A földelés földközelbe hozása

A földeléssel kapcsolatos számtalan szabály néha túl soknak tűnik? A földelés megvalósításával kapcsolatos problémák néha zavarba ejtik és összezavarják, és úgy tűnik, hogy a helyes megoldás egy kicsit a feje fölött van? Ha igen, ne érezze magát egyedül.

A földeléssel kapcsolatos kiterjedt szakirodalom ellenére úgy tűnik, hogy néhány fontos fogalom hiányzik az elektromos ipar szájhagyományából és rendszeres gyakorlatából – és néhány földelési tévhit is szilárdan rögzülni látszik a helyükön. Ennek következtében számos terv és telepítés nem olyan megbízható és biztonságos, mint amilyen lehetne.

De elkerülheti a zűrzavart, ha megérti a szabályok mögött álló fogalmakat. Ha jobban érti a szabályokat, nagyobb bizalma lehet abban, hogy a földelési rendszere úgy fog működni, ahogyan azt tervezte.

Vissza az alapokhoz. Az első dolog, amit meg kell érteni, hogy a földzárlatos áram – mint minden elektromos áram – igyekszik visszatérni az áramforrásához. Ez az elv az, ami miatt az elektromos áramkörök egyáltalán működnek. Mi a földzárlati áram forrása? Nem a földből ered, hanem a közüzemi transzformátorból.

Kirchoff törvénye kimondja, hogy az áram fordított arányban folyik a neki bemutatott útvonalak impedanciájával. Így a különböző útvonalak relatív impedanciája határozza meg, hogy a hibaáram hogyan jut vissza a forráshoz.

A földelő elektróda és a forrás közötti út impedanciája szinte mindig jelentősen nagyobb, mint a földelő/földelt vezetőn keresztülvezető út impedanciája.

Ha nem biztos ebben a létesítményében, mérje meg az elektróda és a forrás közötti rézvezeték impedanciáját, és hasonlítsa össze a földelésen keresztülvezető impedanciával.

Ez az impedancia-különbség azt jelenti, hogy a földelő elektródán keresztül csak egy nagyon kis mennyiségű hibaáram folyik. A hiba jellemzően a berendezés földelésén (vezetékek és fém futócsőrendszerek), a semleges-föld kötésen keresztül, majd a földelt (semleges) vezetőn keresztül vissza a forráshoz. A kis impedanciájú útvonalon áthaladó nagy hibaáram az, ami a túláramvédelmi készülék kioldását okozza – nem pedig az elhanyagolható mennyiségű áram, ami a földelőrúdon keresztül a szennyeződésen keresztül folyik (1. ábra).

Ha ez a helyzet, mi a földelőelektróda funkciója? Ha hiszik, ha nem, több is van, többek között a következő:

• A villámcsapás, a túlfeszültségek vagy a magasabb feszültségű vezetékekkel való véletlen érintkezés által kiváltott feszültségek korlátozása.

• A földelés feszültségének stabilizálása normál működés közben, segít a feszültséget kiszámítható határokon belül tartani.

• Azáltal, hogy alapvetően a közmű többpontos földelési rendszerének részévé válik, segíti a közművet a saját hibáinak elhárításában.

• Egy utat biztosít a föld felé a statikus feszültség levezetéséhez.

A földelőrúd távolsága. Tegyük fel, hogy egy rendszer első földelőrúdját meghajtja. Ha ennek a földelési ellenállása 25 ohm vagy annál nagyobb, a 2005-ös NEC 250.56 előírja, hogy egy második rudat is be kell vezetnie. Sok vállalkozó azonban nem veszi a fáradságot, hogy megmérje a földelési ellenállást. Egyszerűen két rúd behajtását tervezik, mert ezzel teljesítik a 250.56 követelményeit, függetlenül a tényleges földelési ellenállástól. Így a két rúddal történő telepítés gyakori, de vajon szükségszerűen helyes-e?

A szabályzat előírja, hogy a rudakat legalább 6 láb távolságra kell elhelyezni egymástól. Ez a távolság azonban minimális – és messze nem ideális. A tipikus 8 láb vagy 10 láb hosszú földelőrúd használata esetén a legjobb eredményt akkor érheti el, ha a rudakat legalább 16, illetve 20 láb távolságra helyezi el egymástól. Ez sokkal nagyobb, mint a Szabályzatban előírt minimális 6 lábnyi távolság.

A két rúdhossznál kisebb távolságra egymástól elhelyezett földelőrudak zavarják egymást, mivel effektív ellenállási területeik átfedik egymást (fenti 2a. ábra). Hivatkozásként lásd: IEEE-142 és Soares Book on Grounding. Az átfedés növeli az egyes rudak nettó ellenállását, így a földelő elektródarendszer kevésbé lesz hatékony, mintha a rudak egymástól távolabb lennének (fenti 2b. ábra).

