Przybliżanie uziemienia do ziemi

Czy niezliczone zasady dotyczące uziemienia wydają się czasami zbyt trudne do opanowania? Czy problemy z wdrażaniem uziemienia pozostawiają cię czasem oszołomionym i zdezorientowanym, z właściwym rozwiązaniem, które wydaje się być nieco ponad twoją głowę? Jeśli tak, nie czuj się osamotniony.

Pomimo obszernej literatury na temat uziemienia, niektóre z jego ważnych koncepcji wydają się nieobecne w ustnej tradycji i regularnej praktyce przemysłu elektrycznego – a niektóre błędne koncepcje dotyczące uziemienia wydają się być solidnie zakotwiczone w ich miejscu. W rezultacie wiele projektów i instalacji nie jest tak niezawodnych lub tak bezpiecznych, jak mogłoby być.

Możesz jednak uniknąć zamieszania, jeśli zrozumiesz koncepcje kryjące się za tymi zasadami. Dzięki lepszemu zrozumieniu możesz mieć większą pewność, że Twój system uziemienia będzie działał zgodnie z Twoimi zamierzeniami.

Powrót do podstaw. Pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć jest to, że prąd zwarcia doziemnego – jak każda energia elektryczna – dąży do powrotu do źródła zasilania. Ta zasada jest tym, co sprawia, że obwody elektryczne działają w pierwszej kolejności. Co jest źródłem prądu ziemnozwarciowego? Nie pochodzi on z ziemi, ale z transformatora. Prawo Kirchoffa stwierdza, że prąd płynie odwrotnie proporcjonalnie do impedancji ścieżek, po których płynie. Zatem względne impedancje różnych ścieżek określają, w jaki sposób prąd uszkodzeniowy wraca do źródła.

Impedancja ścieżki między elektrodą uziemiającą a źródłem jest prawie zawsze znacznie wyższa niż impedancja ścieżki przez uziemienie/przewód uziemiający.

Jeśli nie masz pewności co do tego w swoim zakładzie, zmierz impedancję przewodu miedzianego od elektrody do źródła i porównaj ją z impedancją przez uziemienie.

Ta różnica w impedancji oznacza, że przez elektrodę uziemiającą przepływa tylko niewielka ilość prądu uszkodzeniowego. Usterka zazwyczaj przemieszcza się wzdłuż uziemienia urządzeń (przewodów i systemów bieżni metalowych), przez połączenie neutralne z uziemieniem i z powrotem do źródła przez uziemiony (neutralny) przewód. To wysoki prąd zwarcia płynący ścieżką o niskiej impedancji powoduje zadziałanie urządzenia nadprądowego – a nie znikoma ilość prądu przepływająca przez ziemię za pośrednictwem pręta uziemiającego (rys. 1).

Jeśli tak jest, to jaką funkcję pełni elektroda uziemiająca? Możesz wierzyć lub nie, ale ma ona kilka, w tym następujące:

• Ograniczanie napięć wywołanych wyładowaniami atmosferycznymi, przepięciami lub przypadkowym kontaktem z liniami o wyższym napięciu.

• Stabilizowanie napięcia do ziemi podczas normalnej pracy, pomagając utrzymać napięcie w przewidywalnych granicach.

• Wspomaganie zakładu energetycznego w usuwaniu własnych awarii, stając się w zasadzie częścią wielopunktowego systemu uziemienia zakładu energetycznego.

• Zapewnienie drogi do ziemi dla rozpraszania ładunków statycznych.

Rozstaw prętów uziemiających. Załóżmy, że wykonujesz pierwszy pręt uziemiający dla systemu. Jeśli ma on rezystancję uziemienia 25 omów lub więcej, zgodnie z normą 250.56 NEC 2005 należy wykonać drugi pręt. Jednak wielu wykonawców nie zawraca sobie głowy pomiarami rezystancji uziemienia. Po prostu planują wbicie dwóch prętów, ponieważ spełni to wymagania punktu 250.56, niezależnie od rzeczywistej rezystancji uziemienia. Tak więc, instalacje z dwoma prętami są powszechne, ale czy są one koniecznie poprawne?

