651ebook PL

Układy uziomowe Podstawowe zagadnienia

konstrukcyjne

Uziemienia i EMC

Uziem

ienia i EM

C

6.5.1

Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da

Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org.

Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM)Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe

i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi się rozwojem miedzi na całym świecie.

Europejski Instytut Miedzi (ECI)Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu

1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań Miedzi) powstałemu w 1961 roku.

Zrzeczenie się odpowiedzialnościNiniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej odpowiedzialności.

Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji.

Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi.

Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła.

Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania:

Politechnika Wrocławska Akademia Górniczo-Hutnicza Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska Medcom Sp. z o.o.

Uziemienia i EMCUkłady uziomowe Podstawowe zagadniania konstrukcyjne

Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz i Dr inż. Antoni Klajn Politechnika Wrocławska

Lipiec 2004

1

Uziemienia i EMC

Układy uziomowe Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne

WstępPodstawowe informacje na temat właściwości uziemień podano w Zeszycie 6.3.1 Uziemienia - Podstawy obliczeń i pro-jektowania. Niniejszy Zeszyt dotyczy praktycznych zagadnień związanych z obliczeniami i projektowaniem oraz podaje wytyczne do projektowania. Głównymi zagadnieniami, rozważanymi tutaj, są:

! rezystancja uziemienia dla różnych konstrukcji uziomów

! materiały stosowane do budowy uziomów

! korozja uziomów.

W Zeszycie 6.3.1 podano podstawowe deÞ nicje i wzory do obliczania rezystancji uziemienia i rozkładu potencja-łu dla uziomu półkulistego. Podobne metody umożliwiają sformułowanie zależności również dla innych konÞ gu-racji uziomów. Wszystkie te wzory są jednak wyprowadzone przy założeniu, że grunt jest nieograniczony, a jego struktura jest jednorodna, co na ogół odbiega od warunków rzeczywistych. Ponadto, rezystywność gruntu ρ zmie-nia się z jego wilgotnością, a zatem - wraz z porami roku. Z tego powodu wartość rezystancji uziemienia, wyliczo-na z podanych wzorów, nie może być uważana za dokładną. Zwykle w praktyce nie jest wymagana duża dokład-ność obliczeń oraz pomiarów rezystancji uziemienia. Parametr ten ma bowiem tylko pośredni wpływ na działanie sieci i urządzeń elektrycznych, jak również na ochronę przed porażeniem elektrycznym. Obecne normy i wytyczne w większości krajów nie precyzują największych dopuszczalnych wartości rezystancji uziemienia, zalecając zwykle najniższe możliwe wartości [1]. Wartości rezystancji uziemienia, obliczone z podanych niżej wzorów należy zatem traktować jako przybliżone, a niedokładność w granicach ±30% uważać za akceptowalną. Z tego powodu, wypro-wadzanie dokładnych zależności dla celów praktycznych nie jest uzasadnione, szczególnie dla uziomów kratowych i złożonych układów uziomowych.

Zaletą analizy przeprowadzonej dla uziomów o prostej konstrukcji, jest jasne zobrazowanie podstawowych zależności pomiędzy rezystancją uziomu a jego geometrią i warunkami ułożenia. Jest oczywiste, że przy projektowaniu uziomów należy stosować możliwie najbardziej dokładne zależności, choć w praktyce najdokładniejszą informację o rezystancji uziemienia daje pomiar w warunkach rzeczywistych.

W opracowaniu przedstawiono informacje dotyczące obliczania rezystancji uziemienia i rozkładu potencjału na po-wierzchni gruntu, dla kilku typowych uziomów. Konstrukcje te, to:

! uziomy poziome prostoliniowe - wykonane z taśmy lub drutu ułożone poziomo, o kształcie prostego odcinka lub pierścienia

! uziomy pionowe - o długości wystarczającej na przeniknięcie przez warstwy gruntu o różnej konduktywności; są szczególnie przydatne jeżeli płytkie warstwy gruntu mają dużą rezystywność w porównaniu z warstwami głęb-szymi, lub, gdy teren do budowy uziomu jest ograniczony

! uziomy kratowe - zwykle wykonane jako wielooczkowa krata, ułożona poziomo w ziemi na niewielkiej głębo-kości

! ekrany i osłony kabli elektroenergetycznych wykorzystywane jako uziomy kable, których nieosłonięta metalo-wa powłoka, ekran lub pancerz, zapewniają połączenie z ziemią o rezystancji podobnej do rezystancji uziomów poziomych

! uziomy fundamentowe są to metalowe części umieszczone w betonie fundamentu, który jest zagłębiony w zie-mi i ma z nią styczność na dużej powierzchni.