Fő kötési átkötő. A fő kötési átkötő a szolgáltatáson belül a semleges és a berendezés földelő rúdjainak összekötője. Ez a létfontosságú kapcsolat lehetővé teszi, hogy a földzárlati áram visszatérjen a forráshoz. A fő összekötő áthidaló nélkül a hiba a kis impedanciájú réz helyett a nagy impedanciájú földön keresztül haladna. Ez a nagy impedanciájú útvonal valószínűleg korlátozná az áramot, és megakadályozná a megszakítók kioldását – vagy legalábbis megakadályozná, hogy elég hamar kioldjanak ahhoz, hogy elkerüljék a berendezés károsodását.

A 250.66. táblázat szerint méretezze a fő kötési átkötőt. Sokan azt feltételezik, hogy ez a táblázat azt jelzi, hogy a fő kötési átkötő jumper maximális mérete 3/0 AWG, de ez egy másik gyakori tévhit. A kötési áthidalónak a fázisvezetők egyenértékű területének legalább 12,5%-át kell elérnie. Ha 11 darab 500 kcmil-es vezetéket vezet (például egy 4000A-s szolgáltatás), akkor a fő kötési átkötőnek legalább 700 kcmil-esnek kell lennie, nem pedig 3/0 AWG-nek.

Ez a kérdés kevésbé aggasztó a szekunder származtatott rendszerek, például transzformátorok és generátorok kötési átkötői esetében, mivel azokban a rendszerekben a hibaáramok általában sokkal kisebbek.

A berendezések földelővezetékeinek méretezése. A tervezők általában a 250.122. táblázatot használják a berendezések földelővezetékeinek méretezésénél. A legtöbb esetben a méret megfelelő lesz, különösen a kis leágazó áramkörök esetében. Ha azonban a rendelkezésre álló hibaáram nagy – mondjuk 100 000 A -, és ha egy feljebb lévő megszakító úgy van beállítva, hogy több cikluson keresztül késleltesse a kioldást, akkor a földelővezetőket gondosabban kell méretezni.

A fém futóvezetékeket, amelyek jellemzően nagyobb áramot vezetnek, mint a berendezések földelővezetékei, esetleg nem megfelelően szerelik fel, vagy idővel széteshetnek. Következésképpen a berendezés földelővezetője lehet az egyetlen rendelkezésre álló földvisszatérési útvonal. Az alulméretezett földelővezetők megolvadhatnak a hiba során, mielőtt még betöltenék a céljukat, hogy hiba esetén folyamatos, alacsony impedanciájú áramutat biztosítsanak vissza a forráshoz.

Nagyon fontos megérteni, hogy a vezetők ellenállási értékekkel rendelkeznek. A szigetelt kábelekkel foglalkozó mérnökök szövetsége (Insulated Cable Engineers Association) szabványt ad ki a szigetelt kábelek rövidzárlati jellemzői (Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable) címmel, melynek száma P 32-382 (1994). Ez a szabvány kimondja, hogy 5 másodpercig egy vezető ellenállóképessége 42,25 körméretű milliméterenként 1A.

Egy 3/0 AWG vezeték például 5 másodpercig 3,972A-t képes biztonságosan elviselni. Az I2T, 5 másodperces ellenállóképesség tehát 78,883,920A. Most tegyük fel, hogy egy megszakítót úgy állítanak be, hogy 30 cikluson belül kinyíljon – ez a késleltetés a szervizben látható. Gyorsan meghatározhatja, hogy a 3/0 AWG 30 cikluson (0,5 másodperc) keresztül elvihető maximális áram:

I2T = 78,883,920

I= √ (78,883,920÷T)

I= √ (78,883,920÷0.5)

I=12,560A

De ha a rendelkezésre álló hibaáram 65,000A vagy 100,000A a földelő vezeték terhelés felőli végén, akkor a földelő vezeték hiba esetén gyorsan tönkremegy, feltételezve, hogy a megszakítónak 30 ciklusra van szüksége a kinyitáshoz. Figyelemmel kell lenni a rendelkezésre álló hibaáramra, és figyelembe kell venni a megszakítók, különösen a főkapcsolószekrényben lévő fő- és betápláló megszakítók nyitási idejét. Végezze el az I2T számításokat a fent leírtak szerint, különösen akkor, ha a rendelkezésre álló hibaáram nagy. Láthatja, hogy a berendezések földelővezetékeinek helyes méretezése nem olyan egyszerű, mint az NEC-minimumok alkalmazása.

A rendszer földelési áramai. A földelőrendszerben normál üzemi körülmények között is van áram, nem csak hiba esetén. Ez valószínűleg megmagyarázza, hogy a Szabályzat miért engedi meg, hogy a földzárlat-érzékelőket akár 1200A-ra is beállítsák, hogy megakadályozzák a zavaró kioldásokat.

