Tuntuvatko maadoittamista koskevat lukemattomat säännöt joskus liian raskailta? Jättävätkö maadoituksen toteuttamiseen liittyvät ongelmat sinut joskus hämmentyneeksi ja hämmentyneeksi, ja oikea ratkaisu tuntuu olevan hieman yli ymmärryksesi? Jos näin on, älä tunne oloasi yksinäiseksi.
Laajasta maadoitusta käsittelevästä kirjallisuudesta huolimatta jotkin sen tärkeistä käsitteistä tuntuvat puuttuvan sähköalan suullisesta perinteestä ja säännöllisestä käytännöstä – ja jotkin maadoitukseen liittyvät väärinkäsitykset tuntuvat olevan tukevasti ankkuroituneina niiden tilalle. Tämän seurauksena monet suunnitelmat ja asennukset eivät ole niin luotettavia tai turvallisia kuin ne voisivat olla.
Mutta voit välttyä sekaannuksilta, jos ymmärrät sääntöjen taustalla olevat käsitteet. Paremman ymmärryksen avulla voit luottaa siihen, että maadoitusjärjestelmäsi toimii tarkoitetulla tavalla.
Paluu perusasioihin. Ensimmäinen asia, joka on ymmärrettävä, on se, että maasulkuvirta – kuten kaikki sähkö – pyrkii palaamaan virtalähteeseensä. Tämä periaate saa sähköpiirit ylipäätään toimimaan. Mikä on maasulkuvirran lähde? Se ei ole peräisin maasta, vaan muuntajasta.
Kirchoffin lain mukaan virta kulkee kääntäen verrannollinen sille esitettyjen reittien impedanssiin. Näin ollen eri reittien suhteelliset impedanssit määräävät, miten vikavirta pääsee takaisin lähteeseensä.
Maadoituselektrodin ja lähteen välisen reitin impedanssi on lähes aina huomattavasti suurempi kuin maadoitetun/maadoitetun johtimen kautta kulkevan reitin impedanssi.
Jos olet epävarma tästä laitoksessasi, mittaa kuparijohdon impedanssi elektrodista lähteeseen ja vertaa sitä maan kautta kulkevaan impedanssiin.
Tämä impedanssin ero tarkoittaa, että vain pieni osa vikavirrasta kulkee maadoituselektrodin läpi. Vika kulkee tyypillisesti laitemaata pitkin (johtimet ja metalliset kanavajärjestelmät), nolla-maadoitusliitoksen kautta ja takaisin lähteeseen maadoitetun (nollajohtimen) kautta. Pieniimpedanssisen reitin läpi kulkeva suuri vikavirta aiheuttaa ylivirtalaitteen laukeamisen – ei se vähäpätöinen määrä virtaa, joka kulkee maadoitussauvan kautta lian läpi (kuva 1).
Jos näin on, mikä on maadoituselektrodin tehtävä? Usko tai älä, sillä on useita, muun muassa seuraavat:
-
Salaman, ylijännitteiden tai vahingossa tapahtuvan kosketuksen korkeamman jännitteen johtoihin aiheuttamien jännitteiden rajoittaminen.
-
Jännitteen vakauttaminen maadoitukseen normaalin käytön aikana, mikä auttaa pitämään jännitteen ennustettavissa olevissa rajoissa.
-
Tukee sähkölaitosta sen omien vikojen selvittämisessä tulemalla periaatteessa osaksi sähkölaitoksen monipistemaadoitusjärjestelmää.
-
Tarjoaa reitin maahan staattisen staattisen sähkön purkautumista varten.
Maadoitussauvojen välit. Oletetaan, että ajat järjestelmän ensimmäisen maadoitussauvan. Jos sen maadoitusresistanssi on 25 ohmia tai enemmän, vuoden 2005 NEC:n 250.56 kohdassa edellytetään, että asennat toisen tangon. Monet urakoitsijat eivät kuitenkaan vaivaudu mittaamaan maadoitusresistanssia. He yksinkertaisesti suunnittelevat ajavansa kaksi tankoa, koska se täyttää 250.56 kohdan vaatimukset riippumatta todellisesta maadoitusresistanssista. Näin ollen kahden tangon asennukset ovat yleisiä, mutta ovatko ne välttämättä oikeita?
Säännöstö edellyttää, että tangot sijoitetaan vähintään kahden metrin välein. Tämä välimatka on kuitenkin minimi – ja kaukana ihanteellisesta. Kun käytät tyypillistä 8 jalan tai 10 jalan maasauvaa, saat parhaan tuloksen sijoittamalla sauvat vähintään 16 tai 20 jalan välein. Tämä on paljon enemmän kuin säännöstön mukainen 6 jalan vähimmäisetäisyys.
Maasulkutangot, jotka on sijoitettu alle kahden tankopituuden päähän toisistaan, häiritsevät toisiaan, koska niiden teholliset vastusalueet menevät päällekkäin (kuva 2a yllä). Katso IEEE-142 ja Soares Book on Grounding. Päällekkäisyys kasvattaa kunkin sauvan nettovastusta, jolloin maadoituselektrodijärjestelmä ei ole yhtä tehokas kuin jos sauvat olisivat kauempana toisistaan (kuva 2b yllä).
