριτήριο : το διαβρωτικό περιβάλλον (ατμοσφαιρική διάβρωση, βιολογική διάβρωση) το υλικό (διάβρωση σιδήρου, αλουμινίου) τη μορφολογία της προσβολής (ομοιόμορφη ή γενική διάβρωση, τοπική, με μορφή οπής, σπηλαιώδης) τις ηλεκτροχημικές δράσεις μεταξύ υλικού και περιβάλλοντος (διάβρωση με μηχανισμό οξυγόνου, διάβρωση με μηχανισμό υδρογόνου) την επιπλέον ύπαρξη μηχανικών τάσεων στο σύστημα ή την παρουσία εσωτερικών τάσεων στο υλικό που οδηγεί σε ρωγμές (διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση) κ.ο.κ. 1.3 Ηλεκτροχημεία των φαινομένων της διάβρωσης[1] Το μεγαλύτερο μέρος των διαβρώσεων στα μέταλλα είναι αποτέλεσμα ηλεκτροχημικών αντιδράσεων. Για την εξήγηση του φαινομένου είναι απαραίτητη η εισαγωγή της έννοιας του «ηλεκτροδίου» και του «διαλύματος ηλεκτρολύτη». Έστω ότι βυθίζεται μέρος μιας μεταλλικής πλάκας σε διάλυμα ηλεκτρολύτη. Εδώ δημιουργείται σύστημα δύο φάσεων σε επαφή μεταξύ τους όπως φαίνεται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2 Ηλεκτρόδιο στην ηλεκτροχημεία (απλουστευμένο) [1] Ηλεκτρικά η μία φάση είναι αγωγός ηλεκτρονίων, ενώ η άλλη είναι αγώγιμη μέσω των ιόντων του ηλεκτρολύτη. Το σύστημα αυτό χαρακτηρίζεται ως «ηλεκτρόδιο». Συχνά με 2

11 τον όρο «ηλεκτρόδιο» χαρακτηρίζεται μόνο ο ηλεκτρονικός αγωγός (φάση Ι) που βυθίζεται σε ένα διάλυμα. Αυτό δεν είναι ακριβές, καθώς δεν γίνεται αναφορά στις ιδιότητες της δεύτερης φάσης (ΙΙ). Οι ηλεκτρολύτες είναι ενώσεις (οξέα, βάσεις, άλατα) που βρίσκονται στο διάλυμα υπό μορφή θετικών (κατιόντων) και αρνητικών (ανιόντων) σωματιδίων. Στο διάλυμα ενός ηλεκτρολύτη ο αριθμός των κατιόντων ισοδυναμεί, ως προς το φορτίο, με τον αριθμό των ανιόντων (αρχή ηλεκτροουδετερότητας). Μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν στο διάλυμα ηλεκτρολύτη ηλεκτροδίου επέρχεται η εμφάνιση δυναμικού ηλεκτροδίου. Για τη μέτρηση του δυναμικού ηλεκτροδίου πρέπει να μετρήσουμε τη διαφορά δυναμικού ως προς ένα άλλο μέταλλο διαφορετικού δυναμικού. Ο συνδυασμός δύο ηλεκτροδίων στην ηλεκτροχημεία ορίζεται ως γαλβανικό στοιχείο. Η διαφορά δυναμικού ονομάζεται τάση Ε του γαλβανικού στοιχείου. Για την κατανόηση της λειτουργίας ενός γαλβανικού στοιχείου περιγράφεται στη συνέχεια το κλασικό γαλβανικό στοιχείο Daniell Το στοιχείο Daniell Το στοιχείο Daniell αποτελείται από ένα ηλεκτρόδιο Zn (πλακίδιο ψευδαργύρου) εμβαπτισμένο σε αραιό διάλυμα θειικού ψευδαργύρου ZnSO 4 και ένα ηλεκτρόδιο Cu (πλακίδιο χαλκού) εμβαπτισμένο σε αραιό διάλυμα θειικού χαλκού CuSO 4. Τα διαλύματα των ηλεκτρολυτών διαχωρίζονται μέσω πορώδους διαφράγματος (π.χ. από άργιλο). Σχήμα 1.3 Γαλβανικό στοιχείο Daniell [1] 3

12 Με τον εμβαπτισμό του ηλεκτροδίου του Zn μέσα στον ηλεκτρολύτη, συμβαίνει αυθόρμητα η αντίδραση: Zn Zn e -, δημιουργώντας έτσι μία στιβάδα θετικών ιόντων (κατιόντων) ψευδαργύρου (Zn 2+ ) στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου και ένα πλεόνασμα ηλεκτρονίων εντός του ηλεκτροδίου. Αντίστοιχα, στο ηλεκτρόδιο του χαλκού εμφανίζονται αρνητικά ιόντα (ανιόντα) της θειικής ρίζας (SO 4 2- ) και το ηλεκτρόδιο του χαλκού φορτίζεται θετικά. Εφόσον το κύκλωμα είναι ανοιχτό, τα ηλεκτρόνια που πλεονάζουν δεν μπορούν να οδεύσουν από το ηλεκτρόδιο του Zn (αρνητικό) προς το ηλεκτρόδιο του Cu (θετικό). Όταν όμως το κύκλωμα κλείσει εξωτερικά (π.χ. μέσω μεταλλικού αγωγού), τότε ηλεκτρόνια οδεύουν μέσω του εξωτερικού κυκλώματος από τον ψευδάργυρο προς το χαλκό οπότε η ισορροπία των διπλοστοιβάδων ψευδαργύρου και χαλκού διαταράσσεται με αποτέλεσμα την εξέλιξη των δράσεων: στο ηλεκτρόδιο του Ζn: Zn Zn e - διάλυση ψευδαργύρου στο ηλεκτρόδιο του Cu: Cu e - Cu απόθεση χαλκού Σχήμα 1.4 Στοιχείο Daniell - ροή ρεύματος σε κλειστό κύκλωμα[1] Συνεπώς, η μάζα του ηλεκτροδίου Zn συνεχώς ελαττώνεται, ενώ η μάζα του ηλεκτροδίου Cu συνεχώς αυξάνεται. Η δίοδος του ρεύματος γίνεται αντιληπτή αν συνδεθεί σε σειρά στο εξωτερικό κύκλωμα ένα αμπερόμετρο. Το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται διάλυση Zn (ή αλλιώς οξείδωσή του, δηλαδή απελευθέρωση ηλεκτρονίων) χαρακτηρίζεται ως άνοδος ή δράση ανοδική και` ο χώρος της δράσης ανοδικός. Γενικά, η διάβρωση είναι δράση οξειδωτική, επομένως το μέταλλο ή κράμα όταν διαβρώνεται είναι η άνοδος του συστήματος. Η άνοδος στο γαλβανικό στοιχείο είναι το αρνητικό (-) ηλεκτρόδιο. Η κάθοδος στο γαλβανικό στοιχείο είναι το θετικό (+) ηλεκτρόδιο. Από τη μελέτη του γαλβανικού στοιχείου Daniell μπορεί να γίνουν οι εξής ακόμη παρατηρήσεις: 4

