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