Villamosenergia – minőség – Alkalmazási segédlet
Earthing & EMC
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok
Földelés és EMC
���������������� ����������������
6.5.1
Földelés és EMC Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Henryk Markiewicz & Antoni Klajn Wroclaw University of Technology 2004. július Magyar Rézpiaci Központ Hungarian Copper Promotion Centre (HCPC) A Magyar Rézpiaci Központ a réztermelők és feldolgozók által támogatott non-profit szervezet, amelynek célja a réz és a rézötvözetek használatának, valamint helyes és hatékony alkalmazásának elősegítése. A szolgáltatások, beleértve a műszaki tanácsadást és információs adatközlést, mindazok rendelkezésére állnak, akik bármilyen vonatkozásban érdekeltek a réz felhasználásában. Az egyesülés összeköttetést teremt a kutatás és a felhasználó ipar között, és szoros kapcsolatot tart fenn a világ többi – a rézpiac fejlesztésén tevékenykedő- szervezetével.
Európai Réz Intézet European Copper Institute (ECI) Az Európai Réz Intézet az ICA (International Copper Association) és az IWCC (International Wrought Copper Council) támogató tagjai által létrehozott szervezet. Tagjain keresztül az ECI a világ legnagyobb réztermelői és Európa vezető réztermék gyártói nevében dolgozik a réztermékek európai piacfejlesztésén. Az 1996 januárjában megalakult ECI-t tíz Rézpiac Fejlesztési Egyesület (CDA-k) hálózata támogatja a Benelux államokban, Franciaországban, Németországban, Görögországban, Magyarországon, Olaszországban, Lengyelországban, Skandináviában, Spanyolországban és az Egyesült Királyságban. Ezen tevékenység folytatása azon erőfeszítéseknek, amelyeket az 1959-ben alakult Copper Products Development Association (CPDA) és az 1961-ben alakult International Copper Research Association (INCRA) kezdeményezett.
Figyelmeztetés A Magyar Rézpiaci Központ és az Európai Réz Intézet elhárítja a felelősséget bármilyen közvetlen, közvetett, okozati, vagy véletlenszerű meghibásodásért, amely az ebben a kiadványban közölt információk felhasználásából, vagy az információk illetve a közölt adatok fel nem használhatóságából eredhetnek. Szerzői jog©: Copper Development Association (CDA) Magyar fordítás: Magyar Rézpiaci Központ A kiadvány anyagának másolása, terjesztése engedélyezett, feltéve, hogy az teljes terjedelemben, a forrás megjelölésével történik.
���������������� ����������������
Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail:
[email protected] Web: www.rezinfo.hu
Földelés és EMC Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Bevezetés A földeléssel kapcsolatos alapvető ismeretek a „Földelő rendszerek – számítási és tervezési alapok” című 6.3.1. fejezetben szerepelnek. Jelen fejezet olyan tervezési segédletet nyújt, amely a számításokkal és egyéb tervezési szempontokkal kapcsolatos gyakorlati kérdésekkel foglalkozik. Az itt tárgyalt legfontosabb területek a következők:
Földelési ellenállás különböző földelő elrendezések esetén
Földelőkhöz használt anyagok
Földelő elektródok korróziója.
A 6.3.1. fejezet tartalmazza a legfontosabb definíciókat és a földelési ellenállás valamint a potenciál eloszlás számítására szolgáló összefüggéseket ideális félgömb alakú földelő elektród esetén. Hasonló módszerekkel lehet meghatározni az eltérő elrendezésű földelőkre vonatkozó összefüggéseket. Azonban ezek a számítások mind azon a közelítő feltevésen alapulnak, hogy a talaj szerkezete homogén és végtelen kiterjedésű. Ráadásul a talaj ρ fajlagos ellenállása annak nedvességtartalmától függ, azaz a különböző évszakokban nem lesz azonos. Mindezek miatt az itt közölt képletekkel számított földelési ellenállást nem szabad pontos értéknek tekinteni. Ugyanakkor a gyakorlatban nincs jelentősége a földelési ellenállás nagy pontossággal történő kiszámításának és megmérésének. Ez a paraméter csak közvetett módon befolyásolja a villamos hálózat és a készülékek, valamint az érintésvédelem működését. A jelenlegi szabványok és a legtöbb ország előírásai nem határozzák meg a földelési ellenállás megengedett legnagyobb értékét, csak a lehetséges legkisebb értékekre adnak