2

Układy uziomowe - Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne

Funkcje układów uziomowych i podstawowe wymagania W zależności od zadania, jakie mają spełniać, uziemienia dzieli się na:

! uziemienie ochronne

! uziemienie robocze

! uziemienie odgromowe.

Uziemienie ochronne jest środkiem ochrony przeciwporażeniowej dodatkowej, polegającym na połączeniu obudowy chronionych urządzeń oraz dostępnych innych części przewodzących z uziomem. Zadaniem uziemienia ochronnego jest ograniczenie napięć, jakie mogą wystąpić przy przepływie przez uziom prądu uziomowego IE do wartości nie stanowią-cych zagrożenia porażeniowego dla ludzi i zwierząt. Napięcie uziomowe UE, przy spodziewanym prądzie uziomowym IE nie powinno przekroczyć wartości granicznej dopuszczalnej, w danych warunkach, napięcia dotykowego UF :

UE ≤ UF (1)

zatem największa, dopuszczalna wartość rezystancji uziemienia wynosi:

RU

I

F

E

= (2)

gdzie IE jest prądem uziomowym, w najbardziej niekorzystnych warunkach.

W instalacjach przemysłowych, podobnie jak w podstacjach elektroenergetycznych, systemy uziemiające sieci niskie-go i wysokiego napięcia są często wspólne z powodu ograniczonej dostępnej powierzchni gruntu. W instalacjach typu IT uziemienie ochronne powinno być wspólne z uziemieniem ochronnym sieci wysokiego napięcia, niezależnie od sposobu uziemienia punktu neutralnego (tzn. sieć z izolowanym punktem neutralnym lub skompensowana).

Uziemienie robocze oznacza połączenie określonych punktów sieci elektrycznej z systemem uziemiającym, w celu za-pewnienia prawidłowej pracy sieci. Typowym przykładem jest uziemienie punktu neutralnego uzwojeń niskiego napię-cia transformatora.

Uziemienie odgromowe służy do odprowadzenia do ziemi ładunku elektrycznego wyładowania atmosferycznego. Prąd wyła-dowania atmosferycznego może osiągać bardzo dużą wartość szczytową ip, nawet do 100 200 kA, przy stromościach narasta-nia 100-200 kA/µs i powodować bardzo wysokie wartości potencjału uziomu UE, który można obliczyć z poniższego wzoru:

U Ldi

dti RE

p

p p=

+

2

2( ) (3)

gdzie:

L - indukcyjność uziomu i przewodów instalacji odgromowej

Rp - rezystancja udarowa uziomu.

W zależności od wartości prądu wyładowania atmosferycznego i od właściwości układu uziomowego, potencjał UE może osiągać bardzo wysokie wartości - do kilkuset kV lub nawet do kilku tysięcy kV. Ponieważ wartości te znacznie przewyż-szają napięcie pracy sieci, wyładowania atmosferyczne często powodują wyładowania wtórne lub przepięcia indukowa-ne w sieci. Ochrona sieci i instalacji przed wyładowaniami atmosferycznymi wymaga zatem stosowania urządzeń ogra-niczających przepięcia (iskierniki, odgromniki i ograniczniki przepięć).

Rezystancja i rozkład potencjału na powierzchni gruntu dla typowych konstrukcji uziomów Uziomy poziome prostoliniowe, to metalowe pręty, taśmy lub rury, umieszczone poziomo pod powierzchnią grun-tu na głębokości t, (rys. 1). Długość tych elementów l, jest zwykle znacznie większa od t. Przy tym założeniu, roz-kład potencjału uziomowego na powierzchni gruntu, w kierunku prostopadłym do długości l, jest opisany następu-jącym wzorem:

3


UI

l

l t x

l t xx

E=+ + +

+ + −

ρ

π2

4 4

4 4 1

2 2 2

2 2 2ln

1 (4)

gdzie:

Ux potencjał na powierzchni gruntu [V]

UE napięcie uziomowe [V] przy prądzie uziomowym IE [A]

ρ rezystywność gruntu [Ωm]

l długość uziomu [m]

Pozostałe symbole są objaśnione na rysunku 1.

Względna wartość potencjału Ux* jest określona przez:

UU

Ux

x

E

*= (4a)

gdzie:

Ux* - względna wartość potencjału na powierzchni gruntu.

Na rysunku 1 pokazano rozkład potencjału na powierzchni gruntu, dla wybranych wymiarów uziomu, zgodnie ze wzo-rami (4) i (4a).

Rezystancję uziemienia dla prostego uziomu poziomego o długości l i średnicy d umieszczonego w ziemi, można obli-czyć z następującego wzoru:

RU

I l

l

td

E

E

= =ρ

π2

2

ln (5)

Uziomy poziome są najczęściej wykonywane z taśm o prze-kroju prostokątnym, zwykle o szerokości (b) 30-40 mm i gru-bości (c) 4-5 mm.