13 Η οξείδωση (διάβρωση) του ψευδαργύρου μπορεί να καταλήξει στην πλήρη καταστροφή του αν εξελίσσεται ανεμπόδιστα. Οι δύο μερικές δράσεις, ανοδική και καθοδική είναι αλληλοεξαρτώμενες, πράγμα που σημαίνει ότι τυχόν παρεμπόδιση της μίας, π.χ. της καθοδικής, θα έχει ως αποτέλεσμα την παρεμπόδιση της άλλης και στην περίπτωσή μας της ανοδικής. Η παρατήρηση αυτή παραπέμπει και στο μηχανισμό προστασίας από τη διάβρωση στην πράξη. 1.4 Είδη διάβρωσης[1][2][3] Δεν υπάρχει ενιαία συστηματική κατάταξη των τύπων της διάβρωσης στη βιβλιογραφία διότι δεν χρησιμοποιούνται πάντοτε τα ίδια κριτήρια κατάταξης. Στο DIN μέρος I γίνεται η γενική διάκριση μεταξύ διάβρωσης με και χωρίς μηχανική καταπόνηση. Η διάβρωση όμως χωρίς μηχανική καταπόνηση υποδιαιρείται σε 18 τύπους ενώ με μηχανική καταπόνηση σε 6 τύπους. Με κριτήριο τη μηχανική καταπόνηση τα σημαντικότερα είδη διάβρωσης είναι αυτά που αναφέρονται στο σχήμα 1.5 και αναλύονται αμέσως παρακάτω. Σχήμα 1.5 Είδη διάβρωσης 5

14 1.4.1 Διάβρωση χωρίς μηχανική καταπόνηση Γαλβανική διάβρωση ή διάβρωση επαφής Όταν δύο διαφορετικά μέταλλα βρίσκονται σε αγώγιμη επαφή μεταξύ τους σε διαβρωτικό περιβάλλον τότε διαβρώνεται σχεδόν αποκλειστικά το αγενέστερο μέταλλο. Η μορφή αυτή διάβρωσης είναι καθαρά ηλεκτροχημική και ονομάζεται γαλβανική (corrosion couple action,) ή επαφής (galvanic contact corrosion). Το αγενέστερο μέταλλο μεταβαίνει υπό μορφή ιόντων στο περιβάλλον ενώ τα ηλεκτρόνια που ελευθερώνονται Σχήμα 1.6 Γαλβανική διάβρωση (χάλυβαςχαλκός)[3] καταναλίσκονται στην επιφάνεια π.χ. από υδρογονοϊόντα του ηλεκτρολύτη ή διαλυμένο οξυγόνο. Ηλεκτροχημική διάβρωση Στην ηλεκτροχημική διάβρωση ένα εξωτερικά τουλάχιστον ομογενές μέταλλο ή κράμα βρίσκεται σε επαφή με το διαβρωτικό περιβάλλον. Το είδος αυτό της διάβρωσης είναι σύνηθες στην υγρή ατμόσφαιρα, στο νερό, στη θάλασσα και στα διαλύματα ηλεκτρολυτών. Η φύση της είναι κατά βάση ηλεκτροχημική και ερμηνεύεται με τη δημιουργία θέσεων διαφορετικού δυναμικού στην επιφάνεια του μετάλλου ή κράματος. Βιολογική ή μικροβιολογική διάβρωση Ως βιολογική διάβρωση ορίζεται η διάβρωση που ξεκινά ή επιταχύνεται από την παρουσία μικροοργανισμών (βακτηρίδια). Ποικιλίες των μικροοργανισμών αυτών αναπτύσσονται στο νερό, στο έδαφος, στα φυσικά προϊόντα πετρελαίου και στα διαλύματα πλύσης μεταλλευμάτων. Οι μικροοργανισμοί επηρεάζουν είτε άμεσα τις ανοδικές και καθοδικές δράσεις είτε με προσβολή των προστατευτικών επιστρωμάτων ή/και των αναστολέων είτε με παραγωγή διαβρωτικών ουσιών είτε με παραγωγή αποθέσεων με τη μορφή σωρών ή εξογκωμάτων. Σχήμα 1.7 Βιολογική διάβρωση πέτρας [2] 6

15 Διάβρωση από παρασιτικά ρεύματα Παρασιτικά ρεύματα ονομάζονται τα συνεχή ρεύματα που ακολουθούν δρόμο διαφορετικό από τον προβλεπόμενο. Τα ρεύματα αυτά μπορεί να προέρχονται από σιδηρόδρομους, διατάξεις συγκολλήσεων, συστήματα γείωσης και καθοδικής προστασίας, κλπ. Η διάβρωση εμφανίζεται στα σημεία εξόδου των ρευμάτων από τις κατασκευές. Αντιμετωπίζεται με κατάλληλη σύνδεση διατάξεων, ηλεκτρική μόνωση, επιφανειακά επιστρώματα, καθοδική προστασία, χρήση μη αγώγιμων ρευστών και θυσιαζόμενων ανόδων. Σχήμα 1.8 Σχηματική παράσταση ρευμάτων διαφυγής σε ηλεκτρικό σιδηρόδρομο που λειτουργεί με συνεχή τάση[4] Δύο τύποι διάβρωσης που συναντώνται συνήθως σε θαμμένες μεταλλικές κατασκευές όπως είναι τα συστήματα γείωσης που θα μας απασχολήσουν στην παρούσα εργασία, είναι η ομοιόμορφη διάβρωση (uniform corrosion) και η διάβρωση με βελονισμούς (pitting). Ομοιόμορφη διάβρωση Σε αυτόν τον τύπο διάβρωσης το ρεύμα ρέει μεταξύ δύο σημείων του ίδιου μετάλλου προκαλώντας το σχηματισμό ενός ομοιόμορφου και περίπου ισοπαχούς στρώματος προϊόντος διάβρωσης ή μιας περίπου ομοιόμορφης διάλυσης της επιφάνειας. Σχήμα 1.9 Ομοιόμορφη διάβρωση [3] 7

16 Διάβρωση με βελονισμούς Σε αυτό το είδος διάβρωσης παρουσιάζεται εκλεκτικός τοπικός σχηματισμός προϊόντος διάβρωσης. Το είδος αυτό της διάβρωσης είναι ένα από τα πιο καταστρεπτικά είδη γιατί προκαλεί καταστροφή των υλικών λόγω διάτρησης ακόμα και για πολύ μικρό εκατοστιαίο ποσοστό απώλειας βάρους της κατασκευής. Τα περισσότερο ευπαθή μέταλλα σε αυτό το είδος Σχήμα 1.10 Διάβρωση με βελονισμούς [3] της διάβρωσης, είναι αυτά που προστατεύονται με λεπτά στρώματα οξειδίων, όπως ο χαλκός, ο ανοξείδωτος χάλυβας, το αλουμίνιο, το τιτάνιο και το μαγνήσιο. Μπορεί όμως να εμφανιστεί και στον κοινό χάλυβα, το σίδηρο, το μόλυβδο και πολλά άλλα μέταλλα. Άλλες μορφές διάβρωσης χωρίς μηχανική καταπόνηση που αναφέρονται στη βιβλιογραφία είναι η χημική διάβρωση, η διάβρωση με μηχανισμό υδρογόνου, η διάβρωση με μηχανισμό οξυγόνου και η εκλεκτική διάβρωση.[1][3] Διάβρωση από μηχανικά αίτια στο διαβρωτικό περιβάλλον Ρευστομηχανική διάβρωση διάβρωση λόγω ροής του διαβρωτικού μέσου Η διάβρωση αυτή εμφανίζεται σε μεταλλικά υλικά, όπου το διαβρωτικό περιβάλλον είναι υγρό σε κίνηση και μάλιστα σε τυρβώδη ροή (turbulent flow). Παρατηρείται συχνά σε κράματα Fe εξαιτίας της ροής με αποτέλεσμα την περαιτέρω προσβολή της επιφάνειας. Η μορφή αυτή διάβρωσης μπορεί να εμφανιστεί σε μεταλλικές σωληνώσεις νερού (νερό ύδρευσης, θέρμανσης, ψύξης, κ.α.) όπου τα προϊόντα της διάβρωσης εμπλέκονται συχνά με αποθέσεις αλάτων από το νερό ή σε μεταλλικά υλικά εκτεθειμένα στη ροή υγρών (π.χ. σε δικλείδες/ βάνες ύδρευσης). Μηχανική σπηλαιώδης διάβρωση Όπως και η ρευστομηχανική διάβρωση έτσι και η σπηλαιώδης οφείλεται σε μηχανικά αίτια. Η ορολογία της προέκυψε από τη μορφή προσβολής (σπηλαιώδης, cavitation). Συνήθως εμφανίζεται σε τουρμπίνες, έλικες πλοίων, πτερύγια αντλιών κ.λπ. Σχήμα 1.11 Σπηλαιώδης μηχανική διάβρωση [2] 8