ajánlásokat [1]. Így a következőkben megadott összefüggésekkel számított földelési ellenállásokat közelítő értékekként kell kezelni. A gyakorlatban ± 30%-os pontosság elfogadhatónak tekinthető. Emiatt pontos összefüggések levezetésére nincs szükség, különösen a hálós és bonyolult földelő rendszerek esetén. Az egyszerű elrendezésű földelőkre megadott összefüggések előnye az, hogy a földelési ellenállás és az elektródgeometria közötti alapvető kapcsolat egyértelműen látható. Természetesen mindig a lehető legpontosabb összefüggés alkalmazása a célszerű. Bár a földelő rendszer tervezése során a számítások nélkülözhetetlenek, a földelési ellenállás legpontosabb értékét helyszíni méréssel lehet megkapni. Az itt tárgyalt téma a földelési ellenállás és a föld felszínén kialakuló potenciál eloszlás számítása különböző földelő elektródok esetén. A jellegzetes földelők a következők:
vízszintes szalagföldelő, amely vízszintesen, egyenes vonalban vagy kör formában elhelyezett szalag vagy huzal
(függőleges) rúdföldelő, amelynek hossza elegendő ahhoz, hogy különböző vezetőképességű talajrétegeken hatoljon át; ezt ott célszerű alkalmazni, ahol a mélyebben fekvő rétegen ahhoz képest rossz vezetőképességű vékony fedőréteg helyezkedik el, vagy a földelő létesítéséhez rendelkezésre álló terület mérete nagyon korlátozott
földelő háló, amely rendszerint kis mélységben vízszintesen elhelyezett rácsot képez
földelő hatású kábel – olyan külső fém burkolattal, árnyékolással vagy páncélzattal rendelkező kábel, amely a földdel érintkezve a szalagföldelőhöz hasonló földelési ellenállást eredményez
betonalapföldelő – a földdel nagy kiterjedésű felülettel érintkező betonba ágyazott fém rész.
A földelő rendszerek feladatai és a velük szemben támasztott alapvető követelmények A földelő rendszerek feladatai az alábbiak lehetnek:
védőföldelés
a villamos energiarendszerekben lévő üzemi földelések
villámvédelem.
3
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok A védőföldelő rendszer biztosítja mindazoknak a fém részeknek (szabadon lévő és külső vezető részeknek) az összekötését, amelyekkel emberek vagy állatok érintkezésbe kerülhetnek. Normál, üzemzavar mentes körülmények között ezen részek között nincs potenciálkülönbség, de hiba esetén a hibaáramok miatt veszélyes mértékű feszültség jelenhet meg. A földelő rendszer akkor látja el jól a feladatát, azaz az áramütés elleni védelmet, ha az IE rövidzárási áram hatására a földelésen megjelenő VE potenciál nem haladja meg a megengedett VF érintési feszültséget: (1)
Ebből a földelési ellenállás legnagyobb megengedett értéke: (2)
ahol IE a legkedvezőtlenebb körülmények között folyó egyfázisú rövidzárási áram. Az ipari hálózatokon valamint az alállomásokon a kis- és középfeszültségű hálózatok földelő rendszerei gyakran közösek, mivel a rendelkezésre álló terület korlátozott. A szigetelt földelésű (IT) hálózatok védőföldelését a középfeszültségű védőföldeléssel közös rendszerként kell kialakítani, függetlenül a csillagpont kezelésétől (szigetelt vagy kompenzált). A villamos rendszerben a megfelelő működés érdekében bizonyos pontokat össze kell kötni a földelő rendszerrel. Erre szolgál az üzemi földelés. Jellegzetes példa erre a transzformátorok csillagpontjának földelése. A villámvédelmi földelés a villám áramát vezeti be a földbe. A villámáramok nagyon nagy ip csúcsértékeket is elérhetnek, amelyek emiatt a földelő elektród nagyon nagy VE potenciálemelkedését okozzák. Ennek értékét a következő összefüggéssel lehet kiszámítani: (3)
ahol: L a földelő elektród és a villámvédelmi vezetők induktivitása Rp a földelő elektród impulzussal szembeni u.n. lökőföldelési ellenállása. A villám áramától és a földelő rendszertől függően a VE potenciál nagyon nagy értékeket érhet el, akár több száz, sőt több ezer kV-ot is. Mivel ezek az értékek sokkal nagyobbak a hálózat üzemi feszültségénél, ezért a villám gyakran okoz visszacsapást vagy indukált túlfeszültségeket a hálózatban. Emiatt a hálózat teljes körű villámvédelme érdekében koordinált villámvédelmi túlfeszültség-levezetőket és szikraközöket kell alkalmazni.