Kodeks wymaga, aby pręty były rozmieszczone co najmniej 6 stóp od siebie. Jednak ten rozstaw jest minimalny i daleki od ideału. Używając typowego pręta uziemiającego o długości 8 stóp lub 10 stóp, najlepsze rezultaty uzyskuje się rozstawiając pręty odpowiednio w odległości co najmniej 16 lub 20 stóp od siebie. Jest to znacznie większa odległość niż wymagane przez kodeks minimum 6 stóp.

Uziomy oddalone od siebie o mniej niż dwie długości prętów będą się wzajemnie zakłócać, ponieważ ich efektywne obszary rezystancji będą się nakładać (rys. 2a powyżej). Patrz IEEE-142 i Soares Book on Grounding. Nakładanie się zwiększa rezystancję netto każdego pręta, przez co system elektrod uziemiających jest mniej skuteczny niż gdyby pręty były rozmieszczone dalej od siebie (rys. 2b powyżej).

Główna zwora łącząca. Główna zwora łącząca stanowi połączenie pomiędzy przewodem neutralnym a prętami uziemiającymi urządzenia w obrębie instalacji. To istotne połączenie umożliwia powrót prądu ziemnozwarciowego do źródła. Bez głównej zwory, prąd zwarcia musiałby płynąć przez uziemienie o wysokiej impedancji, a nie przez miedź o niskiej impedancji. Ta ścieżka o wysokiej impedancji najprawdopodobniej ograniczyłaby prąd i uniemożliwiłaby zadziałanie wyłączników – lub przynajmniej uniemożliwiłaby ich zadziałanie na tyle szybko, aby uniknąć uszkodzenia sprzętu.

Wymiar głównej zworki łączącej należy dobrać zgodnie z tabelą 250.66. Wiele osób zakłada, że tabela ta wskazuje, że maksymalny rozmiar głównej zworki łączącej to 3/0 AWG, ale to kolejne powszechne błędne przekonanie. Zworka łącząca musi mieć co najmniej 12,5% powierzchni równoważnej przewodom fazowym. Jeśli prowadzisz 11 zestawów przewodów 500 kcmil (na przykład usługa 4000A), główna zwora łącząca musi mieć minimum 700 kcmil, a nie 3/0 AWG.

Ta kwestia jest mniej istotna w przypadku zwór łączących dla systemów wtórnych, takich jak transformatory i generatory, ponieważ prądy zwarciowe są zwykle znacznie niższe w tych systemach.

Wymiarowanie przewodów uziemiających urządzeń. Projektanci zazwyczaj korzystają z tabeli 250.122 przy wymiarowaniu przewodów uziemiających urządzenia. W większości przypadków wielkość ta będzie odpowiednia, zwłaszcza dla małych obwodów odgałęzionych. Jednak gdy dostępny prąd zwarciowy jest wysoki – powiedzmy 100 000 A – i gdy wyłącznik automatyczny jest ustawiony na opóźnienie zadziałania o kilka cykli, należy dobrać przewody uziemiające bardziej ostrożnie.

Metalowe szyny prądowe, które zwykle przenoszą większy prąd niż przewody uziemiające sprzętu, mogą nie być zainstalowane prawidłowo lub z czasem mogą się rozpaść. W związku z tym przewód uziemiający sprzętu może być jedyną dostępną ścieżką powrotu uziemienia. Niewymiarowe przewody uziemiające mogą stopić się podczas awarii, zanim spełnią swoje zadanie zapewnienia ciągłej, niskoimpedancyjnej ścieżki prądowej z powrotem do źródła podczas awarii.

Ważne jest, aby zrozumieć, że przewody mają wartości znamionowe wytrzymałości. Stowarzyszenie Inżynierów Przewodów Izolowanych (Insulated Cable Engineers Association) wydało normę o nazwie Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, numer P 32-382 (1994). Norma ta mówi, że dla okresu 5 sekund, wytrzymałość przewodnika wynosi 1A na 42,25 milsów okrągłych.