17 Διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση Όπως υποδηλώνει ο όρος πρόκειται για διάβρωση υπό μηχανική καταπόνηση και προκύπτει από συνδυασμένη δράση χημικών ή ηλεκτροχημικών διαβρωτικών παραγόντων και μηχανικών τάσεων, που προϋπάρχουν στο υλικό ή επιβάλλονται εξωτερικά. Η έναρξη της διάβρωσης μπορεί να έχει αίτια είτε μηχανικά τα οποία στη συνέχεια προκαλούν την ηλεκτροχημική δράση είτε ηλεκτροχημικά που αρχικά επηρεάζουν τη μηχανική αντοχή του υλικού το οποίο στη συνέχεια διαβρώνεται υπό την επίδραση πρόσθετων μηχανικών τάσεων. Σχήμα 1.12 Διάβρωση με μηχανική καταπόνηση τμήματος αεροπλάνου [2] Ασχέτως μηχανισμού εμφανίζονται τελικά στο υλικό ρηγματώσεις (cracks) που αναπτύσσονται καθέτως προς τη διεύθυνση των μηχανικών τάσεων 1.5 Ηλεκτροχημική διάβρωση[1] Όπως ήδη αναφέραμε η φύση αυτού του τύπου διάβρωσης είναι κατά βάση ηλεκτροχημική και ερμηνεύεται με τη δημιουργία θέσεων διαφορετικού δυναμικού στην επιφάνεια του μετάλλου ή κράματος. Ενδιαφέρον παρουσιάζει εδώ η μελέτη των αιτίων της εμφάνισης διαφορετικού δυναμικού. Τα κυριότερα αίτια συνοψίζονται στα εξής: Διαταραχές πλέγματος ως αποτέλεσμα θερμικής ή τοπικής μηχανικής επεξεργασίας της επιφάνειας Αν μια μεταλλική επιφάνεια έχει υποστεί μερική μηχανική ή θερμική επεξεργασία, τότε παρουσία διαλύματος ηλεκτρολύτη (π.χ. NaCl) είναι δυνατόν να μετρηθεί διαφορά δυναμικού μέσω ηλεκτροδίων, όπως φαίνεται στο σχήμα 1.13, μεταξύ της θέσης που υπέστη επεξεργασία και του περιβάλλοντος της. 9

18 Σχήμα 1.13 Εμφάνιση διαφοράς δυναμικού μεταξύ δύο θέσεων του μετάλλου με διαφορετική κατεργασία[1] Ατέλειες δομής Σχήμα 1.14 (I) Ατέλειες δομής και (II) Ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα[1] Η ηλεκτροχημικής φύσεως διάβρωση μπορεί επίσης να οφείλεται σε ατέλειες δομής. Στο παραπάνω σχήμα (αριστερά) φαίνονται οι δύο κύριοι τύποι ατελειών δομής στα μέταλλα. Άτομα βρίσκονται σε παραπλεγματικές θέσεις (Α) του κρυστάλλου (interstitial atom), ενώ από τις θέσεις Β λείπουν (οπές, κενές θέσεις, vacancy). Στο σχήμα δεξιά παριστάνεται ένα ιδανικό κρυσταλλικό πλέγμα. Γνωστά οξείδια με ατέλειες δομής είναι π.χ το ZnO, το NiO και το ZrO 2. Ιδιαίτερη σημασία αποκτούν οι ατέλειες δομής σε μη στοιχειομετρικά οξείδια (pημιαγωγοί και n- ημιαγωγοί) Χημική σύσταση - Εγκλείσεις Τα περισσότερα μέταλλα ή κράματα στην πράξη δεν είναι χημικώς καθαρά αλλά περιέχουν προσμίξεις υπό μορφή ξένων μεταλλικών στοιχείων ή ενώσεων. Οι εγκλείσεις αυτές είναι δυνατόν να δράσουν ηλεκτροχημικά ως άνοδος ή κάθοδος και χαρακτηρίζονται ως τοπικά γαλβανικά στοιχεία. Αν η πρόσμιξη είναι ηλεκτροχημικά αγενέστερη (ηλεκτραρνητικότερη) τότε σχηματίζονται στην επιφάνεια του μετάλλου τοπικές άνοδοι (μικροανοδικές περιοχές) με αποτέλεσμα τη διάβρωση του βασικού μετάλλου. 10

19 Κεφάλαιο 2 Προστασία από τη διάβρωση-μέθοδοι 2.1 Μέθοδοι προστασίας από τη διάβρωση[1] Η οξείδωση των μετάλλων είναι δράση θερμοδυναμικά αυθόρμητη αλλά και συνυφασμένη με αναγωγική δράση. Επομένως, η προστασία από τη διάβρωση στοχεύει στην ανάσχεση των οξειδοαναγωγικών δράσεων στο σύστημα διάβρωσης με την καταλληλότερη μέθοδο. Η επιλογή της μεθόδου εξαρτάται από το διαβρωτικό σύστημα, τις λειτουργικές απαιτήσεις του υλικού, τον αναμενόμενο χρηστικό χρόνο ζωής του και το κόστος εφαρμογής της μεθόδου. Οι μέθοδοι προστασίας μπορούν να ομαδοποιηθούν σε τέσσερις κατηγορίες με κριτήριο το είδος επέμβασης στο σύστημα: I. Μέθοδοι επέμβασης στο ίδιο το υλικό, όπως στη χημική σύστασή του (π.χ. προσθήκη Cr στους χάλυβες - ανοξείδωτοι χάλυβες), στη μικροδομή του με θερμική επεξεργασία, στη κραματοποίηση κλπ. Επίσης με την κατάλληλη σχεδίαση του αντικειμένου και την ορθή τοποθέτησή του στο διαβρωτικό περιβάλλον, ελαττώνονται οι κίνδυνοι από τη διάβρωση (προληπτική προστασία). II. Μέθοδοι επέμβασης στο σύστημα (ενεργή προστασία ή ηλεκτροχημική προστασία) όπως π.χ. με επιβολή εξωτερικής ηλεκτρικής τάσης μέσω ανορθωτών (καθοδική προστασία σωληνώσεων στο έδαφος, μεταλλικών κατασκευών, πλοίων), με θυσιαζόμενα ηλεκτρόδια (προστασία σωληνώσεων, θερμοσιφώνων, γάστρας πλοίων). III. Μέθοδοι επέμβασης στο διαβρωτικό περιβάλλον του συστήματος όπως π.χ. με προσθήκη ουσιών που επιβραδύνουν τη διάβρωση (αναστολείς σε κυκλώματα ψύξεως, inhibitors) ή αντιστρόφως απομάκρυνση επιταχυντών (accelerators) της διάβρωσης όπως π.χ. απομάκρυνση οξυγόνου στους λέβητες με προσθήκη υδραζίνης (ΝΗ 2 ΝΗ 2 ) ή θειώδους νατρίου Na 2 SO 3. IV. Μέθοδοι επέμβασης στην επιφάνεια του υλικού (παθητική προστασία). Η κατηγορία αυτή είναι η συνηθέστερη πρακτική. Χρησιμοποιείται μεγάλη ποικιλία υλικών (πολυμερή, οξείδια, άλατα, μέταλλα, οργανικοί διαλύτες ή συνδυασμός τους) καθώς και πλήθος τρόπων εφαρμογής (μηχανικός, θερμομηχανικός, χημικός, ηλεκτροχημικός). Εδώ εντάσσονται οι οργανικές επικαλύψεις (χρώματα) που πρακτικά αποτελούν την κυριότερη μέθοδο προστασίας από τη διάβρωση. Ακόμη πρέπει να τονιστεί ότι οι μέθοδοι παθητικής προστασίας από τη διάβρωση είναι τελικά επιφανειακές επεξεργασίες των υλικών που δεν αποσκοπούν μόνο στην προστασία αλλά και τη διακόσμηση, βελτίωση άλλων επιθυμητών ιδιοτήτων ή την επίτευξη νέων ιδιοτήτων των επιφανειών όπως π.χ. στα χρώματα (αντιδιαβρωτικά, αντιρρυπαντικά, διακοσμητικά), το σμάλτο (εμαγιέ) κ.α. Παρότι οι επικαλύψεις μετάλλων αποτελούν την κυριότερη μέθοδο προστασίας από τη διάβρωση δεν είναι απόλυτα αποτελεσματικές όταν χρησιμοποιούνται ως μοναδικό μέσο προστασίας. Αποτελεσματικότερη μέθοδος θα ήταν ο συνδυασμός των επικαλύψεων μετάλλων με την καθοδική προστασία η οποία είναι μέθοδος ενεργής προστασίας και χρησιμοποιείται ευρύτατα για να προστατέψει υπόγειες μεταλλικές κατασκευές. Στην επόμενη ενότητα αναλύεται η αρχή λειτουργίας της καθοδικής προστασίας. 11