Tipikus földelő kialakítások ellenállása és felületi potenciál eloszlása A vízszintes szalagföldelő elektródjai lehetnek fém rudak, szalagok vagy csövek vízszintesen, a talajfelszín alatt t mélységben az 1. ábrán látható módon elhelyezve. Általában ezeknek az elemeknek az l hossza a t mélységnél lényegesen nagyobb. Ezzel a feltételezéssel élve, az l hosszúságra merőleges x irányban a föld felszínén kialakuló potenciál eloszlást a következő összefüggéssel lehet meghatározni: (4)
ahol: Vx = a földfelszín potenciálja [V] VE = a földelő elektród potenciálja [V] IE [A] földelési áram esetén
4
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok ρ = a talaj fajlagos ellenállása [Ωm] l = a földelő elektród hossza [m] A többi jelölés magyarázata az 1. ábrán található. A Vx* potenciál viszonylagos értéke a következő: (4a)
ahol: Vx*= a földfelszín potenciáljának viszonylagos értéke. A föld felszínén a 4. és 4a egyenletek szerinti potenciál eloszlást mutatja az 1. ábra, adott földelő elektród méretek esetén.
földelő elektród, amelynek hossza l = 10 m átmérője d = 0,02 m fektetési mélysége t = 0,7 m
Egy földbe fektetett közönséges cső földelési ellenállása a következő összefüggéssel számítható:
1. ábra: A föld felszínén létrejövő potenciál eloszlás a vízszintes csőre merőleges irányban
(5)
A vízszintes földelő elektródok rendszerint 30-40 mm széles (b) és 4-5 mm vastag (c) négyszög keresztmetszetű szalagból készülnek. Ebben az esetben a de hatásos egyenértékű átmérőt a következő módon lehet meghatározni: (6)
amelyet az (5) egyenletbe kell behelyettesíteni. Néhány irodalom de = b/2 értéket javasol. A különböző elrendezésű vízszintes szalagföldelők földelési ellenállását a következő képlettel lehet kiszámítani: (7)
ahol a B tényező az elektródok elrendezését veszi figyelembe (értékei az 1. táblázatban szerepelnek), lΣ pedig az összes elektród hosszának az összege.
2. ábra: A (8) egyenlet szerinti vízszintes gyűrűföldelő méretei
Egy D átmérőjű kör kerülete mentén t = 1 m mélyen lefektetett, c vastagságú szalagból készült gyűrűföldelő (2. ábra) ellenállását a következő képlettel lehet kiszámítani [4]: (8)
ahol a k tényező értékeit a 3. ábra tartalmazza (minden jelölés megegyezik a (4) egyenletben szereplőkkel).
5
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Földelő elektród Megnevezés
A (7) egyenletben szereplő B tényező
Felülnézet
Vonal
1
Két, egymásra merőleges kar
1.46
Három szimmetrikus kar
2.38
Négy szimmetrikus kar
8.45
Hat szimmetrikus kar
192
Két párhuzamos kar
Négyzet
5.53
Különböző l1/l2 oldalarányú téglalap (1,5; 2; 3; 4)
1.5
5.81
2
6.42
3
8.17
4
10.4
1. táblázat: A B tényező értékei (7) különböző elrendezésű vízszintes szalagföldelők esetén
A rúdföldelők a földben függőlegesen elhelyezett olyan fém rudak vagy csövek, amelyek a talaj mélyebb rétegeit is elérik. Amint az már a 6.3.1. fejezetben is szerepelt, a talaj fajlagos ellenállása jelentősen függ a mélységtől, mivel a mélyebb talajrétegek nedvességtartalma nagyobb. A rúdföldelő a várhatóan nagyobb nedvességtartalmú, tehát kisebb fajlagos ellenállású talajjal kerül érintkezésbe, ezért ezek alkalmazása különösen ott célszerű, ahol korlátozott méretű terület áll rendelkezésre. A függőleges rúdföldelők alkalmazása tehát a sűrűn beépített területeken előnyös, vagy ahol a felszínt aszfalt vagy beton borítja. A függőleges földelő elektródokat gyakran alkalmazzák a vízszintes szalagföldelők eredő földelési ellenállásának csökkentésére is. A közönséges rúdföldelő jelentős hátránya a kedvezőtlen felületi potenciál eloszlás, amelyet a következő összefüggéssel lehet számítani feltéve, hogy az IE földelési áram egyenletesen oszlik el az elektród teljes hossza mentén:
(9)
ahol:
x = a földelő elektródtól mért távolság l = az elektród hossza
A többi jelölés megegyezik a (4) egyenletben szereplőkkel.
