Er de utallige regler om jordforbindelse nogle gange lidt for meget at håndtere? Lader problemer med implementering af jordforbindelse dig nogle gange forbløffet og forvirret, med den korrekte løsning, der synes at være lidt over dit hoved? Hvis det er tilfældet, skal du ikke føle dig alene.
Trods den omfattende litteratur om jording synes nogle af de vigtige begreber at mangle i elindustriens mundtlige tradition og almindelige praksis – og nogle misforståelser om jording synes at være solidt forankret i deres sted. Som følge heraf er mange konstruktioner og installationer ikke så pålidelige eller sikre, som de kunne være.
Men du kan styre uden om forvirringen, hvis du forstår begreberne bag reglerne. Med en bedre forståelse kan du have større tillid til, at dit jordingssystem vil fungere, som du havde tænkt dig.
Back to basics. Det første, du skal forstå, er, at jordfejlstrøm – ligesom al elektricitet – søger at vende tilbage til sin strømkilde. Dette princip er det, der får elektriske kredsløb til at fungere i første omgang. Hvad er kilden til jordfejlstrøm? Den stammer ikke fra jorden, men fra forsyningstransformatoren.
Kirchoffs lov siger, at strømmen vil flyde i omvendt forhold til impedansen af de baner, der præsenteres for den. De forskellige baners relative impedanser bestemmer således, hvordan fejlstrømmen kommer tilbage til kilden.
Impedansen af banen mellem jordelektroden og kilden er næsten altid betydeligt højere end impedansen af banen gennem den jordede/jordede leder.
Hvis du er usikker på dette på dit anlæg, skal du måle impedansen af en kobbertråd fra elektroden til kilden og sammenligne den med impedansen gennem jorden.
Denne forskel i impedans betyder, at kun en meget lille mængde fejlstrøm løber gennem jordelektroden. Fejlen bevæger sig typisk langs udstyrets jord (ledere og metalrørsystemer), gennem neutral-jordforbindelsen og tilbage til kilden gennem den jordede (neutrale) leder. Det er den høje fejlstrøm gennem den lavimpedante vej, der får en overstrømsanordning til at udløse – ikke den ubetydelige mængde strøm, der løber gennem snavset via en jordstang (fig. 1).
Hvis det er tilfældet, hvad er så jordelektrodens funktion? Tro det eller ej, men den har flere, bl.a. følgende:
-
Begrænsning af spændinger, der påføres af lynnedslag, overspænding eller utilsigtet kontakt med ledninger med højere spænding.
-
Stabilisering af spændingen til jord under normal drift, hvilket hjælper med at holde spændingen inden for forudsigelige grænser.
-
Hjælper forsyningsvirksomheden med at udbedre sine egne fejl ved i princippet at blive en del af forsyningens flerpunktsjordingssystem.
-
Giver en vej til jord til statisk afledning.
Afstand mellem jordstænger. Antag, at du driver den første jordstang til et system. Hvis den har en jordmodstand på 25 ohm eller mere, kræver 250.56 i NEC 2005, at du skal sætte en anden stang. Men mange entreprenører gider ikke at måle jordmodstanden. De planlægger simpelthen at køre to stænger, fordi de dermed opfylder kravene i 250.56, uanset den faktiske jordmodstand. Således er installationer med to stænger almindelige, men er de nødvendigvis korrekte?
Kodekset kræver, at du skal placere stængerne med en afstand på mindst 6 fod fra hinanden. Denne afstand er dog et minimum – og langt fra ideel. Når du bruger den typiske 8-fods eller 10-fods jordstang, får du de bedste resultater ved at placere stængerne med mindst henholdsvis 16 eller 20 fods mellemrum. Dette er meget større end den minimale afstand på 6 fod i henhold til kodekset.
Grundstænger, der er placeret med mindre end to stanglængder fra hinanden, vil forstyrre hinanden, fordi deres effektive modstandsarealer overlapper hinanden (fig. 2a ovenfor). Som reference henvises til IEEE-142 og Soares Book on Grounding. Overlapningen øger nettomodstanden for hver stang, hvilket gør jordelektrodesystemet mindre effektivt, end hvis stængerne var placeret med større afstand (fig. 2b ovenfor).
