Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer ControlsComputer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

kozi966 11 Lut 2020 15:58 147 0
  • #1
    kozi966
    Moderator Elektrycy
    Zasadność stosowania uziomów szpilkowych.

    Uziom – element przewodzący, najczęściej metalowy pręt, płaskownik, rura lub inny metalowy element umieszczany w gruncie lub betonie (np. w płycie fundamentowej), służący celom ochrony odgromowej lub/oraz ochrony przeciwporażeniowej.
    Ziemia odniesienia – jest to takie miejsce w gruncie (pewien obszar), oddalone od uziomu i znajdujące się w takiej odległości, że dowolne napięcie pojawiające się na uziomie nie wpływa na rozkład potencjału tego miejsca. Innymi słowy jest to miejsce niezależne od którego wykonujemy pomiar, gdzie potencjał tego miejsca przyjmowany jest jako 0V – odniesienie (analogicznie jak w przypadku „masy” w elektronice).
    Rezystywność gruntu [ρ] – jest to rezystancja właściwa danego gruntu. Określa się ją potocznie dla kawałka ziemi o kształcie sześcianu (gdzie każdy jego bok ma 1m). Rezystancja takiego sześcianu mierzona jest pomiędzy równoległymi ścianami i podawana w omometrach.
    Uziemienie – celowe połączenie danego elementu przewodzącego (np. obudowy silnika) z uziomem, za pomocą przewodu (przewodu uziemiającego).
    Napięcie uziomowe – napięcie pojawiające się bezpośrednio na uziomie (np. na pręcie uziemiającym), mierzone pomiędzy ziemią odniesienia, a danym uziomem.

    Wprowadzenie
    Uziom szpilkowy (pionowy), lub inaczej zwany uziomem typu A, jest elementem mogącym służyć np. do celów:
    1. Ochrony odgromowej
    2. Ochrony przeciwporażeniowej
    W przypadku 1. najczęściej stosowanym wykorzystaniem uziomów pionowych, jest wbicie ich w na każdym rogu danego budynku – przeważnie w miejscach sprowadzenia przewodów odprowadzających od elementów instalacji odgromowej na dachu.
    W przypadku 2. najczęściej widywane zastosowanie, to wykonanie takiego uziomów w celu uziemienia szyny ochronnej (PE) lub ochronno-neutralnej (PEN) – w przypadku braku wykonania uziomu fundamentowego lub/i uziomu otokowego.
    Niemniej jednak spójrzmy na to zagadnienie z innej strony.

    Założenia
    Poczyńmy podstawowe założenia, aby trochę zawęzić nasz problem (który jest bardziej złożony):
    1. Nie wykonano uziomu fundamentowego,
    2. Nie wykonano uziomu otokowego – ułożonego naokoło obiektu,
    3. Ziemia w której ułożony (wbity) będzie uziom jest jednolita w obszarze 50m x 50m.
    4. Grunt posiada rezystywność na poziomie 200 Ωm.
    5. Wbijamy jeden uziom pionowy w wybranym miejscu w okolicy budynku.
    6. Wbijamy odpowiednio pręty o długości: 1.5m, 3m, 6m, 12m.
    7. Nie zakładamy błędów wykonawczych (np. źle wbite pręty, nieodpowiednie „otulenie” prętów ziemią, itd.).
    8. Nie zakładamy przesuszania się gleby lub jej przemarzania w miejscu styku z uziomem.
    9. Zakładamy „uniwersalny” prąd zwarcia doziemnego – przepływający przez dany uziom (a wymuszający napięcie na nim).
    10. Do zadania wykorzystano pręt okrągły stalowy ocynkowany o średnicy 16mm.
    11. Czas trwania doziemienia jest nieokreślony.
    Poniżej widok i przekrój określający usytuowanie mierzonego (symulowanego) uziomu:
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    Przegląd wyników symulacji:
    W wyniku symulacji dokonanej w programie inżynierskim (ETAP Ground Grid) otrzymujemy poniższe dane:
    1. Wbijając uziom o długości 1,5m otrzymujemy rezystancję uziemienia: 70 omów.
    2. Wbijając uziom o długości 3m otrzymujemy rezystancję uziemienia: 42,4 oma.
    3. Wbijając uziom o długości 6m otrzymujemy rezystancję uziemienia: 24,9 oma.
    4. Wbijając uziom o długości 12m otrzymujemy rezystancję uziemienia: 14,2 oma.
    Jak widać, rezystancja uziemienia nam spada, co jest dość logiczne.
    Wynika z tego, że jedna krótka szpilka nie zapewnia nam dość niskiej wartości rezystancji uziemienia.