6
3. ábra: A (8) egyenletben használatos k = f(D/a) diagram
Ellenállás
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok
Hosszúság
5. ábra: l hosszúságú, 0,02 m átmérőjű, homogén ρ fajlagos ellenállású talajban lévő rúdföldelő földelési (szétterjedési) ellenállása
4. ábra: A Vx* = f(x) felületi potenciál eloszlás viszonylagos értéke egy l = 3 m hosszú, d = 0,04 m átmérőjű függőleges rúdföldelő körül
Adott elektród méretek esetén a 4. ábra a Vx* = f(x) (4a) viszonylagos értékben mért felületi potenciál eloszlásra mutat példát. Az 1. és a 4. ábrán szereplő jelleggörbék összehasonlítása alapján megállapítható, hogy a föld felszínén a potenciálváltozás mértéke függőleges elektród esetén lényegesen nagyobb, emiatt az érintési feszültség kedvezőtlenül alakul. A függőleges rúdföldelő ellenállásának közelítő értékét a következő összefüggéssel lehet kiszámítani: (10)
ahol r a rúdföldelő sugara. Az 5. ábrán az l hosszúságú rúdföldelő ellenállása látható különböző fajlagos ellenállású talajok esetén. n számú, egy vonalban egymástól azonos a távolságra telepített függőleges rúdföldelők esetén (6. ábra) a hatásos földelési ellenállás a következőképpen alakul: (10a)
ahol:
R1, R 2, R 3...Rn az egyes rúdföldelők földelési ellenállása, elhanyagolva a többi rúdföldelő hatását, és k az u.n. “kitöltési” tényező, amelynek értéke k ≥ 1
A szomszédos rudak által létrehozott villamos erőterek kölcsönhatása miatt a k értéke egynél nagyobb. A valóságban az egyes elektródok áramának szimmetriája felborul, ezzel megváltozik az áramsűrűség eloszlása a talajban. A [8] irodalom a különböző elrendezésű párhuzamos rúdföldelők esetén érvényes k tényezők pontos értékeit közli. A 6. ábrán látható egyszerű elrendezésben a k tényező közelítő értéke a következő [4]:
6. ábra: Párhuzamosan elhelyezkedő rúdföldelők; R1 - R4 - az elektródok egymástól független ellenállása, a - az elektródok közötti távolság, l - elektródhossz
a ≥ 2l esetén k ≈ 1.25 és a ≥ 4l esetén k ≈ 1
7
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Földelő hálókat főleg nagy kiterjedésű területeken létesítendő földelő rendszerek kialakítása során használnak, például villamos alállomásokon. A földelő háló mérete lefedi a létesítmény teljes alapterületét, és előnyös, közel egyenletes potenciál eloszlást biztosít a talaj felszínén. A földelő háló földelési ellenállását a következő egyszerűsített összefüggéssel lehet meghatározni: (11)
ahol re az egyenértékű sugár. Négyzet, vagy közel négyzet alakú területek esetén annak a kör alakú területnek a sugarát nevezzük egyenértékű sugárnak, amelynek a területe megegyezik a tényleges területtel. Elnyújtott téglalap alakú területek esetén az egyenértékű sugarat úgy kapjuk meg, hogy a külső oldalak összegét elosztjuk π-vel (7b ábra); lΣ = a rácsban lévő minden egyes hurok hosszának az összege. Alapföldelő alatt az épületek betonalapjába ágyazott vezető fém részeket értjük. A közvetlenül a földbe öntött betonnak természetes nedvességtartalma van, ezért vezetőképesnek tekinthető, és vezetőképessége a környező talajéhoz hasonló. Az ilyen fajta földelőkkel nagy kiterjedésük miatt kis ellenállásokat lehet elérni. Ezen kívül a beton védi a fém részeket a korrózió ellen, ezért a betonba ágyazott acél elektródokat nem kell további korrózióvédelemmel ellátni. Javasolt a betonalap földelők alkalmazása, mert ez az épületek földelésének nagyon célszerű módja [6, 7].
7. ábra: Példák földelő hálókra, az re egyenértékű sugár kiszámításának magyarázatával (11), kétféle elrendezés esetén: közel négyzet alakú (a) és elnyújtott téglalap alakú (b) földelő háló
A gyakorlatban kétféle betonalap földelő kialakítás járatos:
vasalás nélküli betonalapban (8. ábra)
vasalással megerősített vasbeton alapban (9. ábra).
Mindkét esetben a földelő elektródok az alábbi anyagokból készülhetnek:
legalább 30 mm × 3,5 mm méretű négyszög keresztmetszetű acélszalag vagy
legalább 10 mm átmérőjű körkeresztmetszetű acélrúd.