20 2.1.1 Μέθοδοι ενεργής προστασίας[1][5] Με τις μεθόδους ενεργής προστασίας, από τη σκοπιά της θερμοδυναμικής, προσφέρεται στο σύστημα ενέργεια προκειμένου να εξισορροπηθεί η ελεύθερη ενέργεια που τείνει να προκαλέσει τη διάβρωση του συστήματος. Η καθοδική προστασία που είναι η κύρια μέθοδος ενεργής προστασίας μπορεί να επιτευχθεί με δύο τρόπους: I. Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικής πηγής (impressed current) II. Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων ανόδων (sacrificial anodes) Καθοδική προστασία μέσω εξωτερικής πηγής (impressed current) Στα συστήματα αυτά χρησιμοποιούνται αδρανείς, δηλαδή μηδενικής ή χαμηλής διαλυτότητας, άνοδοι και μία εξωτερική πηγή παροχής συνεχούς ρεύματος (συνήθως ανορθώνεται το εναλλασσόμενο ρεύμα από το δίκτυο), ώστε να περάσουν ηλεκτρόνια από την άνοδο στην προστατευόμενη μεταλλική περιοχή (κάθοδος). Στις θυσιαζόμενες ανόδους, πρέπει να εμφανίζεται επαρκές αρνητικό δυναμικό έτσι ώστε να εξασφαλίζεται η ροή ρεύματος από την άνοδο στην κάθοδο και ταυτόχρονα το ρεύμα αυτό πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο, χωρίς όμως να πολώνεται πολύ η άνοδος. Οι άνοδοι με επιβαλλόμενο ρεύμα μας δίνουν τη δυνατότητα να μεταφέρουμε μεγαλύτερες τιμές ρεύματος σε σχέση με τις δυνατότητες που δίνουν οι θυσιαζόμενες άνοδοι. Στο σχήμα που ακολουθεί παρουσιάζεται μία τυπική διάταξη καθοδικής προστασίας με χρήση εξωτερικής πηγής. Σχήμα 2.1 Σύστημα καθοδικής προστασίας μέσω εξωτερικής πηγής[6] 12

21 Σχήμα 2.2 Απαιτήσεις συστήματος καθοδικής προστασίας μέσω εξωτερικής πηγής Υπάρχει μία μεγάλη ποικιλία από υλικά τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως άνοδοι. Βασικές ιδιότητες που πρέπει να έχουν τα υλικά αυτά είναι: να έχουν καλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, χαμηλό ρυθμό διάβρωσης, καλές μηχανικές ιδιότητες ώστε να μπορούν να παραλάβουν τις φορτίσεις που ενδέχεται να παρουσιαστούν κατά την τοποθέτηση και λειτουργία τους να μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν σε διάφορα σχήματα να έχουν χαμηλό κόστος να αντέχουν υψηλές εντάσεις ρεύματος χωρίς να σχηματίζουν ανθεκτικά στρώματα οξειδίων (παθητικοποίηση) Ως άνοδοι έχουν χρησιμοποιηθεί ο μαγνητίτης, διάφορα ανθρακούχα μέταλλα (όπως είναι ο γραφίτης), ο μόλυβδος και τα επιλευκοχρυσωμένα υλικά (όπως είναι το ταντάλιο και το τιτάνιο). Ο λευκόχρυσος, λόγω της υψηλής ανθεκτικότητάς του στη διάβρωση, θα ήταν ιδανικός ως υλικό ανόδου, αλλά το υψηλό του κόστος καθιστά απαγορευτική τη χρήση του. Τα συστήματα αυτά έχουν το πλεονέκτημα ότι μπορούν να παρέχουν σχετικά υψηλά ποσά ρεύματος και έτσι να προστατευτεί μεγάλο μέρος της κατασκευής από μία άνοδο, όπως επίσης και υψηλές τάσεις, έως 100V, ανάλογα με το υλικό που χρησιμοποιείται και έτσι η άνοδος μπορεί να τοποθετηθεί μακριά από την κατασκευή. Από την άλλη μεριά πρέπει να προσέξουμε να αποφευχθεί η αλληλεπίδραση με άλλες κατασκευές και να προβλεφθεί η τακτική συντήρηση και έλεγχος των συστημάτων αυτών. Τέλος, πρέπει να σημειωθεί ότι εάν δεν υπάρχει διαθέσιμη παροχή εναλλασσόμενου ρεύματος για την πηγή, είναι απαραίτητη η εύρεση εναλλακτικής πηγής ενέργειας όπως ηλιακή ή με μηχανές εσωτερικής καύσης. 13

22 Καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων ανόδων (sacrificial anodes) ή γαλβανικού τύπου Στην καθοδική προστασία μέσω θυσιαζόμενων ανόδων η προς προστασία επιφάνεια συνδέεται αγώγιμα με άνοδο από μέταλλο, όπως Mg, Zn, Al. Στην περίπτωση αυτή δημιουργείται γαλβανικό στοιχείο του οποίου η άνοδος (Mg, Zn, Al) με την πάροδο του χρόνου διαβρώνεται (εξ ου και ο όρος θυσιαζόμενη άνοδος) ενώ η μεταλλική επιφάνεια είναι κάθοδος και έτσι προστατεύεται. Ως προς τον τρόπο σύνδεσης της καθόδου με την άνοδο διακρίνουμε τις εξής δύο περιπτώσεις: I. Η σύνδεση καθόδου (προστατευόμενη επιφάνεια) και ανόδου (θυσιαζόμενο ηλεκτρόδιο) γίνεται άμεσα με επαφή των δύο μετάλλων όπως στο σχήμα 2.3. Σχήμα 2.3 Καθοδική προστασία σε σκελετό πλοίου όπου η άνοδος είναι κολλημένη πάνω στο σκαρί του πλοίου[7] II. Η σύνδεση της καθόδου (προστατευόμενη επιφάνεια) και ανόδου γίνεται μέσω μονωμένου καλωδίου, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Πρακτικά η μέθοδος εφαρμόζεται στην προστασία μεταλλικών επιφανειών στο έδαφος (π.χ. δεξαμενή, σωλήνας). Σχήμα 2.4 Καθοδική προστασία με θυσιαζόμενη άνοδο μαγνησίου 14