    Jednak czy powinniśmy się martwić wartością rezystancji uziemienia?
    Według mnie bardziej powinniśmy się martwić rozkładem potencjału na powierzchni gruntu, niż samą rezystancją (pomimo, że jest to też dość ważny parametr).
    Z tego względu, że zapewnienie odpowiedniego rozkładu napięć na uziomie względem ziemi odniesienia, a tym samym na elementach uziemianych, eliminuje problem zagrożenia porażeniem i niejako minimalizuje nam potrzebę zmniejszania wartości rezystancji uziemienia poprzez dodawanie kolejnych uziomów.

    Problematyka
    Przedstawmy problem trochę bardziej graficznie:
    Symulacja 1. (uziom 1,5m – uszkodzenie w postaci doziemienia przewodu fazowego, Ie = 2A)
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    Okazuje się, że w przypadku gdy uziom wykonany jest po jednej stronie budynku, a uziemiany element (na którym pojawiło się napięcie – ograniczone uziemieniem do 125V) znajduje się po drugiej stronie budynku - jesteśmy rażeni.

    Symulacja 2. (uziom 3m – uszkodzenie w postaci doziemienia przewodu fazowego, Ie = 2A)
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    Okazuje się, że w przypadku gdy uziom wykonany jest po jednej stronie budynku, a uziemiany element (na którym pojawiło się napięcie – ograniczone uziemieniem do 75V) znajduje się po drugiej stronie budynku - jesteśmy rażeni.

    Symulacja 3. (uziom 6m – uszkodzenie w postaci doziemienia przewodu fazowego, Ie = 2A)
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    W przypadku gdy uziom wykonany jest po jednej stronie budynku, a uziemiany element (na którym pojawiło się napięcie – ograniczone uziemieniem do 50V) znajduje się po drugiej stronie budynku – napięcie uznawane jest za ograniczone do wymaganej wartości.

    Symulacja 4. (uziom 12m – uszkodzenie w postaci doziemienia przewodu fazowego, Ie = 2A)
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    W przypadku gdy uziom wykonany jest po jednej stronie budynku, a uziemiany element (na którym pojawiło się napięcie – ograniczone uziemieniem do 25V) znajduje się po drugiej stronie budynku – napięcie uznawane jest za ograniczone do wymaganej wartości.

    Powyższe przypadki można podsumować następującym widokiem:

    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    Wynika z niego to, że jedną szpilką trudno jest zapewnić odpowiedni poziom bezpieczeństwa, gdyż cały nasz rozkład napięcia na powierzchni terenu obejmuje tylko niewielki kawałek terenu w okolicy samego uziomu.
    Tym samym dotykając urządzenia będącego pod napięciem, możemy zostać porażeni. Z tego względu, że potencjał podłoża na którym stoimy może mieć taką samą wartość jak ziemia odniesienia (0V), a nie wartość zbliżoną do napięcia na uszkodzonym elemencie (napięcie na naszym uziomie i jego okolicy).

    Analiza problematyki
    W dwóch przypadkach (ostatnich symulacji) wydaje się, że pomimo braku możliwości uzyskania małych rezystancji uziemienia (poniżej 1 oma), ochrona jest zachowana. Tylko pozornie jest zachowana.
    Po pierwsze, założyliśmy mały prąd zwarcia doziemnego (doziemienia), gdyby zwiększyć go np. 3 krotnie (Ie = 6A), to żadne z powyższych założeń nie spełniło by wymagań.
    Po drugie, nie uwzględniliśmy innych elementów instalacji – impedancji przewodów, impedancji uziemienia transformatora, uziemień złącz kablowych, itd.
    Po trzecie, nie wiemy zatem, czy powyższy rozkład będzie prawidłowy dla każdego innego założenia.

    W rzeczywistości jak się okazuje, dużo osób twierdzi, że wystarczy wbić jedną, dwie albo trzy szpilki w jednym miejscu i „będzie dobrze”.
    Moim zdaniem, najbardziej uniwersalne podejście to założenie, że chcemy wykonać odpowiednią ekwipotencjalizację gruntu za pomocą uziomu. Wtedy niezależnie od wartości prądu zwarcia i rezystancji uziemienia, jesteśmy w stanie zagwarantować bardzo dobre parametry ochrony przeciwporażeniowej.

    Na czym taka ekwipotencjalizacja polega? Polega ona na "wysterowaniu" napięcia na uziomie w taki sposób, że w okolicy budynku różnica napięć uziomowych (powierzchniowych) jest niewielka.