W tym przypadku średnicę zastępczą można wyliczyć jako

db

e =2

π (6)

Niektóre pozycje literatury zalecają przyjmowanie de = b/2.

Dla różnych wykonań prostych uziomów poziomych, rezy-stancję można obliczyć z zależności:

Rl

Bl

tde=

ρ

π2

2

Σ

ln (7)

gdzie B jest współczynnikiem zależnym od konstrukcji uziomu (podanym w tabeli 1), a lΣ jest sumą długości wszystkich elementów uziomu.

Rezystancję uziomu pierścieniowego, o średnicy D, wykonanego z taśmy o grubości c (rys. 2), pogrążonego w ziemi na głębokości t = 1 m, można obliczyć [4] stosując wzór:

RDk=

ρ

π2 2 (8)

gdzie k jest współczynnikiem podanym na rysunku 3 (wszystkie wymiary jak w równaniu (4)).

uziom o przekroju kołowymi wymiarach:długość l = 10 mśrednica d = 0,02 mgłębokość pogrążenia t = 0,7 m

Rys. 1. Rozkład potencjału na powierzchni gruntu w kierunku prostopadłym do poziomego uziomu rurowego

Rys. 2. Prosty uziom pierścieniowy,wg równania (8)

4


Uziom Współczynnik B we wzorze (7)Nazwa Rzut poziomy

Prostoliniowy 1

Dwupromieniowy, o ramionach prostopadłych

1,46

Trójpromieniowy, symetryczny 2,38

Czteropromieniowy, symetryczny 8,45

Sześciopromieniowy, symetryczny 192

Dwuramienny, równoległy l

a

2

24

Kwadratowy 5,53

Prostokątny, o różnym stosunku l1/l2 (1,5; 2; 3; 4)

1,5 5,81

2 6,42

3 8,17

4 10,4

Tabela 1. Wartości współczynnika B (7) dla różnych kształtów uziomów poziomych

Uziomy pionowe są to długie metalowe pręty lub rury, umieszczone pionowo w gruncie tak, aby zapewnić styczność z głębszymi warstwami gruntu. Jak wspomniano w Zeszycie 6.3.1, rezystywność gruntu zależy od głębokości, z powodu większej wilgotności głębiej położonych warstw. Uziomy pionowe pozwalają więc, w stosunkowo prosty sposób, uzy-skać pożądaną wartość rezystancji. Styczność z głębszymi warstwami gruntu zapewnia ponadto mniejszą zależność rezy-stancji uziomu od warunków pogodowych i pór roku, niż to ma miejsce w przypadku uziomów poziomych. Konstrukcja uziomów pionowych pozwala na bardziej dogodny montaż w miejscach, w których powierzchnia przeznaczona do umieszczenia uziomu jest mała. Uziomy pionowe są zatem szcze-gólnie zalecane w obszarach o gęstej zabudowie, lub tam, gdzie po-wierzchnia gruntu jest pokryta asfaltem lub betonem. Uziomy piono-we są często stosowane również jako uzupełnienie uziomów pozio-mych, w celu zmniejszenia całkowitej rezystancji uziemienia.

Istotną wadą prostego uziomu prętowego jest niekorzystny rozkład potencjału na powierzchni gruntu, który można obliczyć z poniższe-go wzoru, zakładając, że rozpływ prądu uziomowego IE na całej dłu-gości uziomu jest równomierny:

UI

l

x l

x lx

E=+ +

+ −

ρ

π4

1

1

2 2

2 2ln (9)

gdzie: x odległość od uziomu

l długość uziomu;

pozostałe wymiary jak w (4).

Rys. 3. Wykres współczynnika k w równaniu (8) k = f (D/a)

5


Na rysunku 4 przedstawiono przykład rozkładu potencjału względnego na powierzchni gruntu Ux* = f(x) (4a), dla okre-ślonych wymiarów uziomu. Porównanie charakterystyk na rysunkach 1 i 4 ukazuje, że dla uziomu pionowego gradienty potencjałów na powierzchni gruntu są znacząco wyższe i wartości napięć dotykowych są niekorzystne. Przybliżona za-leżność dla rezystancji uziomu pionowego wynosi:

RU

I l

l

r

E

E

= =ρ

π4

4 2

2ln (10)

gdzie r jest promieniem uziomu.

Rysunek 5 podaje rezystancję uziemienia w zależności od długości uziomu w gruncie o różnej rezystywności.