A földzárlatokon kívül számos dolog okozhat áramot a földelési rendszerben, beleértve a következőket:

• A szomszédos áramvezető vezetékek indukált árama.

• Motorokból (különösen egyfázisúakból) indukált áramok.

• Kapacitív csatolás a fázis- és nullavezetékek és a földelővezetékek között. Ez a jelenség ismert arról, hogy hosszú áramkörökben zavaró GFCI kioldásokat okoz.

• Elektrosztatikus kisülés a berendezésekből.

Földhurok. Földhurkokat képezhet a hálózati földelés és a kisfeszültségű kábelezés kölcsönhatása révén. A kisfeszültségű kábelezés gyakran tartalmaz egy jelföldelő vezetőt, amely lényegében összekötheti a különböző elektronikus berendezések közötti belső jelföldeléseket. Ha az elektronikus berendezésen belül a hálózati földelés és a jelföldelés között is létezik egy belső kötés, akkor ezen a hurokon keresztül áram folyhat. Bár az árnyékolt kisfeszültségű kábeleket általában csak az egyik végén földelik a földhurok elkerülése érdekében, az árnyékoláson belüli külön jelföldelő vezeték mégis létrehozhat egy kötést.

Egy példa arra, hogy ez általában hol fordul elő, gondoljon egy számítógépes hálózatra és az olyan eszközök árnyékolásaira, mint a nyomtatók, routerek és munkaállomások. Ha különböző berendezéseket kapcsol össze, akkor olyan eszközöket kapcsol össze, amelyeknek a földelőtüskéi között potenciál van (3. ábra). Ha a jelkábeleken keresztül teljes áramkör van, akkor földhurok van. E potenciál miatt földáramok áramlanak, és ezek elektromos zajt okoznak, ami zavarhatja a rendszer működését. Az ezen a hurokon áthaladó elektromágneses mezők szintén áramot okozhatnak.

A jelenség minimalizálása érdekében korlátoznia kell a különböző földelési pontok közötti potenciált. A TIA/EIA J-STD-607-A legfeljebb 1 V-os potenciált javasol a földelési pontok között. Érdekes módon a többszintes épületek földeléséhez egy nagy földhurkot is javasol (4. ábra). A számítógépes hálózatokban a földelési pontok közötti potenciál korlátozása egyértelműen elsőbbséget élvez a földáram keringő hurkokkal kapcsolatos aggodalmakkal szemben. Az audiovizuális berendezések azonban sokkal érzékenyebbek.

Egy adott épületben több száz, ha nem több ezer kisfeszültségű kábel található, és mindegyik a hálózati földelési rendszerrel együtt saját földhurkot képezhet. Sajnos egy szabványos épületben nincs gyakorlati módja annak, hogy az egész épületben egyenletes földelést garantáljunk.

A legjobb, amit tehetünk, hogy megfelelően földeljük a legfontosabb berendezéseket. Ez azt jelenti, hogy minden távközlési és audio/video helyiségben földelősávokat kell biztosítani, és gondoskodni kell arról, hogy ezekben a helyiségekben minden berendezés ezekhez a földelősávokhoz legyen csatlakoztatva. Ez meglehetősen egyenletes földsíkot biztosít a helyiségen belül – legalábbis az alsó frekvenciatartományban.

Az ilyen jellegű földelési problémákra általánosan előírt gyógymód az egyenértékű potenciális földsíkok biztosítása a frekvenciák széles tartományában. A módszerek közé tartozik a födémeken belüli földhálók és a megemelt padló alatti jelreferenciarácsok használata. Tekintettel az ilyen intézkedések költségeire, ezeket a módszereket általában a legérzékenyebb kommunikációs létesítményekre tartják fenn – nem pedig a tipikus kereskedelmi vagy intézményi létesítményekre. Az egyenértékű földsík azonban csak egy lépés. Ez nem gyógyír a földhurok ellen, mivel a vezetőkön áthaladó elektromágneses mezők mindig indukálhatnak áramot.

Ne hagyja magát túlterhelni a földeléssel kapcsolatos rengeteg aprósággal. Néhány alapvető földelési fogalom ismerete segíthet a dolgok rendezésében. A jó földelés kulcsfontosságú bármely létesítmény működési sikeréhez, így minél tájékozottabb a tervei, annál megbízhatóbb lesz a létesítmény, és annál kevesebb áramminőségi probléma fog felszínre kerülni.

Janof, P.E., a Sparling, egy Seattle-i és Portland-i irodával rendelkező villamosmérnöki és technológiai tanácsadó cég munkatársa és vezető projektmenedzsere.