Hovedbonding jumper. Hovedbonding jumperen er forbindelsen mellem den neutrale og udstyrsjordstængerne inden for service. Denne vitale forbindelse gør det muligt for jordfejlstrømmen at vende tilbage til kilden. Uden hovedbonding jumperen ville fejlen være nødt til at gå gennem højimpedansjord i stedet for lavimpedans kobber. Denne højimpedansvej ville højst sandsynligt begrænse strømmen og forhindre, at afbrydere udløser – eller i det mindste forhindre dem i at udløse hurtigt nok til at undgå beskadigelse af udstyr.
Dimensioner hovedbonding jumperen i henhold til tabel 250.66. Mange mennesker antager, at denne tabel angiver, at den maksimale størrelse af hovedbonding jumper er 3/0 AWG, men det er en anden almindelig misforståelse. Bonding jumperen skal være mindst 12,5% af det tilsvarende areal af faselederne . Hvis du kører 11 sæt af 500 kcmil ledere (f.eks. en 4.000A service), skal hovedbonding jumperen være mindst 700 kcmil, ikke 3/0 AWG.
Dette problem er mindre vigtigt med bonding jumpers til sekundært afledte systemer, f.eks. transformatorer og generatorer, da fejlstrømme typisk er meget lavere i disse systemer.
Dimensionering af udstyrsjordingsledere. Designere anvender typisk tabel 250.122 ved dimensionering af udstyrsjordingsledere. I de fleste tilfælde vil størrelsen være tilstrækkelig, især for små afgreninger. Men når den tilgængelige fejlstrøm er høj – f.eks. 100.000A – og når en opstrømsafbryder er indstillet til at forsinke sin udløsning i flere cyklusser, skal du dimensionere jordledere mere omhyggeligt.
Metalliske løbebaner, som typisk transporterer mere strøm end udstyrsjordledere, er måske ikke installeret korrekt eller kan gå fra hinanden med tiden. Som følge heraf kan udstyrsjordingslederen være den eneste tilgængelige jordreturvej. Underdimensionerede jordledere kan smelte under en fejl, før de opfylder deres formål om at levere en kontinuerlig strømvej med lav impedans tilbage til kilden under en fejltilstand.
Det er vigtigt at forstå, at ledere har modstandsdygtighedsklassificeringer. Insulated Cable Engineers Association stiller en standard til rådighed, der hedder Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, nummer P 32-382 (1994). Denne standard siger, at i en periode på 5 sekunder er en leders modstandsevne 1A pr. 42,25 cirkulære mils.
For eksempel kan en 3/0 AWG-leder sikkert bære 3,972A i 5 sekunder. I2T, 5 sekunders modstandsdygtighed er derfor 78.883.920A. Antag nu, at en afbryder er indstillet til at åbne efter 30 cyklusser – en forsinkelse, som du kan se ved service. Du kan hurtigt bestemme, at den maksimale strøm, som en 3/0 AWG kan bære i 30 cyklusser (0,5 sek.), er:
I2T = 78,883,920
I= √ (78,883,920÷T)
I= √ (78,883,920÷0.5)
I=12.560A
Men hvis den tilgængelige fejlstrøm er 65.000A eller 100.000A i den belastede ende af jordlederen, vil jordlederen hurtigt blive ødelagt i tilfælde af en fejl, hvis man antager, at det tager 30 cyklusser for afbryderen at åbne. Du bør være opmærksom på den tilgængelige fejlstrøm og tage højde for åbningstiden for afbryderne, især hoved- og feederafbryderne i hovedtavlen. Udfør I2T-beregninger som beskrevet ovenfor, især når den tilgængelige fejlstrøm er høj. Du kan se, at korrekt dimensionering af udstyrets jordledere ikke er så simpelt som at anvende NEC-minimumsgrænser.
Systemjordingsstrømme. Der er strøm til stede i jordingssystemet under normale driftsforhold, ikke kun under en fejltilstand. Dette forklarer sandsynligvis, hvorfor kodekset tillader, at jordfejlsensorer kan indstilles så højt som 1.200A for at forhindre generende udløsning.