W przypadku połączonego układu n uziomów pionowych (rys. 6) umieszczonych w linii prostej w jednakowej odległości a od siebie, wypadkową rezystancję uziemienia oblicza się z zależności:

1 1

1R R

kii

n

=

=

∑ , (10a)

gdzie:

Ri oznacza rezystancje kolejnych uziomów pionowych w układzie, obliczone przy założeniu braku wpływu są-siednich uziomów składowych,

k jest współczynnikiem korekcyjnym, przy czym k ≥ 1.

Wartość współczynnika k jest większy od jedności ze względu na wzajemny wpływ pól elektrycznych wytwarzanych przez poszcze-gólne uziomy pionowe w układzie. W efekcie tego oddziaływania naruszona jest symetria w rozpływie prądów poszczególnych uziomów pionowych, a tym samym gęstość prądu w gruncie ulega zmianie. W literaturze [8] podano szczegółowe wartości współ-czynnika k dla różnych konÞ guracji równoległych uziomów piono-wych. W przypadku prostego układu liniowego zilustrowanego na rys. 6 wartości k można przyjąć następująco [4]:

dla a ≥ 2l, k ≈ 1,25 oraz dla a ≥ 4l, k ≈ 1.

Rys. 4. Rozkład potencjału na powierzchni gruntu U*x = f(x) wokół pionowego uziomu prętowego

o długości l = 3 m i średnicy d = 0,04 m

Rys. 5. Rezystancja uziemienia (rezystancja rozprzestrzenia-nia) uziomu prętowego o długości l i średnicy d = 0,02 m

w gruncie jednorodnym o rezystywności ρ [2]

Rez

ysta

ncja

Długość

Rys. 6. Układ uziomów pionowych rozmieszczo-nych w linii prostej; R1 - R4 - rezystancje

poszczególnych uziomów pionowych, a odległość pomiędzy poszczególnymi uziomami,

l głębokość pogrążenia uziomu.

6


Uziomy kratowe są zwykle stosowane w układach uziomowych obiektów elektroenergetycznych, zajmujących duże po-wierzchnie, np. w stacji elektroenergetycznej. Uziom kratowy jest zwykle tak budowany, że krata odpowiada wymiarami obszarowi stacji i zapewnia korzystny, w przybliżeniu równomierny, rozkład potencjału na powierzchni całego obiektu. Rezystancję uziemienia dla uziomów kratowych można obliczyć stosując uproszczone równanie:

Rr le

= +ρ ρ

4 Σ

(11)

gdzie re - promień zastępczy.

Dla uziomów kratowych o kształcie kwadratu, lub zbliżonym do kwadratowego, promieniem zastępczym jest taki pro-mień, przy którym pole powierzchni koła o tym promieniu jest równe rzeczywistej powierzchni obszaru.

Dla uziomów kratowych o kształcie prostokątnym, jeżeli uziomy tworzą wydłużony prostokąt, promień zastępczy jest równy sumie zewnętrznych boków podzielonej przez π (rys. 7b); lΣ jest sumą boków wszystkich oczek wewnątrz kraty.

Uziomy fundamentowe są to przewodzące elementy metalowe, umieszczone w betonie fundamentu budynku. Beton fun-damentów posadowionych bezpośrednio w gruncie ma naturalną wilgotność i jego przewodność można uważać za po-równywalną z przewodnością gruntu. Ze względu na dużą powierzchnię tego rodzaju uziomu uzyskuje się niską rezystan-cję. Ponadto, ponieważ beton chroni części metalowe przed korozją, stalowe elementy uziomu umieszczonego w betonie nie wymagają dodatkowej ochrony antykorozyjnej. Uziomy fundamentowe są obecnie zalecane jako bardzo praktyczne rozwiązanie uziemienia budynku [6, 7].

W praktyce można wyróżnić dwie podstawowe konstrukcje uziomów fundamentowych:

! w fundamencie z betonu niezbrojonego (rys. 8)

! w fundamencie z betonu zbrojonego (rys. 9)

W obydwu przypadkach uziom jest wykonywany z:

! taśmy stalowej o przekroju prostokątnym, nie mniejszym niż 30 mm x 3,5 mm, lub

! pręta stalowego o przekroju okrągłym i średnicy nie mniejszej niż 10 mm.

Rys. 7. Przykłady wyjaśniające sposób obliczania promienia zastępczego re w równaniu (11) dla uziomów kratowych o kształcie zbliżonym do kwadratu (a) i wydłużonego prostokąta (b)

7


Elementy stalowe mogą być ocynkowane, ale nie jest to konieczne, jeżeli grubość warstwy betonu otaczającej elementy uziomu jest większa niż 50 mm (rys. 8) [6], ponieważ beton zapewnia wystarczającą ochronę przed korozją.