8
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Az acél alkatrészeket lehet horganyozni (azaz cink bevonattal ellátni), de erre nincs szükség, ha az elektródokat bevonó betonréteg vastagsága meghaladja az 50 mm-t [6], mert a beton megfelelő korrózióvédelmet biztosít (8. ábra). Vasalás nélküli betonalapban (8. ábra) az elektródok általában az épület alapozásának a nyomvonala mentén, azaz a főfalak alatt helyezkednek el. Nagy kiterjedésű alapokkal rendelkező épületek esetén az elektródok az alapozást követve rendszerint hurkokat alkotnak, amelyeket egymáshoz kell csatlakoztatni. földelő kivezetése vízszigetelés
min. 1.5 m
Vasalással megerősített vasbeton alapozás esetén a földelő elektródot a legalsó betonvas háló fölé kell helyezni (9. ábra), így biztosítható az elektród megfelelő korrózióvédelme. Az elektródot teljes hosszában, legalább 2 m-enként kötöző huzallal a betonvas hálóhoz kell erősíteni. Tökéletes villamos csatlakozásra minden pontban nincs szükség, mivel a villamos összeköttetést a beton szolgáltatja. Ha az alapozás különálló elemekből készül, amelyek között tágulási hézag van, akkor az egyes elemekben lévő földelő elektródokat egymással villamosan össze kell kötni. Ezeknek az összekötéseknek rugalmasnak kell lenniük, és úgy kell őket elhelyezni, hogy mérési és karbantartási célból hozzáférhetők maradjanak [6].
fal
a = min. 5 cm
talaj
padló aljzatbeton
alapozás alagcsövezés
kavicspárna
a
földelő elektród
talaj
a támasz
8. ábra: Betonalapföldelő kialakításának szemléltetése vasalás nélküli alapozás esetén
A betonalapföldelő földelési ellenállását a következő egyszerűsített öszszefüggéssel lehet kiszámítani [2]:
földelő kivezetése vízszigetelés
(12) fal
R Ω − ban értendő
talaj
kötöző huzal
min. 1.5 m
ahol:
V az alapozás térfogata m3-ben kifejezve. A földelő elektród kivezetésének a padlószinttől mérve legalább 150 cm hosszúságúnak kell lennie (8. és 9. ábrák). Ezt az épület villamos hálózatának a fő földelési csatlakozási pontjához a lehető legközelebb kell elhelyezni. A betonalap földelő és a villámvédelem közötti összekötést az épületen kívül kell elhelyezni.
beton vasalás
padló alapozás kavicspárna
alagcsövezés
talaj
9. ábra: Betonalapföldelő kialakításának szemléltetése vasalással megerősített vasbeton alapozás esetén
9
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Manapság már rendelkezésre állnak olyan számítógépes programok, amelyekkel pontosan meg lehet határozni a különböző elrendezésű földelők jellemzőit, akár bonyolult talajszerkezetek esetén is. Ezek alkalmazhatósága mégis korlátozott, mivel a gyakorlatban nem ismert a talaj szerkezete, a talaj fajlagos ellenállása és ennek az év során történő változásai. Pontos számítást csak egy adott évszakra lehet elvégezni, mert az így kapott értékek az időben jelentősen változnak. Ugyanakkor pontos értékekre nincs is szükség; a gyakorlatban a ± 30%-os pontosság rendszerint kielégítő. Összefoglalva, az itt közölt egyszerű összefüggések általában megfelelőek. Bár a számítások a tervezés során természetesen fontosak, a rendszer hatékonyságát csak a kivitelezés utáni ellenállásmérések eredményeivel lehet igazolni.
Számítási példák Az összes számítás során feltételezzük, hogy a talaj szerkezete homogén, és fajlagos ellenállása ρ = 100 Ωm. A) példa Egy egyszerű, 1 m mélyen, vízszintesen elhelyezett földelő elektród földelési ellenállását, amelynek méretei: szélessége b = 40 mm vastagsága c = 5 mm hosszúsága l = 5 m a (6) és (7) egyenletek valamint az 1. táblázat alapján lehet meghatározni. A de egyenértékű átmérő (6) a következő:
(A B tényező értéke az 1. táblázat alapján 1.) A földelő földelési ellenállása:
B) példa Egy 5 m-es rudakból álló négy karos szimmetrikus elrendezésnek (1. táblázat) a következők a jellemzői: de = 0.025 m l = 2.5 m B = 8 45. A földelő földelési ellenállása:
C) példa Vízszintesen elhelyezett gyűrűelektród (2. ábra), fektetési mélysége 1 m, átmérője D = 5 m, amelynek anyaga megegyezik az A példában szereplő földelő anyagával. A 3. ábrán szereplő k tényezőt a D/a = 5 m / 0,0025 m = 2000 kifejezéssel lehet közelíteni, ahol a = c/2 (2. ábra). A földelő földelési ellenállását a (8) egyenlettel lehet kiszámítani:
10
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok D) példa Egy 20 mm átmérőjű, 5 m hosszúságú függőleges rúdföldelő földelési ellenállását a (10) egyenlettel lehet kiszámítani:
Hasonló érték adódik az 5. ábrából is. E) ábra Egy téglalap alakú, vízszintesen elhelyezett földelőháló méretei a 10 ábrán láthatók. A földelési ellenállást a (11) egyenlettel lehet meghatározni, az re egyenértékű sugarat pedig a 7. ábra alapján lehet kiszámítani.
