Připadá vám někdy nespočet pravidel o uzemnění trochu moc? Nechávají vás problémy s implementací uzemnění někdy oslnit a zmást, přičemž správné řešení se zdá být trochu nad vaše síly? Pokud ano, necítíte se sami.
Přes rozsáhlou literaturu o uzemnění se zdá, že některé jeho důležité pojmy v ústní tradici a běžné praxi elektrotechnického průmyslu chybí – a některé mylné představy o uzemnění se zdají být pevně zakotveny na svém místě. V důsledku toho není mnoho konstrukcí a instalací tak spolehlivých a bezpečných, jak by mohlo být.
Pokud však porozumíte pojmům, které se za těmito pravidly skrývají, můžete se těmto nejasnostem vyhnout. S lepším porozuměním můžete mít větší jistotu, že váš uzemňovací systém bude fungovat tak, jak jste zamýšleli.
Zpět k základům. První věc, kterou je třeba pochopit, je, že zemní proud – stejně jako veškerá elektřina – se snaží vrátit ke svému zdroji. Díky tomuto principu elektrické obvody vůbec fungují. Co je zdrojem zemního proudu? Nevzniká v zemi, ale v síťovém transformátoru.
Kirchoffův zákon říká, že proud poteče v nepřímé úměře k impedanci cest, které jsou mu předloženy. Relativní impedance různých cest tedy určují, jak se poruchový proud dostane zpět ke svému zdroji.
Impedance cesty mezi uzemňovací elektrodou a zdrojem je téměř vždy výrazně vyšší než impedance cesty přes uzemnění/uzemněný vodič.
Pokud si tím ve svém zařízení nejste jisti, změřte impedanci měděného vodiče od elektrody ke zdroji a porovnejte ji s impedancí přes zemnič.
Tento rozdíl v impedanci znamená, že uzemňovací elektrodou protéká jen nepatrné množství poruchového proudu. Porucha se obvykle šíří podél uzemnění zařízení (vodičů a kovových rozvodů), přes vazbu nulový vodič-zem a zpět ke zdroji přes uzemněný (nulový) vodič. Právě vysoký poruchový proud procházející nízkoimpedanční cestou je příčinou vypnutí nadproudového zařízení – nikoliv zanedbatelné množství proudu, které protéká nečistotou přes zemnicí tyč (obr. 1).
Jestliže je tomu tak, jakou funkci má zemnicí elektroda? Věřte tomu nebo ne, má jich několik, včetně následujících:
-
Omezuje napětí způsobené bleskem, přepětím nebo náhodným kontaktem s vedením vyššího napětí.
-
Stabilizuje napětí vůči zemi během běžného provozu a pomáhá udržovat napětí v předvídatelných mezích.
-
Pomáhá podniku při odstraňování vlastních poruch tím, že se v podstatě stává součástí vícebodové uzemňovací soustavy podniku.
-
Zajišťuje cestu k zemi pro odvádění statické elektřiny.
Rozteč zemnicích tyčí. Předpokládejme, že vyvedete první zemnicí tyč pro systém. Pokud má zemní odpor 25 ohmů nebo více, 250.56 NEC 2005 vyžaduje, abyste vyvedli druhou tyč. Mnoho dodavatelů se však neobtěžuje s měřením zemního odporu. Jednoduše plánují zavedení dvou tyčí, protože tím splní požadavky 250.56 bez ohledu na skutečný zemní odpor. Instalace se dvěma tyčemi jsou tedy běžné, ale jsou nutně správné?“
Předpis vyžaduje, abyste tyče umístili nejméně 6 stop od sebe . Tato vzdálenost je však minimální – a zdaleka ne ideální. Při použití typické 8stopé nebo 10stopé zemnicí tyče dosáhnete nejlepších výsledků, pokud tyče od sebe vzdálíte nejméně 16, resp. 20 stop. To je mnohem více než minimální vzdálenost 6 stop podle předpisu.
Zemňovací tyče vzdálené od sebe méně než dvě délky tyčí se budou navzájem rušit, protože jejich efektivní odporové plochy se budou překrývat (obr. 2a výše). Odkaz viz IEEE-142 a Soaresova kniha o uzemnění. Překrytí zvyšuje čistý odpor každé tyče, takže systém uzemňovacích elektrod je méně účinný, než kdyby byly tyče od sebe vzdáleny více (obr. 2b výše).