W fundamencie z betonu niezbrojonego (rys. 8) uziom zwykle odpowiada obrysowi fundamentu budynku tzn. jest umieszczany pod ścianami nośnymi. W budynkach o rozległych fundamentach uziom jest zwykle wykonywany w posta-ci pętli, które pokrywają się z obrysem poszczególnych części fundamentu i są wzajemnie połączone.

W fundamencie z betonu zbrojone-go uziom jest umieszczany ponad najniższą warstwa zbrojenia z siat-ki drucianej (rys. 9), co zapewnia właściwą ochronę antykorozyjną. Uziom powinien być na całej dłu-gości mocowany do siatki zbroje-niowej drutem wiązałkowym, w od-stępach nie mniejszych niż 2 m. Nie ma potrzeby aby w każdym punk-cie uzyskać skuteczne połączenie elektryczne ponieważ zasadnicze połączenie elektryczne następu-je poprzez beton. Jeżeli fundament jest zbudowany w postaci oddziel-nych płyt, łączonych dylatacjami, to uziomy w każdej z płyt winny być połączone ze sobą galwanicz-nie. Połączenia te muszą być giętkie (mostek dylatacyjny) i tak umiesz-czone, aby były dostępne do pomia-rów i konserwacji [6].

Rezystancję uziomu fundamento-wego można wyliczyć z uproszczo-nej zależności [2]:

RV

=0 23

,ρ

(12)

gdzie:

R jest wyrażone w Ω

V jest objętością fundamentu w m3.

Wyprowadzenie przewodu uzie-miającego uziomu fundamentowe-go powinno mieć długość co naj-mniej 150 cm ponad poziom pod-łogi (rys. 8 i 9) i powinno być usy-tuowane możliwie jak najbliżej głównego zacisku uziemiającego instalacji budynku. Zacisk uzie-miający uziomu fundamentowego dla instalacji odgromowej powi-nien być umieszczony na zewnątrz budynku.

przewód uziemiający z zaciskiem

Rys. 8. Ilustracja ułożenia uziomu fundamentowego w fundamencie z betonu niezbrojonego

uchwyt mocujący/odstępnik

izolacja przeciwwilgociowa

grunt

ściana

uziom

fundament

podłoga

podłoże

podsypka

dren

min

. 1,5

m

a = min. 5 cm

grunt

Rys. 9. Ilustracja ułożenia uziomu fundamentowego w fundamencie z betonu niezbrojonego

izolacja przeciwwilgociowa

przewód uziemiający z zaciskiem

grunt

ściana

fundament

podłoga

podsypkadren

grunt

zbrojenie betonu

połączenie drutem wiązałkowy

min

. 1,5

m

8


Obecnie są dostępne programy komputerowe, które umożliwiają dokładne obliczanie parametrów dla różnych, połączo-nych kształtów uziomów, z uwzględnieniem złożonej struktury warstwowej gruntu. Ich stosowanie jest jednak ograniczo-ne, ponieważ struktura gruntu, rezystywność gruntu i jej zmiany w ciągu roku, praktycznie nie są znane. Dokładne obli-czenia można wykonać tylko dla określonej pory roku i dla innych okresów będą się one znacząco różniły. W praktyce duża dokładność tego rodzaju obliczeń nie jest wymagana, zwykle dokładność ±30% jest wystarczająca, a stosowanie po-danych tu prostych wzorów daje zadowalające wyniki. Jeżeli obliczenie ma istotne znaczenie dla projektu, skuteczność układu można zweryÞ kować tylko po jego wykonaniu, drogą pomiaru wartości rezystancji.

Przykłady obliczeńWe wszystkich przykładach założono, że struktura gruntu jest jednorodna, a jego rezystywność wynosi ρ = 100 Ωm.

Przykład A

Rezystancję prostego uziomu, umieszczonego poziomo i pogrążonego w gruncie na głębokości 1m, o następujących wymiarach:

szerokość b = 40mm

grubość c = 5mm

długość l = 5m

można obliczyć z równań (6) i (7) oraz tabeli 1. Średnica zastępcza de (6) wynosi:

db m

me = =⋅

=2 2 0 04

0 025π π

,, (współczynnik B z tablicy 1 jest równy 1).

Rezystancja uziomu wynosi:

Rl

Bl

td

m

m

m

m me

= =⋅ ⋅

⋅ ⋅

⋅≈

ρ

π π2

100

2 5

1 5

1 0 02522

2 2 2

Σ

Ωln ln

,Ω

Przykład B

Uziom czteropromieniowy, symetryczny utworzony z dwóch prętów o długości 5m (tablica 1), ma następujące parametry:

de = 0,025m

l = 2,5m

B = 8,45.