23 Στον πίνακα 2.1 δίνεται η σειρά ηλεκτροχημικών δυναμικών των μετάλλων που συναντούνται συχνότερα. Τα δυναμικά είναι μετρημένα σε διάλυμα άλατος ως προς ηλεκτρόδιο υδρογόνου. Μέταλλο Ιόν Volts Μαγνήσιο Mg Αλουμίνιο Al Ψευδάργυρος Zn Σίδηρος Fe Ανοξείδωτος Χάλυβας Fe Κασσίτερος Sn Μόλυβδος Pb Υδρογόνο H Χαλκός Cu Άργυρος Ag Χρυσός Au Πίνακας 2.1 Ηλεκτροχημική σειρά των στοιχείων[8] Οι δύο αυτές μέθοδοί ενεργητικής προστασίας θα αναλυθούν εκτενέστερα στο κεφάλαιο Μέθοδοι παθητικής προστασίας[1][3] Ανόργανες αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις Με τον όρο ανόργανες αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις αναφερόμαστε σε μια σειρά μεθόδων προστασίας από τη διάβρωση που περιλαμβάνουν την επιφανειακή επεξεργασία των μετάλλων. Αποτέλεσμα είναι η δημιουργία πάνω τους επιστρωμάτων άλλων φυσικών ή χημικών ιδιοτήτων. Οι κυριότερες ανόργανες επικαλύψεις είναι το βιομηχανικό σμάλτο (εμαγιέ), η φωσφάτωση και η χρωμικοποίηση Αναστολείς της διάβρωσης Οι αναστολείς της διάβρωσης είναι ουσίες οι οποίες όταν προστίθενται στο διαβρωτικό περιβάλλον ενός υλικού ελαττώνουν την ταχύτητα της διάβρωσής του. Οι αναστολείς συνήθως είναι ενεργοί σε μικρές συγκεντρώσεις και ο μηχανισμός της δράσης τους έχει διευκρινισθεί σε ορισμένες μόνο περιπτώσεις Οργανικές επικαλύψεις Η επικάλυψη (βαφή) με οργανικές ουσίες (χρώματα) είναι ιστορικά η παλαιότερη μέθοδος προστασίας και διακόσμησης επιφανειών. Τα τελευταία χρόνια παράλληλα με τις κλασσικές οργανικές επικαλύψεις, κερδίζουν έδαφος οι επικαλύψεις με κόνεις πολυμερών (powder coatings) που εξαιτίας της απουσίας οργανικών διαλυτών είναι περιβαλλοντικά αβλαβείς. Οι βελτιώσεις του τεχνολογικού επιπέδου εφαρμογής των επικαλύψεων είναι συνεχείς, ιδίως σε βιομηχανική κλίμακα (αυτοματισμοί). 15

24 Μεταλλικές επικαλύψεις ή επιμεταλλώσεις Η προστασία μέσω μεταλλικών επικαλύψεων ή επιμεταλλώσεων επιτυγχάνεται με σχετικά λεπτές στιβάδες (στην περίπτωση των ηλεκτροχημικών επιμεταλλώσεων 8-10 μm) που εφαρμόζονται στην επιφάνεια με διάφορους μεθόδους. Ως πλεονεκτήματα των μεταλλικών επικαλύψεων μπορούν να θεωρηθούν: η σημαντική αντιδιαβρωτική ικανότητα η υψηλή μηχανική αντοχή και η καλή αισθητικά εμφάνιση της επιφάνειας. Ως μειονεκτήματα μπορούν να αναφερθούν τα εξής: είναι εξαιρετικά δυσχερής η επίτευξη μεταλλικών επικαλύψεων χωρίς ελαττώματα, πόρους, ασυνέχεια, κ.α. στην περίπτωση των γαλβανικών επιμεταλλώσεων συχνά εκλύεται υδρογόνο το οποίο μπορεί να προκαλέσει ρωγμές στην επικάλυψη, υψηλές εφελκυστικές και θλιπτικές τάσεις αναπτύσσονται στις επικαλύψεις που επίσης μπορούν να προκαλέσουν ρωγμές και Παρόλα αυτά η εφαρμογή των μεταλλικών επικαλύψεων είναι ευρύτατη. Οι σημαντικότερες επιμεταλλώσεις είναι οι εξής: Σχήμα 2.5 Μεταλλικές επικαλύψεις 16

25 Κεφάλαιο 3 Συστήματα γείωσης 3.1 Γενικά [9] Ένας σύντομος και περιεκτικός ορισμός της γείωσης δίνεται στο βιβλίο του Καθηγητή Α.Π.Θ. Π. Ντοκόπουλου [9] όπου αναφέρεται: Γείωση είναι η ένωση ενός σημείου ενός κυκλώματος ή ενός ξένου προς το κύκλωμα μεταλλικού αντικειμένου με μια εγκατάσταση γείωσης. Εγκατάσταση γείωσης είναι ένα ή περισσότερα συνδεδεμένα ηλεκτρόδια γείωσης. Η γείωση μπορεί να είναι συνεχής ή να διακόπτεται παρεμβάλλοντας ένα διάκενο σπινθηριστή, οπότε μιλάμε για ανοιχτή γείωση. Η τελευταία συναντάται, όχι όμως κατά κανόνα, σε εγκαταστάσεις αλεξικέραυνων. Υπάρχουν τριών ειδών γειώσεις, ανάλογα με τη χρήση τους, οι οποίες αναφέρονται παρακάτω. 1. Γείωση λειτουργίας είναι η γείωση ενός σημείου ενός ενεργού κυκλώματος, π.χ. η γείωση του ουδετέρου ενός ΜΣ και η γείωση του ουδέτερου αγωγού του συστήματος. 2. Γείωση προστασίας είναι η γείωση ενός μεταλλικού μέρους που δεν είναι στοιχείο ενεργού κυκλώματος, π.χ. η γείωση κελύφους μιας ηλεκτρικής συσκευής. Η γείωση προστασίας μειώνει τις τάσεις επαφής. Είναι δε πάντα συνεχής, δηλαδή δεν παρεμβάλλονται αντιστάσεις ή διάκενα. Παράδειγμα είναι επίσης οι γειώσεις των μεταλλικών μερών ενός ΥΣ μέσης τάσης. 3. Γείωση του συστήματος της αντικεραυνικής προστασίας είναι η ανοικτή ή συνεχής γείωση του συστήματος αντικεραυνικής προστασίας. Αυτές οι γειώσεις διοχετεύουν το ρεύμα των κεραυνών προς τη γη. Ανοικτές γειώσεις μειώνουν την ηλεκτροχημική διάβρωση. Τα τρία είδη γειώσεων συνυπάρχουν συνήθως στις εγκαταστάσεις. Μπορεί τα δίκτυα γειώσεων που χρησιμοποιούνται να είναι ταυτόσημα, δηλαδή κοινά(ή με κοινά ηλεκτρόδια γείωσης) και για τα τρία παραπάνω είδη γειώσεων. Προτείνεται να γίνεται κάθε προσπάθεια, τα παραπάνω τρία είδη γειώσεων να απολήξουν στο ίδιο ηλεκτρόδιο ή στην ίδια εγκατάσταση γείωσης σε ένα κτίριο (όχι υποσταθμό). 3.2 Ηλεκτρόδιο γείωσης[9] Ηλεκτρόδιο γείωσης είναι ένα αγώγιμο σώμα ή ένα σύνολο αγώγιμων σωμάτων συνδεδεμένων μεταξύ τους που σχηματίζουν οποιοδήποτε γεωμετρικό σχήμα σε άμεση επαφή με τη γη ή μέσω υλικού κατάλληλης αγωγιμότητας π.χ. κηπευτικό χώμα, σκυρόδεμα βελτιώνοντας την ηλεκτρική σύνδεση με αυτήν. 17

26 3.2.1 Είδη ηλεκτροδίων γείωσης Οι πιο συνηθισμένοι τύποι ηλεκτροδίων γείωσης είναι γειωτής ράβδου, γειωτής ταινίας, γειωτής πλάκας, ακτινικός γειωτής, γειωτής πλέγματος καθώς και φυσικά ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται για το σκοπό της γείωσης. Οι μορφές των παραπάνω τύπων γειωτών φαίνονται στην επόμενη εικόνα. Σχήμα 3.1 Ηλεκτρόδια γειωτών [9] 18