    Poniżej przykład uziomu otokowego o oczku 10m x 10m z czterema uziomami pionowymi (na każdym rogu).
    Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych Zasadność stosowania pojedynczych uziomów pionowych

    W środku widać charakterystyczną „wannę” która pokazuje przykład odpowiedniego rozkładu napięć wewnątrz chronionego obszaru. Obszar poza „wanną” może nie zapewniać już odpowiedniego bezpieczeństwa, z tego względu, że napięcie w tamtym rejonie gwałtownie się zmienia.
    Ten problem można ograniczyć poprzez dodanie kolejnego uziomu otokowego pogrążonego głębiej w pewnej odległości od pierwszego. W ten sposób wygładzimy ten „ostry spadek napięcia” na zewnątrz od „wanny”.

    W tym momencie dochodzimy do problemu ochrony odgromowej…
    Wyładowanie które wymusi na naszym uziomie przepływ prądu udarowego rzędu kilku lub kilkunastu kiloamperów, przy rezystancji uziemienia poniżej jednego oma (załóżmy dla potrzeb Re=0,1 oma) wymusi na tym uziomie…. Kilkaset woltów lub kilka kilowoltów.
    Przed taką wartością napięcia uziomowego nie jesteśmy się wstanie zabezpieczyć „odpowiednio zmniejszając rezystancję uziemienia”.
    Tym samym im większa rezystancja uziemienia takiego uziomu, tym większe napięcie odłoży się na tym elemencie (wynika to z wzoru na prawo Ohma, gdzie rezystancję mnożymy przez prąd).
    Dobrym rozwiązaniem jest zatem jednoczesne podzielenie prądu piorunowego "na wiele odejść" oraz rozłożenie w gruncie elementów systemu uziemienia w taki sposób, aby nie występowały bardzo niebezpieczne skutki w związku z pojawieniem się dużych różnic napięć dotykowych i krokowych od uziomu (a w zasadzie "na powierzchni gruntu" pośrednio przez uziom).

    Podsumowując
    Moim zdaniem bezzasadne jest wykonywanie uziomów pionowych bez dokładnej analizy efektów takiego wykonania. Brak znajomości wielu parametrów powoduje założenie, że znaczenie ma niska wartość rezystancji uziemienia.
    Tak oczywiście jest pod warunkiem, że nie patrzy się ślepo na liczby, a jest się w stanie określić odpowiednie wartości napięć z tego wynikające.
    Moim zdaniem błędnym jest samo założenie, że wystarczy „jedna” szpilka, gdzieś w narożniku budynku. Szpilka... niby-pozwalająca zapewnić podstawowy poziom bezpieczeństwa.
    Pojedynczy uziom może spełnić swoją rolę, jeżeli po dokładnej analizie, pomiarach i obliczeniach da się określić:
    1. Prąd zwarcia doziemnego lub napięcie uziomowe,
    2. Rozkład napięcia na wierzchniej części gleby,
    3. Rezystancję uziemienia,
    4. Oddziaływanie uziomu na elementy uziemiane w przypadku doziemienia fazy.
    I potwierdzić, że powyższe elementy nie spowodują pojawienia się niebezpiecznego napięcia dotykowego lub krokowego w przypadku uszkodzenia w instalacji lub wyładowania piorunowego.
    Ja prywatnie sugeruję wykonywać uziomy fundamentowe, a jeżeli one nie są wykonane (bo ktoś o nich zapomniał na etapie wylewania betonu), to uziomy otokowe na około obiektu, z uzupełnieniem ich poprzez uziomy szpilkowe.

    Uwaga końcowa: Tekst nie obejmuje swoim zagadnieniem wszystkich możliwych przypadków - przedmiotowe analizy są przykładami teoretycznymi. Na podstawie powyżej analizy nie można jednoznacznie twierdzić, że dane wykonanie jest wadliwe lub złe. Każdy realizowany system uziemienia powinien być opracowany przez projektanta, a po wykonaniu odpowiednio sprawdzony przez elektryka "pomiarowca".


    Normy z których można zaczerpnąć wiedzę dotyczącą uziemień:
    PN HD 60364-5-54
    PN HD 62305 arkusze od 1 do 4
    PN-HD 60364-4-442
    Standard IEEE 142 tzw. "green book" - zielona księga

    Artykuły zewnętrzne warte przeczytania:
    1. "UZIOMY FUNDAMENTOWE I PARAFUNDAMENTOWE" Edward Musiał
    2. "POŁĄCZENIA WYRÓWNAWCZE OCHRONNE" Edward Musiał
  • Computer ControlsComputer Controls