Rezystancja uziomu wynosi:

Rl

Bl

td

m

m

m

m me

= =⋅ ⋅

⋅ ⋅

⋅=

ρ

π π2

100

2 10

8 45 2 5

1 0 02512 2

2 2 2

Σ

ΩΩln ln

, ,

,,

Przykład C

Uziom pierścieniowy umieszczony poziomo (rys. 2), na głębokości pogrążenia 1m, o średnicy D = 5m, wykonany z ta-kiej samej taśmy jak w przykładzie A. Współczynnik k można oszacować z rysunku 3 dla D/a = 5 m/0,0025m = 2000, gdzie a = c/2.

Rezystancję uziomu można obliczyć stosując równanie (8):

RDk

m

m= =

⋅ ⋅⋅ ≈

ρ

π π2

100

2 519 2 19 4

2 2

ΩΩ, ,

9

Przykład D

Rezystancję uziomu prętowego, umieszczonego pionowo, o średnicy 20mm i długości 5m, można obliczyć z równa-nia (10):

Rl

l

r

m

m

m

m= =

⋅ ⋅

⋅≈

ρ

π π4

4 100

4 5

4 5

0 0121 9

2

2

2 2

2 2ln ln

,,

ΩΩ

Podobną wartość można uzyskać z wykresu na rysunku 5.

Przykład E

Prostokątny uziom kratowy ma wymiary jak na rysunku 10.

Promień zastępczy re, oblicza się jak na rysunku 6, a rezystancję - ze wzoru (11):

rS m m

me = =⋅

≈π π

4 4 52 4

,,

Suma długości boków w pojedynczym oczku wynosi:

(1,5m + 1m)*2 = 5m

Suma długości boków wszystkich oczek wewnątrz kraty:

lΣ = 5m · 12 oczek = 60m

Zatem, rezystancja uziomu:

Rr l

m

m

m

me

= + =⋅

+ ≈ρ ρ

4

100

4 2 4

100

6012 1

Σ

Ω ΩΩ

,,

Zagadnienia konstrukcji uziomów Układy uziomowe powinny być budowane w taki sposób, i z takich materiałów, aby funkcjonowały prawidłowo przez cały oczekiwany czas życia, przy umiarkowanym koszcie wykonania. Wymagane są następujące właściwości:

! niska rezystancja i korzystny rozkład potencjału na powierzchni gruntu

! odpowiednia obciążalność prądowa

! długa trwałość.

Rezystancja uziemienia nie powinna przekraczać wartości wymaganych przez wytyczne lub normy w najbardziej nie-korzystnych warunkach klimatycznych (długotrwała susza, silny mróz). Jeżeli nie ma dokładnych wymagań, rezystancja uziemienia powinna być jak najniższa.

Rozkład potencjału na powierzchni gruntu powinien być taki, aby napięcia dotykowe i krokowe nie przekraczały do-puszczalnych wartości. Najkorzystniejszy rozkład potencjału na powierzchni gruntu uzyskuje się za pomocą uziomów kratowych. Czasami, aby uzyskać pożądany rozkład potencjału na powierzchni gruntu, należy umieścić dodatkowe elementy poziome. Te zagadnienia były omawiane w Zeszycie 6.3.1 Uziemienia - Podstawy obliczeń i projektowa-nia.

Obciążalność prądowa uziomu jest to największa wartość prądu jaki może być przewodzony przez uziom do ziemi bez nadmiernego nagrzewania elementów uziomu i otaczającego gruntu. Przy zbyt dużych wartościach prądu i nadmiernej gęstości prądu, woda zawarta w gruncie w pobliżu uziomu odparowuje, powodując wysuszenie gruntu i wzrost jego re-zystywności.

Rys. 10. Uziom kratowy dla przykładu E


10

Trwałość uziomu jest to jego czas życia od chwili zainstalowania do czasu, kiedy, z powodu korozji części metalicz-nych, może nastąpić przerwanie ciągłości elektrycznej. Trwałość uziomu powinna być większa niż oczekiwany czas ży-cia instalacji elektrycznej. Dla większości instalacji czas ten może przekraczać 25 lat, dla linii energetycznych 35-50 lat. System uziomowy powinien być objęty procedurą przeglądów okresowych i napraw.

Trwałość układu uziomowego zależy głównie od jego odporności na korozję. Uziomy, będąc w bezpośrednim kontakcie z gruntem lub wodą, pracują w warunkach sprzyjających korozji. Trzy główne czynniki, od których zależy szybkość ko-rozji elementów metalowych w gruncie, to:

! prądy stałe przepływające w ziemi

! chemiczne zanieczyszczenia gruntu

! zjawiska elektrochemiczne (galwaniczne) pomiędzy różnymi metalami umieszczonymi w ziemi.