27 Γειωτής ράβδου Αυτός ο γειωτής είναι ένας σωλήνας ονομαστικής διαμέτρου μεγαλύτερης της μιας ίντσας ή μία ράβδος στρόγγυλη ή προφίλ από γαλβανισμένο χάλυβα. Η ράβδος καρφώνεται κατακόρυφα ή λοξά και η αντίστασή της είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη του βάθους. Η αντίστασή της όμως δεν εξαρτάται σημαντικά από το πάχος ή τη διάμετρο της ράβδου. Σχήμα 3.2 Γειωτής ράβδου[10] Γειωτής ταινίας Ταινία ή συρματόσχοινο τοποθετείται σε χαντάκι βάθους m, για να υπάρχει υγρό έδαφος. Η ταινία μπορεί να είναι χάλυβας γαλβανισμένος, ή επιμολυβδωμένος ή επιχαλκωμένος διαστάσεων 40x4 mm. Χρησιμοποιούνται επίσης χάλκινες ταινίες. Η ταινία μπορεί να τοποθετηθεί ευθύγραμμα ή κυκλικά γύρω από την εγκατάσταση. Η τελευταία γείωση λέγεται γειωτής βρόχου. Η αντίσταση είναι περίπου αντιστρόφως ανάλογη του μήκους και για το ίδιο μήκος ταινίας ο ευθύγραμμος Σχήμα 3.3 Γειωτής ταινίας[11] γειωτής έχει μικρότερη αντίσταση από τον κυκλικό. Μια περίπτωση του γειωτή ταινίας είναι η θεμελιακή γείωση η οποία θα εξεταστεί στην επόμενη παράγραφο. Γειωτής πλάκας Πλάκα μορφής παραλληλογράμμου, π.χ. 0.5x0.5m, ενταφιάζεται στο έδαφος με την επιφάνειά της κατακόρυφη. Το πάνω μέρος της βρίσκεται σε βάθος μεγαλύτερο του 1m. Το υλικό κατασκευής μπορεί να είναι γαλβανισμένος, επιχαλκωμένος ή επιμολυβδωμένος χάλυβας με πάχος μεγαλύτερο των 3mm ή χαλκός ή μόλυβδος με πάχος μεγαλύτερο των 2mm. Σχήμα 3.4 Γειωτής πλάκας[12] 19

28 Γειωτής ακτινικός Ταινίες ή ράβδοι διαμορφώνονται υπό μορφή αστέρα με πολλές ακτίνες. Ο αστέρας βρίσκεται σε οριζόντια θέση, ενταφιασμένος σε βάθος τουλάχιστον 0.8m. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται είναι όμοια όπως στον γειωτή ταινίας. Σχήμα 3.5 Γειωτής ακτινικός [12] Γειωτής πλέγματος Πλέγμα από ταινίες ή αγωγός κυκλικής ή άλλης διατομής με τετραγωνικά ανοίγματα πλάτους m τοποθετείται οριζόντια σε βάθος m. Το πλεονέκτημα των γειωτών πλέγματος είναι ότι, οι βηματικές τάσεις στο έδαφος, επάνω από το πλέγμα, είναι αμελητέες. Προφανώς, ανοίγματα μεγαλύτερα από 0.7m έχουν μεγαλύτερες βηματικές τάσεις από ανοίγματα 0.5m Σχήμα 3.6 Γειωτής πλέγματος[13] Οι γειωτές ανάλογα με το βάθος τους διακρίνονται σε: επιφανειακούς γειωτές, π.χ. γειωτές ταινίας, πλέγματος και ακτινικούς γειωτές, βαθείς γειωτές, π.χ. γειωτές ράβδου Στους βαθείς γειωτές η αντίσταση μεταβάλλεται λιγότερο με το χρόνο απ ότι στους επιφανειακούς, επειδή η θερμοκρασία και η υγρασία του εδάφους δεν μεταβάλλονται πολύ σε μεγάλα βάθη Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης[14] Σύμφωνα με το πρότυπο της IEC :2010 το οποίο έχει εγκριθεί και από τον ΕΛΟΤ για συστήματα γείωσης που καταλήγουν στη γη υπάρχουν δύο βασικοί τύποι διατάξεων ηλεκτροδίων γείωσης. 20

29 Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Α Η διάταξη αυτού του τύπου περιλαμβάνει ακτινικά οριζόντια ή κατακόρυφα / κεκλιμένα ηλεκτρόδια γείωσης. Το ελάχιστο μήκος κάθε ηλεκτροδίου καθορίζεται ως l 1 για ακτινικά οριζόντια ηλεκτρόδια, ή 0.5l 1 για κατακόρυφα ή κεκλιμένα ηλεκτρόδια, όπου l 1 είναι το ελάχιστο μήκος ακτινικού ηλεκτροδίου όπως ορίζεται από το σχήμα 3.7. Ωστόσο, τα μήκη αυτά μπορούν να μη ληφθούν υπόψη υπό την προϋπόθεση ότι επιτυγχάνεται αντίσταση γείωσης μικρότερη από 10Ω. Στην περίπτωση συνδυασμού πολλών ηλεκτροδίων γείωσης λαμβάνεται υπόψη το συνολικό μήκος τους. Σχήμα 3.7 Ελάχιστο μήκος ηλεκτροδίου l 1 σύμφωνα με τη στάθμη της αντικεραυνικής προστασίας [14] Τα ακτινικά ηλεκτρόδια γείωσης πρέπει να ενταφιάζονται σε βάθος όχι μικρότερο από 0.5m. Το βάθος αυτό του ενταφιασμού ελαχιστοποιεί τις επιδράσεις της διάβρωσης, ξήρανσης ή παγώματος του εδάφους εξασφαλίζοντας σχετικά σταθερή ισοδύναμη ειδική αντίσταση του εδάφους και ανεξάρτητη από την εποχή του έτους. Επιπλέον, το μεγαλύτερο βάθος ενταφιασμού οδηγεί σε μικρότερη ανύψωση του δυναμικού του εδάφους σε περίπτωση πλήγματος κεραυνού και επομένως περιορίζει τις επικίνδυνες επιδράσεις του κεραυνού λόγω υψηλών τιμών τάσεις επαφής και βηματικής τάσης. Για τους λόγους αυτούς γενικότερα προτιμώνται τα κάθετα ηλεκτρόδια Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Β Η διάταξη αυτού του τύπου αποτελείται από ένα περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου, εξωτερικά της κατασκευής με τουλάχιστον το 80% του μήκους του σε επαφή με το έδαφος ή από ένα ηλεκτρόδιο θεμελιακής γείωσης. Το περιμετρικό ηλεκτρόδιο γείωσης τύπου δακτυλίου πρέπει, κατά προτίμηση να ενταφιάζεται σε βάθος τουλάχιστον 0.5m και σε απόσταση τουλάχιστον 1m από τους 21