Afhængigt af jordfejl kan flere ting producere strøm i jordingssystemet, herunder følgende:
-
Inducerede strømme fra tilstødende strømførende ledninger.
-
Inducerede strømme fra motorer (især enfasede).
-
Kapacitiv kobling mellem fase- og neutrale ledninger til jordledere. Dette fænomen er kendt for at forårsage generende GFCI-udløsninger i lange kredsløb.
-
Elektrostatisk udladning fra udstyr.
Gjordsløjfer. Du kan danne jordsløjfer gennem samspillet mellem strømjording og lavspændingskabler. Lavspændingskabler indeholder ofte en signaljordleder, som i det væsentlige kan binde de interne signaljordinger mellem forskellige dele af elektronisk udstyr sammen. Hvis der også findes en intern forbindelse mellem strømjord og signaljord i det elektroniske udstyr, kan strømmen flyde gennem denne løkke. Selv om afskærmede lavspændingskabler typisk kun er jordet i den ene ende for at forhindre jordsløjfer, kan en separat signaljordledning i afskærmningen stadig skabe en forbindelse.
Tænk på et computernetværk og afskærmningerne på enheder som printere, routere og arbejdsstationer for at få et eksempel på, hvor dette ofte forekommer. Hvis du forbinder forskellige dele af udstyret med hinanden, forbinder du enheder, der har et potentiale mellem deres respektive jordstifter (fig. 3). Hvis du har et komplet kredsløb gennem signaltrådene, har du en jordsløjfe. Jordstrømme vil strømme på grund af dette potentiale, og de vil skabe elektrisk støj, som kan forstyrre systemets drift. Elektromagnetiske felter, der passerer gennem denne sløjfe, kan også få strømmen til at flyde.
For at minimere dette fænomen skal du begrænse potentialet mellem disse forskellige jordingspunkter. TIA/EIA J-STD-607-A anbefaler et maksimumspotentiale på 1 V mellem jordingspunkterne. Interessant nok anbefaler den også én stor jordsløjfe til jording af bygninger med flere etager (fig. 4). I computernetværk har en begrænsning af potentialet mellem jordingspunkterne klart forrang frem for bekymringer om cirkulerende jordstrømssløjfer. Audiovisuelt udstyr er imidlertid meget mere følsomt.
En given bygning har hundredvis, hvis ikke tusindvis af lavspændingskabler, og hver enkelt kan danne sin egen jordsløjfe i kombination med strømjordingssystemet. Desværre er der ingen praktisk måde i en standardbygning at garantere et jævnt jordplan i hele bygningen.
Det bedste, du kan gøre, er at jordforbinde de vigtigste dele af udstyret korrekt. Det betyder, at du skal sørge for jordstænger i alle telekommunikations- og audio-/viderum og sikre dig, at hvert enkelt stykke udstyr i disse rum er forbundet med disse jordstænger. Dette sikrer et forholdsvis jævnt jordplan i rummet – i det mindste i det lavere frekvensområde.
En almindeligt foreskrevet kur mod disse former for jordingsproblemer er at tilvejebringe equipotentiale jordplaner over et bredt frekvensområde. Metoderne omfatter anvendelse af jordmasker inden for plader og signalreferencenetværk under hævede gulve. I betragtning af omkostningerne ved sådanne foranstaltninger er disse metoder typisk forbeholdt de mest følsomme kommunikationsfaciliteter – ikke typiske kommercielle eller institutionelle faciliteter. En ækquipotentiel jordplade er dog kun ét skridt. Det er ikke et universalmiddel mod jordsløjfer, fordi strømme altid kan induceres af elektromagnetiske felter, der passerer gennem ledere.
Lad dig ikke overvælde af den store mængde detaljer i forbindelse med jordforbindelse. At have styr på nogle få grundlæggende begreber om jordforbindelse bør hjælpe dig med at få styr på tingene. God jording er nøglen til et hvilket som helst anlægs operationelle succes, så jo mere informeret dine designs er, jo mere pålidelig vil installationen være, og jo færre strømkvalitetsproblemer vil dukke op.
Janof, P.E., er associeret og senior projektleder hos Sparling, et rådgivningsfirma inden for elektroteknik og teknologi med kontorer i Seattle og Portland.