Korozja powodowana przez prądy stałe występuje głównie w pobliżu sieci prądu stałego (np. stałoprądowe zasilanie trakcji kolejowej). Istnieją normy (np. DIN VDE 0150) i przepisy, które zawierają wymagania w tym zakresie.

Korozja powodowana przez substancje chemiczne zawarte w gruncie zwykle nie ma większego znaczenia; dotyczy tyl-ko układów uziomowych w zakładach chemicznych lub w pobliżu wybrzeża morskiego. W takich sytuacjach uziomy po-winny być wykonywane z metali odpornych na określony rodzaj korozji chemicznej. W celu zminimalizowania korozji chemicznej, w niektórych przypadkach zaleca się zmierzenie pH gleby. Dla gleby zasadowej (pH>7) zalecane są uziomy miedziane, a dla gleby kwaśnej uziomy wykonane z aluminium, cynku lub stali ocynkowanej.

Korozja galwaniczna jest powodowana przez prąd stały przepływający w obwodzie zasilanym przez różnicę potencja-łów elektrochemicznych pomiędzy dwoma elementami z różnych metali w wilgotnym gruncie, który działa jako elek-trolit. Spośród powszechnie stosowanych metali, miedź ma najniższy potencjał. W odniesieniu do potencjału miedzi in-ne metale mają potencjał dodatni (tabela 2). Wynikający stąd ciągły przepływ o prądu stałego o małej wartości powoduje przenoszenie jonów metalu z anody do katody i, w konsekwencji, ubywanie metalu z anody i gromadzenie się go na ka-todzie. Można zatem określić, jakie kombinacje metali są korzystne z tego punktu widzenia. Korzystnym rozwiązaniem jest, na przykład, stal pokryta miedzią, ponieważ ilość miedzi pozostaje taka sama. Przeciwnym przykładem jest stal po-kryta cynkiem, ponieważ cynk jest zawsze anodą i jego ilość ciągle maleje. Należy zauważyć, że potencjał elektroche-miczny stali umieszczonej w betonie jest bardzo bliski potencjałowi miedzi. Zatem konstrukcje stalowe w fundamentach budynków są katodami w stosunku do elementów cynkowych umieszczonych w gruncie (nie tylko uziomów, ale także np. rur wodociągowych). Oznacza to, że duże fundamenty są przyczyną silnej korozji elektrochemicznej tego rodzaju ele-mentów metalowych.

Metal Potencjał elektrochemiczny względem elektrody miedzianej [V]Cynk albo stal ocynkowana 0,91,0Stal 0,40,7Stal w betonie 00,3

Tabela 2. Wartości potencjału elektrochemicznego różnych metali względem elektrody miedzianej [2]

Najczęściej używanymi materiałami do budowy uziomów są:

! stal, np. w uziomach fundamentowych

! stal ocynkowana

! stal miedziowana

! stal wysokostopowa

! miedź i stopy miedzi.

Minimalne wymiary uziomów, podane w tabeli 3, są podyktowane wytrzymałością mechaniczną i warunkami korozyj-nymi.


11

Materiał Rodzaj uziomu

Minimalny wymiar

Wyrobu Pokrycia / powłoki

Średnica(mm)

Przekrój poprzeczny

(mm2)

Grubość (mm)

Grubość minimalna

(µm)

Grubość średnia

(µm)

Stal

Cynkowana na gorąco

Taśma 2) 90 3 63 70

ProÞ l (w tym płyta)

90 3 63 70

Rura 25 2 47 55

Pręt o przekroju okrągłym

16 63 70

Drut okrągły dla uziomu poziomego

10 50

Z powłoką z ołowiu 1)


8 1 000

Z tłoczoną osłoną miedzianą


15 2 000

Z elektrolityczną powłoką z miedzi


14,2 90 100

Miedź

Goła

Taśma 50 2


25 3)

Linka wielodrutowa 1,8 4) 25

Rura 20 2

Ocynowana Linka 1,8 4) 25 1 5

Ocynkowana Taśma 50 2 20 40

Z powłoką z ołowiu 1)

Linka 1,8 4) 25 1 000

Drut okrągły 25 1 000

1) Nie stosuje się do bezpośredniego umieszczenia w betonie.

2) Taśma, walcowana lub cięta, z zaokrąglonymi krawędziami.

3) W warunkach ekstremalnych, jeżeli z doświadczenia wynika, że ryzyko korozji lub uszkodzeń mechanicznych jest skrajnie niskie, można zastosować przekrój 16 m2.

4) Dla pojedynczego drutu linki.

Tabela 3. Rodzaje i minimalne wymiary materiałów, zapewniających wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję, stosowanych do budowy uziomów [5]

Ze względu na wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję, minimalny przekrój poprzeczny przewodów uziemia-jących wynosi dla:

! miedzi 16 mm2

! aluminium 35 mm2

! stali 50 mm2


12

WnioskiProjektując układ uziomowy należy uwzględnić jego:

! funkcję

! właściwości elektryczne

! materiał.