Hlavní spojovací můstek. Hlavní propojovací můstek je spojnicí mezi nulovým vodičem a uzemňovacími tyčemi zařízení v rámci služby. Toto důležité spojení umožňuje návrat zemního proudu ke zdroji. Bez hlavního propojovacího můstku by se porucha musela šířit přes vysokoimpedanční zem namísto nízkoimpedanční mědi. Tato vysokoimpedanční cesta by s největší pravděpodobností omezila proud a zabránila by vypnutí jističů – nebo by alespoň zabránila jejich vypnutí dostatečně brzy, aby nedošlo k poškození zařízení.
Velikost hlavního propojovacího můstku podle tabulky 250.66. Mnoho lidí se domnívá, že tato tabulka udává maximální velikost hlavní propojky 3/0 AWG, ale to je další častý omyl. Propojovací můstek musí mít minimálně 12,5 % ekvivalentní plochy fázových vodičů . Pokud vedete 11 sad 500 kcmilových vodičů (například služba 4 000 A), hlavní propojovací můstek by měl mít minimálně 700 kcmil, nikoliv 3/0 AWG.
Tento problém se méně týká propojovacích můstků pro sekundárně odvozené systémy, jako jsou transformátory a generátory, protože poruchové proudy jsou v těchto systémech obvykle mnohem nižší.
Velikost uzemňovacích vodičů zařízení. Projektanti obvykle používají při dimenzování uzemňovacích vodičů zařízení tabulku 250.122. Ve většině případů bude tato velikost vyhovující, zejména u malých odboček. Pokud je však dostupný poruchový proud vysoký – řekněme 100 000 A – a pokud je jistič předřazeného obvodu nastaven na zpoždění vypnutí o několik cyklů, je třeba dimenzovat uzemňovací vodiče pečlivěji.
Metalické lišty, které obvykle přenášejí větší proud než uzemňovací vodiče zařízení, nemusí být správně instalovány nebo se mohou časem rozpadnout. V důsledku toho může být uzemňovací vodič zařízení jedinou dostupnou zpětnou cestou uzemnění. Nedostatečně dimenzované uzemňovací vodiče se mohou při poruše roztavit dříve, než splní svůj účel, kterým je zajistit nepřetržitou nízkoimpedanční cestu proudu zpět ke zdroji při poruše.
Důležité je pochopit, že vodiče mají jmenovité hodnoty odolnosti. Asociace inženýrů pro izolované kabely poskytuje normu s názvem Zkratové charakteristiky izolovaných kabelů, číslo P 32-382 (1994). Tato norma říká, že po dobu 5 sekund je výdržná hodnota vodiče 1 A na 42,25 kruhových milimetrů.
Například vodič 3/0 AWG může bezpečně přenášet 3 972 A po dobu 5 sekund. Výdržná hodnota I2T, 5 sekund, je tedy 78 883 920 A. Nyní předpokládejme, že jistič je nastaven na otevření za 30 cyklů – zpoždění, které můžete vidět u obsluhy. Můžete rychle určit, že maximální proud, který může 3/0 AWG přenést po dobu 30 cyklů (0,5 s), je:
I2T = 78,883,920
I= √ (78,883,920÷T)
I= √ (78,883,920÷0.5)
I=12,560A
Pokud je však dostupný poruchový proud 65,000A nebo 100,000A na konci uzemňovacího vodiče zátěže, dojde v případě poruchy k rychlému zničení uzemňovacího vodiče za předpokladu, že vypnutí jističe trvá 30 cyklů. Měli byste mít na paměti dostupný poruchový proud a počítat s dobou otevření jističů, zejména hlavních a přívodních jističů v hlavním rozváděči. Proveďte výpočet I2T, jak je popsáno výše, zejména pokud je dostupný poruchový proud vysoký. Vidíte, že správné dimenzování uzemňovacích vodičů zařízení není tak jednoduché jako použití minimálních hodnot podle NEC.
Uzemňovací proudy systému. Proud je v uzemňovací soustavě přítomen za normálních provozních podmínek, nejen při poruchovém stavu. To pravděpodobně vysvětluje, proč předpis povoluje nastavit snímače zemního spojení až na 1 200 A, aby se zabránilo nepříjemnému vypínání .
Kromě zemních poruch může proud v uzemňovací soustavě vytvářet několik věcí, včetně následujících:
-
Indukované proudy ze sousedních vodičů nesoucích proud.