Egyetlen hurokban az oldalak összege: (1,5 m + 1 m) × 2 = 5 m A földelőhálóban az összes hurok kerületének összege: lΣ = 5 m × 12 db hurok = 72 m Így a földelő földelési ellenállása:
10. ábra: A földelőháló vázlatos elrendezése (E példa)
Földelők kialakításának szempontjai A földelő rendszereket olymódon és olyan anyagból kell kialakítani, hogy a teljes várható élettartamuk során megfelelően tudják ellátni feladatukat, ugyanakkor a kivitelezési költségük elfogadható legyen. A megkövetelt jellemzők az alábbiak:
Kis földelési ellenállás és kedvező potenciál eloszlás a felszínen
Megfelelő áramvezető képesség
Hosszú élettartam.
A földelési ellenállás a legkedvezőtlenebb klimatikus körülmények között (hosszú ideig tartó szárazság, nagy hideg) sem haladhatja meg az előírásokban vagy a szabványokban meghatározott értékeket. Pontos követelmények hiányában a földelési ellenállásnak a lehető legkisebbnek kell lennie. A föld felszínén létrejövő potenciál eloszlásnak olyannak kell lennie, hogy az érintési- és a lépésfeszültség ne haladja meg a megengedett értékeket. A legkedvezőbb felszíni potenciál eloszlás a vízszintesen elhelyezett földelő hálóval érhető el. Néha szükség lehet kiegészítő vízszintes elektródok elhelyezésére a megkívánt felszíni potenciál eloszlás eléréséhez. Ennek a területnek a tárgyalása a „Földelő rendszerek – számítási és tervezési alapok” című 6.3.1. fejezetben szerepel. Az áramvezető képesség azt a legnagyobb áramértéket jelenti, amelyet a földelő anélkül képes vezetni, hogy a földelő elektródjai vagy a környező talaj túlságosan felmelegedne. Túl nagy áramok és áramsűrűségek esetén a talaj és az elektród határán a talajban lévő nedvesség elpárolog, és a visszamaradó száraz talaj ellenállása megnő.
11
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok A földelő élettartamán azt a létesítésétől mért időtartamot értjük, amelynek elteltekor a fémrészek korróziójának következtében megszakad a földelő villamos folytonossága. A földelő élettartamának meg kell haladnia a hálózat várható élettartamát. A legtöbb villamos hálózat élettartama meghaladhatja a 25 évet, az energiaellátó vonalak esetén ez 35-50 év. Meg kell határozni a földelő rendszer karbantartásának ütemezését. A földelő rendszerek élettartama alapvetően a korrózióval szembeni ellenálló képességüktől függ. A talajjal vagy vízzel közvetlenül érintkező földelő elektródok korrozív környezetben működnek. A talajban lévő fém tárgyak korróziójának mértékét három alapvető tényező határozza meg:
A talajban folyó egyenáramok
A talaj vegyi szennyezettsége
A talajban lévő különböző fémek között fellépő elektrokémiai jelenségek.