30 εξωτερικούς τοίχους της κατασκευής. Η αποτελεσματικότητα του συστήματος γείωσης μειώνεται όταν τμήμα του μήκους του ηλεκτροδίου γείωσης κατανέμεται εκτός εδάφους. Η μέση ακτίνα r e της περιοχής που περικλείεται από το ηλεκτρόδιο γείωσης (περιμετρικό τύπου δακτυλίου ή θεμελιακής γείωσης) δεν πρέπει να είναι μικρότερη από την τιμή l 1 που ορίζεται από το σχήμα 3.7. Εάν η απαίτηση αυτή δεν ικανοποιείται πρέπει να εγκατασταθούν επιπρόσθετα ακτινικά ή κατακόρυφα (ή κεκλιμένα) ηλεκτρόδια, τουλάχιστον δύο και όχι λιγότερα από τον αριθμό των αγωγών καθόδου, που τα μήκη τους, l r και l v αντίστοιχα δίνονται από τις σχέσεις: ( ) l = l r (1) και l = 0.5 l r (2) r 1 e v 1 e Η διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου Β συνιστάται στις περιπτώσεις όπου ο ενταφιασμός των ηλεκτροδίων είναι πρακτικά δύσκολος έως αδύνατος όπως στην περίπτωση απογυμνωμένου συμπαγή βράχου. Επίσης, σε κατασκευές με εκτεταμένα ηλεκτρονικά συστήματα ή κατασκευές με υψηλό κίνδυνο πυρκαγιάς, είναι προτιμότερη η διάταξη ηλεκτροδίων τύπου Β. Σε πολλές περιπτώσεις μπορεί να απαιτηθεί ο συνδυασμός των δύο διατάξεων ηλεκτροδίων γείωσης Διάταξη ηλεκτροδίων γείωσης τύπου πλέγματος Σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις που κατά κανόνα συμπεριλαμβάνουν πολλές γειτονικές κατασκευές είναι σημαντικό οι διατάξεις ηλεκτροδίων γείωσης των επιμέρους κατασκευών να αλληλοσυνδέονται σχηματίζοντας ένα σύστημα τύπου πλέγματος. Το πλέγμα των αγωγών γείωσης, χωρίς ανοίγματα μεγαλύτερα από 10x20m, πρέπει να επεκτείνεται στα εξωτερικά όρια της βιομηχανικής εγκατάστασης. Το σύστημα γείωσης πλέγματος εξασφαλίζει χαμηλή τιμή αντίστασης γείωσης και περιορίζει δραστικά τις επικίνδυνες επιδράσεις από κεραυνικά πλήγματα ή διακοπτικά σφάλματα τα οποία δημιουργούν υψηλές τιμές τάσης επαφής και βηματικής τάσης Φυσικά ηλεκτρόδια γείωσης Ο ενδοσυνδεδεμένος χαλύβδινος οπλισμός του σκυροδέματος των θεμελίων, η πλάκα θεμελίωσης και οι εξωτερικοί τοίχοι που βρίσκονται κάτω από το έδαφος και περιέχουν χαλύβδινο οπλισμό αποτελούν ένα εξαιρετικό ηλεκτρόδιο γείωσης. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται μία πολύ καλή γείωση με ελάχιστο κόστος. Στην περίπτωση που χρησιμοποιείται ο οπλισμός του σκυροδέματος των θεμελίων ως ηλεκτρόδιο γείωσης πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις ενδοσυνδέσεις του ώστε να αποφεύγεται θραύση του σκυροδέματος κατά τη διέλευση του ρεύματος κεραυνού. Εκτός από τoν οπλισμό των θεμελίων, επιτρέπεται χωρίς ιδιαίτερη άδεια, η χρησιμοποίηση μεταλλικών δικτύων ύδρευσης ως γειωτών για εγκαταστάσεις με τάσεις ως προς γη μικρότερες των 250V, εφόσον υπάρχει απλή συγκατάθεση του Οργανισμού Ύδρευσης. Πάνω από αυτές τις τάσεις χρειάζεται ειδική άδεια από τον Οργανισμό Ύδρευσης. Η γραμμή γείωσης συνδέεται κατά προτίμηση πριν από το μετρητή. Αν η σύνδεση γίνει μετά το μετρητή, πρέπει να βραχυκυκλωθεί μονίμως ο μετρητής. 22

31 3.3 Θεμελιακή γείωση[9][15] Η θεμελιακή γείωση είναι ένα αγώγιμο σώμα θαμμένο στο έδαφος κάτω από τα θεμέλια ενός κτιρίου ή προτιμότερο, εγκιβωτισμένο στο σκυρόδεμα της θεμελίωσης του κτιρίου, σε μορφή κλειστού δακτυλίου. (Ορισμός ευρωπαϊκού Προτύπου HD ) Με βάση την Υπουργική απόφαση που δημοσιεύτηκε στο δεύτερο τεύχος της Εφημερίδας της Κυβέρνησης, αριθμός φύλλου 470, της 5 ης Μαρτίου 2004 και τίθεται σε πλήρη ισχύ από το Μάρτιο του 2006 το Πρότυπο ΕΛΟΤ HD 384, προβλέπεται η θεμελιακή γείωση ως βασική γείωση προστασίας και λειτουργίας σε όλες τις νέες ανεγειρόμενες οικοδομές. Η πλέον γνωστή μέχρι σήμερα γείωση αποτελείται από ένα ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία κατασκευασμένα από χαλκό ή χάλυβα θερμά επιψευδαργυρωμένο ή ανοξείδωτο χάλυβα, διαφόρων τύπων και διαστάσεων όπως ράβδοι, γυμνοί αγωγοί, πλάκες, τα οποία συνδέονται αγώγιμα μεταξύ τους. Οι κατασκευές αυτές ή κοινώς ηλεκτρόδια γείωσης, μπήγονται ή θάβονται στη γη σχηματίζοντας οποιοδήποτε κανονικό ή ακανόνιστο γεωμετρικό σχήμα όπως τρίγωνο, πολύγωνο, δακτύλιο, έψιλον κλπ. Προκειμένου να αποκτήσουν την καλύτερη αγώγιμη σύνδεση τους με τη γη, επιδιώκεται η τοποθέτηση να γίνεται σε μαλακά εδάφη καλής αγωγιμότητας ή αν αυτό δεν είναι δυνατό, να περιβάλλονται με φυσικά βελτιωτικά υλικά, όπως π.χ. χώμα χουμώδες ή με βιομηχανοποιημένα βελτιωτικά υλικά με πρόσθετες ιδιότητες που δεν έχουν τα φυσικά ή ακόμη, όσο και αν φαινόταν πριν από μερικά χρόνια παράξενο, με σκυρόδεμα, εγκιβωτίζοντας το ηλεκτρόδιο γείωσης στη θεμελίωση του κτιρίου. Η θεμελιακή γείωση, όπως λέει και η ονομασία της, κατασκευάζεται στα θεμέλια του κτιρίου και κυρίως στις περιμετρικές πεδιλοδοκούς. Για το λόγο αυτό ο σχεδιασμός της πρέπει να γίνεται στη φάση μελέτης του και πριν αρχίσουν οι οικοδομικές εργασίες, ενώ κατασκευάζεται παράλληλα με αυτές.συνηθέστερα το ηλεκτρόδιο της θεμελιακής γείωσης είναι αγωγός ορθογωνικής διατομής (ταινία) χαλύβδινος, θερμά επιψευδαργυρωμένος ή χαλκός, ελαχίστων διαστάσεων 30x3mm και 30x2mm, Σχήμα 3.8 Θεμελιακή γείωση [16] αντίστοιχα. Παρά τις αρχικές επιφυλάξεις ως προς τη νέα μορφή γείωσης, η θεμελιακή γείωση έχει όλες τις ιδιότητες μιας ιδανικής γείωσης καθώς συνδέεται ηλεκτρικά με τον οπλισμό του κτιρίου, αποκτώντας τιμή αντίστασης σχεδόν πάντοτε μικρότερη από την τιμή οποιουδήποτε άλλου τύπου γείωσης. 23