-
Indukované proudy z motorů (zejména jednofázových).
-
Kapacitní vazba mezi fázovými a nulovými vodiči na uzemňovací vodiče. Tento jev je znám jako příčina nepříjemného vypínání GFCI v dlouhých obvodech.
-
Elektrostatické výboje ze zařízení.
Zemní smyčky. Zemní smyčky můžete vytvořit vzájemným působením silového uzemnění a nízkonapěťové kabeláže. Nízkonapěťová kabeláž často obsahuje signálový zemnicí vodič, který může v podstatě spojit vnitřní signálové uzemnění mezi různými částmi elektronického zařízení dohromady. Pokud existuje vnitřní vazba také mezi napájecí zemí a signálovou zemí uvnitř elektronického zařízení, může touto smyčkou protékat proud. Ačkoli jsou stíněné nízkonapěťové kabely obvykle uzemněny pouze na jednom konci, aby se zabránilo zemním smyčkám, samostatný signálový zemnicí vodič uvnitř stínění může přesto vytvořit vazbu.
Pro příklad, kde k tomu běžně dochází, si představte počítačovou síť a stínění zařízení, jako jsou tiskárny, směrovače a pracovní stanice. Pokud propojujete různá zařízení, propojujete zařízení, která mají potenciál mezi svými zemnicími kolíky (obr. 3). Pokud máte přes signálové vodiče kompletní obvod, máte zemní smyčku. Kvůli tomuto potenciálu budou protékat zemní proudy, které budou vytvářet elektrický šum, jenž může rušit provoz systému. Elektromagnetická pole, která procházejí touto smyčkou, by také mohla způsobit tok proudu.
Chcete-li tento jev minimalizovat, musíte omezit potenciál mezi těmito různými uzemňovacími body. TIA/EIA J-STD-607-A doporučuje maximální potenciál 1 V mezi uzemňovacími body. Zajímavé je, že také doporučuje jednu velkou zemnicí smyčku pro uzemnění vícepodlažních budov (obr. 4). V počítačových sítích má omezení potenciálu mezi uzemňovacími body jednoznačně přednost před obavami z cirkulačních smyček zemních proudů. Audiovizuální zařízení jsou však mnohem citlivější.
Každá budova má stovky, ne-li tisíce nízkonapěťových kabelů a každý z nich může v kombinaci se silovým uzemněním tvořit vlastní zemní smyčku. V běžné budově bohužel neexistuje praktický způsob, jak zaručit rovnoměrnou zemnící rovinu v celé budově.
Nejlépe uděláte, když řádně uzemníte klíčová zařízení. To znamená zajistit zemnicí tyče ve všech telekomunikačních a audio/video místnostech a zajistit, aby každé zařízení v těchto místnostech bylo s těmito zemnicími tyčemi propojeno. Tím se zajistí poměrně rovnoměrná zemnicí rovina v místnosti – alespoň v nižším frekvenčním rozsahu.
Běžně předepsaným lékem na tyto druhy problémů s uzemněním je zajištění ekvipotenciálních zemnicích rovin v širokém rozsahu frekvencí. Mezi metody patří použití zemnicích sítí v rámci desek a signálních referenčních mřížek pod zvýšenými podlahami. Vzhledem k nákladům na tato opatření jsou tyto metody obvykle vyhrazeny pro nejcitlivější komunikační zařízení – nikoli pro typická komerční nebo institucionální zařízení. Ekvipotenciální uzemňovací rovina je však pouze jedním krokem. Není to všelék na zemní smyčky, protože proudy mohou být vždy indukovány elektromagnetickými poli, která procházejí vodiči.
Nenechte se zahltit obrovským množstvím drobností souvisejících s uzemněním. Zvládnutí několika základních pojmů z oblasti uzemnění by vám mělo pomoci věci utřídit. Dobré uzemnění je klíčem k provoznímu úspěchu každého zařízení, takže čím informovanější budou vaše návrhy, tím spolehlivější bude instalace a tím méně problémů s kvalitou elektrické energie se objeví.
Janof, P.E., je spolupracovníkem a vedoucím projektu ve společnosti Sparling, elektrotechnické a technologické poradenské firmě s pobočkami v Seattlu a Portlandu.
Janof, P.E., je vedoucím projektu ve společnosti Sparling.