Główne właściwości układu uziomowego to:

! rezystancja uziemienia

! rozkład potencjału na powierzchni gruntu

! obciążalność prądowa.

Najkorzystniejszy rozkład potencjału na powierzchni gruntu zapewniają uziomy powierzchniowe, a szczególnie uziomy kratowe, dla których rozkład potencjału można kontrolować stosunkowo prosto. W przypadku uziomów pionowych roz-kład potencjału jest najmniej korzystny i występują tu największe wartości napięcia dotykowego. Z drugiej strony, stoso-wanie uziomów pionowych pozwala osiągnąć niską i stabilną wartość rezystancji uziemienia, która nie zależy znacząco od pór roku. Uziomy pionowe są także stosowane w połączeniu z uziomami poziomymi, w celu uzyskania niższych war-tości rezystancji uziemienia.

Wybór materiału uziomu jest zwykle kompromisem pomiędzy kosztem a trwałością uziomu. Korozja materiału i agre-sywność korozyjna gruntu są głównymi czynnikami ograniczającymi czas życia układu uziomowego.

LITERATURA[1] PN-IEC 60364-5-54:1999 Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia

i przewody ochronne.

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

[3] ABB Switchgear Manual, 10 ed., Düsseldorf, Cornelsen Verlag 1999.

[4] Batz H et al, Elektroenergieanlagen, VEB Verlag Technik Berlin, 1989.

[5] HD 637 S1 (Harmonisation Document) Power installations exceeding 1 kV a.c.

[6] RWE Energie Bau-Handbuch, 12ed., Editor: Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung, HEA-e.V.

[7] DIN 18014, Fundamenterder, Berlin, Beuth Verlag.

[8] Wołkowinski K. Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych, Warszawa, WNT, 1967.


Partnerzy główni i referencyjni

Zespół redakcyjnyDavid Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected]

Prof Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected]

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

Prof Ronnie Belmans UIE [email protected]

Dr Franco Bua ECD [email protected]

Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected]

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

Hans De Keulenaer ECI [email protected]

Gregory Delaere Lemkco [email protected]

Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected]

Dr ir Marcel Didden Laborelec [email protected]

Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected]

Stefan Fassbinder DKI [email protected]

Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza [email protected]

Stephanie Horton LEM Instruments [email protected]

Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska [email protected]

Prof Wolfgang Langguth HTW [email protected]

Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd [email protected]

Prof Henryk Markiewicz Politechnika Wrocławska [email protected]

Carlo Masetti CEI [email protected]

Mark McGranaghan EPRI PEAC Corporation [email protected]

Dr Jovica Milanovic UMIST [email protected]

Dr Miles Redfern University of Bath [email protected]

Dr ir Tom Sels KU Leuven [email protected]

Prof Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg [email protected]

Andreas Sumper CITCEA [email protected]

Roman Targosz PCPM [email protected]

Hans van den Brink Fluke Europe [email protected]

European Copper Institute (ECI)www.eurocopper.org

ETSII - Universidad Politécnica de Madridwww.etsii.upm.es

LEM Instrumentswww.lem.com

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

Fluke Europewww.fluke.com

MGE UPS Systemswww.mgeups.com

Centre dInnovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA)www-citcea.upc.es

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

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

Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)www.ceiuni.it

Hogeschool West-VlaanderenDepartement PIHwww.pih.be

University of Bathwww.bath.ac.uk

Copper Beneluxwww.copperbenelux.org

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

Università di Bergamowww.unibg.it

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

International Union for Electricity Applications (UIE)www.uie.org

Utto-Von-Guericke-Universität Magdeburgwww.uni-magdeburg.de

Deutsches Kupferinstitut (DKI)www.kupferinstitut.de

ISR - Universidade de Coimbrawww.isr.uc.pt

University of Manchester Institute of Science andTechnology (UMIST)www.umist.ac.uk

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

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

Politechnika Wrocławskawww.pwr.wroc.pl

EPRI PEAC Corporationwww.epri-peac.com

Laborelecwww.laborelec.com

European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

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

Dr inż. Antoni Klajn

Politechnika WrocławskaWybrzeże Wyspiańskiego 2750-370 WrocławPolska

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

Prof. dr hab. inż. Henryk Markiewicz

Politechnika WrocławskaWybrzeże Wyspiańskiego 2750-370 WrocławPolska

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

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

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

European Copper Institute168 Avenue de TervuerenB-1150 BrusselsBelgium

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

651ebook PL

Documents

Transcript of 651ebook PL