Az egyenáramok miatt fellépő korróziót elsősorban a közelben lévő egyenáramú hálózatok okozzák (pl. egyenáramú vasúti vontatás). Az ilyen esetek szabályozására szabványok és előírások léteznek (pl. DIN VDE 0150). A talajban lévő vegyi szennyeződések által okozott korróziónak rendszerint nincs különösebb jelentősége, ennek inkább csak a vegyi üzemekben és az óceánok mellett lévő rendszerekre van hatása. Ilyen esetekben a földelő elektródokat az adott vegyi korróziónak ellenálló fémből kell készíteni. A vegyi korrózió csökkentése érdekében bizonyos esetekben célszerű megmérni a talaj pH értékét. Lúgos kémhatású talaj esetén (pH>7) rézből készült elektródok alkalmazása javasolt, míg savas talaj esetén alumínium, cink vagy horganyzott acél elektródok a célszerűek. Az elektrokémiai korróziót a nedves talajban, mint elektrolitban lévő két különböző fém között kialakuló elektrokémiai potenciál különbség által létrehozott egyenáram okozza. Az elektródként általánosan használt fémek közül a réznek a legkisebb az elektrokémiai potenciálja. A réz potenciáljához képest a többi fém potenciálja pozitív (2. táblázat). A folyamatosan folyó kis egyenáram hatására a fém ionok az anódról a katódra vándorolnak. Ennek hatására az anód anyaga fogy, míg a katódé gyarapodik. Ebből a szempontból kedvező fém kombinációkat lehet meghatározni. Például a rézzel bevont acél előnyös megoldás, mert a réz mennyisége állandó marad. Ezzel ellentétes példa a cinkkel bevont acél, ahol a cink mindig anódként szerepel, ezért folyamatosan fogy. Érdemes megfigyelni, hogy a betonba ágyazott acél elektrokémiai potenciálja nagyon hasonló a rézéhez. Emiatt a betonalapban lévő acélszerkezetek a talajban lévő más acélból vagy cinkből készült tárgyakhoz (nem csak a földelőkhöz, hanem pl. vízvezeték csövekhez) képest katódként viselkednek. Ez azt jelenti, hogy a nagy kiterjedésű vasbeton alapozások az elektrokémiai korrózió miatt ezeknek a fém tárgyaknak a jelentős mértékű korrózióját okozzák.
Fém
Elektrokémiai potenciál a rézelektródhoz viszonyítva [V]
Cink vagy cinkkel bevont acél
0.9 – 1.0
Acél
0.4 – 0.7
Betonba ágyazott acél
0 – 0.3
2. táblázat: Különböző fémeknek a rézelektródhoz viszonyított elektrokémiai potenciálja [2]
Elektródként a leggyakrabban használt fémek a következők:
Acél (pl. a betonalap földelőkben)
Horganyzott acél
Rézzel bevont acél
Nemesacél
Réz és rézötvözetek.
A földelő elektródok 3. táblázatban szereplő legkisebb méreteit a mechanikai szilárdság és a korróziós viszonyok határozzák meg [5].
12
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Legkisebb méret Mag Anyag
Földelő fajtája
Bevonat/Védelem
Keresztmetszet [mm2]
Vastagság [mm]
Egyedi érték [µm]
Átlagérték [µm]
Szalag2)
90
3
63
70
Idom (ideértve a lemezeket)
90
3
63
70
2
47
55
63
70
Átmérő [mm]
Cső
25
Kör keresztmetszetű rúd földelő rúdhoz
16
Kör keresztmetszetű vezető vízszintes földelőhöz
10
Ólom burkola�al1)
Kör keresztmetszetű vezető vízszintes földelőhöz
8
1000
Extrudált réz burkola�al
Kör keresztmetszetű rúd földelő rúdhoz
15
2000
Elektrolízissel felvi� réz bevona�al
Kör keresztmetszetű rúd földelő rúdhoz
14,2
90
100
1
5
20
40
Tüzihorganyzo�
Acél
50
Szalag Csupasz
Kör keresztmetszetű vezető vízszintes földelőhöz Sodronykötél Cső
Réz Ónozo�
Sodronykötél
Horganyzo�
Szalag
Ólom burkola�al1)
50
Sodronykötél
2
253) 1,84)
25
20
2
1,84)
25 50
1,84)
Kör keresztmetszetű vezető
2
25
1000
25
1000
1)
betonban közvetlenül nem alkalmazható szalag, hengerelt vagy darabolt, az éleken lekerekítve 3) szélsőséges körülmények esetén, ahol a gyakorlati tapasztalatok alapján a korrózió és a mechanikai sérülések kockázata különlegesen alacsony, 16 mm2 is alkalmazható 4) elemi szálra vonatkozik 2)
3. táblázat: Megfelelő mechanikai szilárdságot és korrózióval szembeni ellenálló képességet biztosító különböző típusú földelők anyagainak legkisebb mérete
A mechanikai szilárdság és a korrózióval szembeni ellenálló képesség miatt a földelő vezetők legkisebb keresztmetszetei a következők [5]:
Réz:
16 mm2
Alumínium
35 mm2
Acél
50 mm2
13
Földelő rendszerek – Alapvető létesítési szempontok Összefoglalás A földelő rendszer kialakítása során a következőkre kell tekintettel lenni:
Funkció
Villamos jellemzők
Anyag.
A földelő rendszer legfontosabb villamos jellemzői a következők:
Földelési ellenállás
Potenciál eloszlás a föld felszínén
Áramvezető képesség.