32 Η ύπαρξη και η συνεχής λειτουργία της θεμελιακής γείωσης είναι εγγυημένη όσο και η ύπαρξη του κτιρίου, παρουσιάζοντας παράλληλα τα εξής πλεονεκτήματα: Έχει σχεδόν πάντοτε χαμηλή τιμή αντίστασης, μικρότερη έναντι οποιουδήποτε άλλου τύπου γείωσης, γιατί, καθώς συνδέεται ηλεκτρικά με τον οπλισμό του κτιρίου, προστίθεται στο όλο μήκος της το συνολικό μήκος του οπλισμού και διότι εγκαθίσταται σε σχετικά μεγάλο βάθος, όπου η συγκέντρωση υγρασίας στο υπέδαφος είναι μεγαλύτερη αποκτώντας έτσι όλες τις ιδιότητες μίας ιδανικής γείωσης. Παρουσιάζει σταθερή τιμή αντίστασης καθ όλη τη διάρκεια του έτους διότι λόγω του βάθους που εγκαθίσταται, η συγκέντρωση υγρασίας του υπεδάφους στις διάφορες εποχές του έτους είναι σχεδόν σταθερή. Ο εγκιβωτισμός της μέσα στο παχύ σκυρόδεμα της θεμελίωσης της παρέχει πλήρη μηχανική προστασία. Λόγω της μικρής αντίστασης που έχει και λόγω του βάθους που βρίσκεται, οι τυχόν βηματικές τάσεις που αναπτύσσονται εκτός του κτιρίου είναι συνήθως σε τιμές μικρότερες από τις μέγιστες αποδεκτές, χωρίς την ανάγκη λήψης πρόσθετων μέτρων που απαιτούν οι άλλες μορφές γειώσεων, ενώ στο εσωτερικό η εξάλειψή τους είναι πλήρης, λόγω της διασύνδεσης της με τον οπλισμό. Η έκτασή της στη θεμελίωση του κτιρίου περιμετρικά και εγκάρσια, καθιστούν την προστασία από τάσεις επαφής εύκολη υπόθεση καθώς οι δημιουργούμενες ισοδυναμικές επιφάνειες δεν επιτρέπουν την ανάπτυξη επικίνδυνων τάσεων σε μηχανήματα και μεταλλικές εγκαταστάσεις που βρίσκονται στους χώρους αυτούς. Είναι εύκολή η πρόβλεψη αναμονών για την πραγματοποίηση των ισοδυναμικών συνδέσεων των μεταλλικών μερών και στοιχείων του κτιρίου σε οποιαδήποτε θέση και αν βρίσκονται όπως π.χ. είσοδοι κοινωφελών δικτύων, μηχανοστασίων, οδηγών ανελκυστήρων, λουτρών, κέντρων ΣΕΠ, ειδικών νοσοκομειακών χώρων κλπ. Παρουσιάζει ευελιξία έναντι άλλων τύπων γειώσεων καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί παράλληλα και για γείωση Συστήματος Αντικεραυνικής Προστασίας (ΣΑΠ) μειώνοντας σημαντικά το κόστος της σε μελλοντική εγκατάστασή της. Το κόστος της είναι χαμηλότερο από εκείνο άλλων τύπων γειώσεων που παρέχουν το ίδιο με τη θεμελιακή γείωση αποτέλεσμα, χωρίς να ληφθεί υπόψη η παράμετρος της διαχρονικότητάς της. Για την εγκατάστασή της δεν απαιτείται ιδιαίτερος χώρος ούτε επί πλέον χωματουργικές εργασίες όπως οι άλλοι τύποι γειώσεων Με πρόβλεψη αναμονών στη στάθμη του περιβάλλοντος χώρου είναι δυνατή η σύνδεσή της με πρόσθετα ηλεκτρόδια γείωσης εφ όσον καταστεί αναγκαία η βελτίωσή της. 3.4 Αντίσταση γείωσης[9][14][15][17] Η αντίσταση γείωσης ορίζεται ως η αντίσταση από το γειωτή έως την άπειρη γη. Άπειρη γη θεωρείται ένα σημείο του εδάφους, σε άπειρη απόσταση από το γειωτή, το οποίο έχει δυναμικό μηδέν. Στο σχήμα 3.9 εικονίζεται η μεταβολή του δυναμικού στο έδαφος V, όταν στο γειωτή εφαρμοστεί μια τάση V G ως προς την άπειρη γη. Το δυναμικό μειώνεται όσο απομακρυνόμαστε από το γειωτή και θεωρείται αμελητέο σε απόσταση 10πλάσια από τη μεγαλύτερη διάσταση του γειωτή l G(max). Η απόσταση αυτή θεωρείται στις πρακτικές εφαρμογές ως η άπειρη γη. 24

33 Από το σχήμα 3.9 ορίζεται η τάση επαφής, ως η πτώση τάσης κατά μήκος 1m του εδάφους δίπλα στο γειωτή, ενώ η βηματική τάση είναι η πτώση τάσης κατά μήκος 1m του εδάφους. Σχήμα 3.9 Δυναμικό γύρω από το γειωτή [12] Υπολογισμός αντίστασης γείωσης Ένα καλό σύστημα γείωσης πρέπει να παρέχει χαμηλή αντίσταση έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η ανύψωση δυναμικού γης (GPR). Στις περισσότερες περιπτώσεις όπως π.χ. σε μεγάλους υποσταθμούς η αντίσταση γείωσης είναι συνήθως 1Ω ή λιγότερο. Σε μικρότερες κατασκευές επιδιώκεται συνήθως μία τιμή από 1 Ω έως 5 Ω. Η εκτίμηση της αντίστασης γείωσης είναι ένα από τα πρώτα βήματα για να καθοριστεί το μέγεθος και η βασική διάταξη του συστήματος γείωσης. Η αντίσταση εξαρτάται πρωτίστως από την έκταση που καταλαμβάνεται από το σύστημα γείωσης, η οποία είναι συνήθως γνωστή στα πρώτα στάδια σχεδίασης. Σε μία πρώτη προσέγγιση, η ελάχιστη τιμή για την αντίσταση γείωσης ενός συστήματος γείωσης υποσταθμού σε ομοιόμορφο μοντέλο εδάφους εκτιμάται από τον τύπο: R g ρ = 4 π Α ( 3) όπου R g ρ A είναι ηαντίσταση γείωσης σε Ω είναι η ειδική αντίσταση του εδάφους σε Ωm είναι η περιοχή που είναι κατειλλημένη από πλέγμα γείωσης σε m 2 25

34 Ένα άνω όριο της αντίστασης γείωσης του συστήματος μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο (4) ο οποίος λαμβάνει υπόψη το συνολικό μήκος θαμμένου αγωγού L T. Στην περίπτωση που υπάρχει συνδυασμός οριζόντιων αγωγών και ράβδων γείωσης, ο τύπος δίνει ένα ελαφρώς συντηρητικό αποτέλεσμα επειδή οι ράβδοι γείωσης είναι συνήθως πιο αποτελεσματικές ανά μονάδα μήκους. R g = ρ + 1+ LT 20A h A (4) όπου L h T είναι το συνολικό μήκος των θαμμένων αγωγών σε m είναι το βάθος του πλέγματος σε m O Schwartz [18] ανέπτυξε μια σειρά εξισώσεων οι οποίες καθορίζουν τη συνολική αντίσταση ενός συστήματος γείωσης σε ομοιόμορφο μοντέλο εδάφους που αποτελείται από οριζόντιους (πλέγμα) και κάθετους (ράβδοι) αγωγούς γείωσης. Υπολογίζοντας πρώτα την αντίσταση πλέγματος R 1, την αντίσταση ράβδων R 2 και την αμοιβαία αντίσταση γείωσης μεταξύ τους R m, υπολογίζεται έπειτα η συνολική αντίσταση συστήματος γείωσης R g. R g = RR R 2 m R + R 2R m (5) όπου R R R 1 2 m είναι η αντίσταση γείωσης του πλέγματος σε Ω είναι η αντίσταση γείωσης όλων των ράβδων σε Ω είναι η αμοιβαία αντίσταση γείωσης μεταξύ αγωγών του πλέγματος και των ράβδων σε Ω Η αντίσταση γείωσης του πλέγματος R 1 δίνεται από τον τύπο: ρ 2Lc k L 1 c R = ln + k 1 2 π L a' A c (6) 26