Pääliitäntähyppääjä. Pääliitäntähyppääjä on yhteys nollajohtimen ja laitteiston maadoitussauvojen välillä käyttökohteessa. Tämä elintärkeä yhteys mahdollistaa maasulkuvirran paluun lähteeseen. Ilman pääliitäntähyppääjää vian olisi kuljettava korkea-impedanssisen maan kautta matalaimpedanssisen kuparin sijaan. Tämä korkea-impedanssinen reitti todennäköisesti rajoittaisi virtaa ja estäisi katkaisijoiden laukeamisen – tai ainakin estäisi niiden laukeamisen riittävän pian, jotta vältyttäisiin laitevaurioilta.
Mitoita pääliitäntähyppääjä taulukon 250.66 mukaisesti. Monet olettavat, että tämän taulukon mukaan pääkytkentähyppääjän maksimikoko on 3/0 AWG, mutta tämäkin on yleinen väärinkäsitys. Bondausjumpperin on oltava vähintään 12,5 % vaihejohtimien vastaavasta pinta-alasta . Jos käytössäsi on 11 500 kcmil:n johtosarjaa (esimerkiksi 4 000 A:n palvelu), pääliitäntähyppääjän on oltava vähintään 700 kcmil:n kokoinen, ei 3/0 AWG.
Tämä ongelma ei ole yhtä suuri huolenaihe sekundääristen johdettujen järjestelmien, kuten muuntajien ja generaattoreiden, liitäntähyppääjien kohdalla, koska vikavirrat ovat tyypillisesti paljon pienempiä näissä järjestelmissä. Suunnittelijat käyttävät yleensä taulukkoa 250.122 mitoittaessaan laitteiden maadoitusjohtimia. Useimmissa tapauksissa koko on riittävä, erityisesti pienissä haarapiireissä. Mutta kun käytettävissä oleva vikavirta on suuri – vaikkapa 100 000 A – ja kun ylempänä oleva katkaisija on asetettu viivästyttämään laukaisua useilla jaksoilla, maadoitusjohtimet on mitoitettava huolellisemmin.
Metallirakenteisia juoksuputkia, jotka kuljettavat tyypillisesti suurempaa virtaa kuin laitteiden maadoitusjohtimet, ei ehkä asenneta kunnolla tai ne saattavat hajota ajan myötä. Näin ollen laitteiden maadoitusjohdin voi olla ainoa käytettävissä oleva maadoituksen paluureitti. Alimitoitetut maadoitusjohtimet saattavat sulaa vian aikana, ennen kuin ne täyttävät tarkoituksensa tarjota vikatilanteessa jatkuva matalaimpedanssinen virtapaluureitti takaisin lähteeseen.
On tärkeää ymmärtää, että johtimilla on kestävyysluokitukset. Insulated Cable Engineers Association tarjoaa standardin nimeltä Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, numero P 32-382 (1994). Tässä standardissa sanotaan, että 5 sekunnin ajan johtimen kestoluokitus on 1 A per 42,25 ympyrämillimetriä.
Esimerkiksi 3/0 AWG -johdin kestää turvallisesti 3 972 A 5 sekunnin ajan. I2T, 5 sekunnin kestokestävyys on siis 78 883 920A. Oletetaan nyt, että katkaisija on asetettu avautumaan 30 syklissä – viive, jonka saatat nähdä palvelussa. Voit nopeasti määrittää, että maksimivirta, jonka 3/0 AWG voi kantaa 30 jakson ajan (0,5 sekuntia), on:
I2T = 78,883,920
I= √ (78,883,920÷T)
I= √ (78,883,920÷0.5)
I=12,560A
Mutta jos käytettävissä oleva vikavirta on 65,000A tai 100,000A maadoitusjohtimen kuorman päässä, maadoitusjohdin tuhoutuu vikatilanteessa nopeasti, jos oletetaan, että katkaisijan avautuminen kestää 30 jaksoa. Käytettävissä oleva vikavirta on huomioitava ja otettava huomioon katkaisijoiden, erityisesti pääkeskuksessa olevien pää- ja syöttökatkaisijoiden, avautumisaika. Suorita I2T-laskelmat edellä kuvatulla tavalla erityisesti silloin, kun käytettävissä oleva vikavirta on suuri. Näet, että laitteiden maadoitusjohtimien oikea mitoitus ei ole niin yksinkertaista kuin NEC:n minimien soveltaminen.
Maadoitusjärjestelmän virrat. Maadoitusjärjestelmässä on virtaa normaaleissa käyttöolosuhteissa, ei vain vikatilanteen aikana. Tämä selittänee sen, miksi säännöstö sallii maasulkuantureiden asettamisen jopa 1200A:n suuruiseksi häiritsevien laukaisujen estämiseksi.
Muut kuin maasulkuviat, useat asiat voivat tuottaa virtaa maadoitusjärjestelmään, mukaan lukien seuraavat:
-
Naapurissa sijaitsevien virtaa johtavien johtojen indusoimat virrat.