A legkedvezőbb potenciál eloszlást a föld felszínén a vízszintesen elhelyezett földelők, különösen a földelő hálók szolgáltatják, ahol a potenciál eloszlás viszonylag egyszerűen kezelhető. A függőleges rúdföldelők esetén lesz a potenciál eloszlás a legkedvezőtlenebb, és itt jelentkezik a legnagyobb érintési feszültség. Másrészt viszont a függőleges rúdföldelőkkel lehet kis, állandó földelési ellenállás értékeket elérni, amelyek nem függnek számottevően az évszakok változásától. A földelési ellenállás csökkentése érdekében a vízszintes szalagföldelőkkel együtt függőleges rúdföldelőket is szoktak alkalmazni. A földelő anyagának kiválasztása rendszerint a költségek és a földelő élettartama közötti kompromisszum eredménye. A földelő élettartamát elsősorban az anyag korróziója és a korróziós hatások határozzák meg.
Irodalomjegyzék [1] IEC 364-5-54, Electrical installations of buildings [2] Rudolph W, Winter O, EMV nach VDE 0100, VDE-Schriftenreihe 66, VDE-Verlag GmbH. Berlin, Offenbach, 1995 [3] ABB Switchgear Manual, 10th edition, 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, 12th Edition, Editor: Hauptberatungsstelle für Elektrizitätsanwendung, HEA-e.V [7] DIN 18014, Fundamenterder, Berlin, Beuth Verlag [8] Wolkowinski K, Uziemienia urzaden elektroenergetycznych (Earthing systems of electrical power devices), in Polish, Warsaw, WNT, 1967
14
Referencia és Alapító Tagok* European Copper Institute* (ECI)
ETSII - Universidad Politécnica de Madrid
LEM Instruments
www.eurocopper.org
www.etsii.upm.es
www.lem.com
Akademia Gorniczo-Hutnicza (AGH)
Fluke Europe
MGE UPS Systems
www.agh.edu.pl
www.fluke.com
www.mgeups.com
Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) www-citcea.upc.es
Hochschule für Technik und Wirtschaft* (HTW)
Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg
www.htw-saarland.de
www.uni-magdeburg.de
Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI)
Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH www.pih.be
Polish Copper Promotion Centre* (PCPC)
International Union for Electricity Applications (UIE) www.uie.org
Università di Bergamo* www.unibg.it
Copper Development Association* (CDA UK)
ISR - Universidade de Coimbra
University of Bath
www.cda.org.uk
www.isr.uc.pt
www.bath.ac.uk
Deutsches Kupferinstitut* (DKI)
Istituto Italiano del Rame* (IIR)
www.kupferinstitut.de
www.iir.it
University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) www.umist.ac.uk
Engineering Consulting & Design* (ECD)
Katholieke Universiteit Leuven* (KU Leuven) www.kuleuven.ac.be
www.ceiuni.it Copper Benelux* www.copperbenelux.org
www.ecd.it EPRI PEAC Corporation
Laborelec
www.epri-peac.com
www.laborelec.com
www.miedz.org.pl
Wroclaw University of Technology* www.pwr.wroc.pl
Szerkesztőségi bizottság David 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]
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 Gorniczo-Hutnicza
[email protected]
Stephanie Horton
LEM Instruments
[email protected]
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology
[email protected]
Prof Wolfgang Langguth
HTW
[email protected]
Jonathan Manson
Gorham & Partners Ltd
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology
[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 Dr-Ing Zbigniew Styczynski
Universität Magdeburg
[email protected]
Andreas Sumper
CITCEA
[email protected]
Roman Targosz
PCPC
[email protected]
Hans van den Brink
Fluke Europe
[email protected]
Prof Henryk Markiewicz
Wroclaw University of Technology Wybrzeze Wyspianskiego 27 50-370 Wroclaw Poland Tel: Fax: Email: Web:
00 48 71 3203 424 00 48 71 3203 596
[email protected] www.pwr.wroc.pl
Dr Antoni Klajn
Wroclaw University of Technology Wybrzeze Wyspianskiego 27 50-370 Wroclaw Poland Tel: Fax: Email: Web:
00 48 71 3203 920 00 48 71 3203 596
[email protected] www.pwr.wroc.pl
���������������� ����������������
Magyar Rézpiaci Központ H-1053 Budapest, Képíró u. 9. Magyarország Tel: (+36 1) 266 48 10 Fax: (+36 1) 266 48 04 E-mail:
[email protected] Web: www.rezinfo.hu
European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: Email: Website:
00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79
[email protected] www.eurocopper.org