-
Moottoreiden (erityisesti yksivaiheisten) indusoimat virrat.
-
Vaihe- ja nollajohtimien kapasitiivinen kytkentä maadoitusjohtimiin. Tämän ilmiön tiedetään aiheuttavan häiritseviä GFCI-laukaisuja pitkissä virtapiireissä.
-
Sähköstaattinen purkautuminen laitteista.
Maasilmukat. Maasilmukoita voi muodostua virtamaadoituksen ja pienjännitekaapeloinnin yhteisvaikutuksesta. Pienjännitekaapelointi sisältää usein signaalimaadoitusjohtimen, joka voi olennaisesti yhdistää eri elektroniikkalaitteiden sisäiset signaalimaadoitukset toisiinsa. Jos elektroniikkalaitteessa on sisäinen sidos myös virtamaadoituksen ja signaalimaadoituksen välillä, virta voi kulkea tämän silmukan läpi. Vaikka suojatut pienjännitekaapelit maadoitetaan yleensä vain toisesta päästä maasilmukoiden estämiseksi, suojauksen sisällä oleva erillinen signaalimaadoitusjohdin voi silti luoda sidoksen.
Esimerkkinä tapauksesta, jossa tämä tapahtuu yleisesti, ajattele tietokoneverkkoa ja laitteiden, kuten tulostimien, reitittimien ja työasemien, suojia. Jos yhdistät eri laitteita toisiinsa, yhdistät laitteita, joilla on potentiaali niiden maadoituspinnien välillä (kuva 3). Jos signaalijohtojen kautta kulkee täydellinen virtapiiri, kyseessä on maasilmukka. Maasähkövirrat kulkevat tämän potentiaalin vuoksi, ja ne aiheuttavat sähköistä kohinaa, joka voi häiritä järjestelmän toimintaa. Tämän silmukan läpi kulkevat sähkömagneettiset kentät voivat myös aiheuttaa virran kulkua.
Tämän ilmiön minimoimiseksi sinun on rajoitettava näiden eri maadoituspisteiden välistä potentiaalia. TIA/EIA J-STD-607-A suosittelee, että maadoituspisteiden välinen potentiaali on enintään 1 V. Mielenkiintoista on, että siinä suositellaan myös yhtä suurta maadoitussilmukkaa monikerroksisten rakennusten maadoittamiseen (kuva 4). Tietokoneverkoissa maadoituspisteiden välisen potentiaalin rajoittaminen on selvästi tärkeämpää kuin huoli maasähköjen kiertosilmukoista. Audiovisuaaliset laitteet ovat kuitenkin paljon herkempiä.
Kussakin rakennuksessa on satoja, ellei jopa tuhansia pienjännitekaapeleita, ja kukin niistä voi muodostaa oman maasilmukan yhdessä sähkömaadoitusjärjestelmän kanssa. Valitettavasti tavallisessa rakennuksessa ei ole mitään käytännöllistä tapaa taata tasaista maadoitusta koko rakennuksessa.
Parasta, mitä voit tehdä, on maadoittaa tärkeimmät laitteet kunnolla. Tämä tarkoittaa maadoituskiskojen asettamista kaikkiin tietoliikenne- ja audio/videohuoneisiin ja sen varmistamista, että jokainen näissä huoneissa oleva laite on kytketty näihin maadoituskiskoihin. Näin varmistetaan melko tasainen maadoitustaso huoneen sisällä – ainakin alemmalla taajuusalueella.
Yleisesti määrätty parannuskeino tämäntyyppisiin maadoitusongelmiin on tarjota ekvipotentiaalisia maadoitustasoja laajalla taajuusalueella. Menetelmiin kuuluu muun muassa maaverkkojen käyttö laattojen sisällä ja signaalin referenssiverkkojen käyttö korotettujen lattioiden alla. Koska tällaiset toimenpiteet ovat kalliita, nämä menetelmät on tyypillisesti varattu kaikkein herkimpiin tietoliikennetiloihin – ei tyypillisiin kaupallisiin tai institutionaalisiin tiloihin. Tasapotentiaalinen maataso on kuitenkin vain yksi vaihe. Se ei ole parannuskeino maasilmukoihin, koska johtimien läpi kulkevat sähkömagneettiset kentät voivat aina indusoida virtoja.
Ei maadoitukseen liittyvien yksityiskohtien valtava määrä saa hukkua. Muutaman maadoituksen peruskäsitteen hallitseminen auttaa sinua selvittämään asioita. Hyvä maadoitus on avainasemassa minkä tahansa laitoksen toiminnallisen menestyksen kannalta, joten mitä enemmän tietoa suunnittelet, sitä luotettavampi asennus on ja sitä vähemmän sähkön laatuun liittyviä ongelmia tulee esiin.
Janof, P.E., on osakas ja vanhempi projektipäällikkö Sparlingissa, sähkösuunnittelu- ja teknologiakonsultointiyrityksessä, jolla on toimistot Seattlessa ja Portlandissa.