Na przykład, przewodnik 3/0 AWG może bezpiecznie przenosić 3,972A przez 5 sekund. Wartość znamionowa wytrzymałości I2T, 5-sekundowa wynosi zatem 78,883,920A. Załóżmy teraz, że wyłącznik automatyczny jest ustawiony na otwarcie w 30 cyklach – opóźnienie, które można zaobserwować w serwisie. Możesz szybko określić, że maksymalny prąd, jaki 3/0 AWG może przenieść przez 30 cykli (0,5 s) wynosi:

I2T = 78,883,920

I= √ (78,883,920÷T)

I= √ (78,883,920÷0.5)

I=12 560A

Ale jeśli dostępny prąd uszkodzeniowy wynosi 65 000A lub 100 000A po stronie obciążenia przewodu uziemiającego, przewód uziemiający zostanie szybko zniszczony w przypadku uszkodzenia, zakładając, że otwarcie wyłącznika zajmuje 30 cykli. Należy pamiętać o dostępnym prądzie uszkodzeniowym i uwzględnić czas otwarcia wyłączników, szczególnie wyłączników głównych i zasilających w rozdzielnicy głównej. Wykonaj obliczenia I2T jak opisano powyżej, szczególnie gdy dostępny prąd uszkodzeniowy jest wysoki. Jak widać, prawidłowe zwymiarowanie przewodów uziemiających urządzenia nie jest tak proste, jak zastosowanie minimów NEC.

Prądy systemu uziemienia. Prąd jest obecny w systemie uziemienia podczas normalnych warunków pracy, a nie tylko podczas awarii. Prawdopodobnie wyjaśnia to, dlaczego kodeks zezwala, aby czujniki zwarć doziemnych były ustawione nawet na 1200 A w celu uniknięcia uciążliwych zadziałań.

Inne niż zwarcia doziemne czynniki mogą wytwarzać prąd w systemie uziemienia, w tym następujące:

• Prądy indukowane przez sąsiednie przewody przewodzące prąd.

• Prądy indukowane przez silniki (szczególnie jednofazowe).

• Sprzężenie pojemnościowe między przewodami fazowymi i neutralnymi z przewodami uziemiającymi. Zjawisko to jest znane jako przyczyna uciążliwych zadziałań GFCI w długich obwodach.

• Wyładowania elektrostatyczne z urządzeń.

Pętle uziemienia. Pętle uziemienia mogą powstawać w wyniku interakcji uziemienia zasilania i okablowania niskiego napięcia. Okablowanie niskiego napięcia często zawiera przewód uziemienia sygnału, który może zasadniczo połączyć wewnętrzne uziemienie sygnału pomiędzy różnymi elementami sprzętu elektronicznego. Jeśli istnieje wewnętrzne połączenie pomiędzy uziemieniem zasilania a uziemieniem sygnału w sprzęcie elektronicznym, prąd może przepływać przez tę pętlę. Chociaż ekranowane kable niskiego napięcia są zazwyczaj uziemione tylko na jednym końcu, aby zapobiec powstawaniu pętli uziemienia, oddzielny przewód uziemienia sygnału w ekranie może nadal tworzyć wiązanie.

Dla przykładu, gdzie to często występuje, pomyśl o sieci komputerowej i ekranach urządzeń takich jak drukarki, routery i stacje robocze. Jeśli łączymy ze sobą różne elementy wyposażenia, to łączymy urządzenia, które mają potencjał pomiędzy swoimi bolcami uziemiającymi (Rys. 3). Jeśli masz pełny obwód przez przewody sygnałowe, masz pętlę uziemienia. Prądy uziemienia będą płynąć z powodu tego potencjału i będą powodować szumy elektryczne, które mogą zakłócać pracę systemu. Pola elektromagnetyczne przechodzące przez tę pętlę mogą również powodować przepływ prądu.

Aby zminimalizować to zjawisko, należy ograniczyć potencjał pomiędzy tymi różnymi punktami uziemienia. TIA/EIA J-STD-607-A zaleca maksymalny potencjał 1V pomiędzy punktami uziemienia. Co ciekawe, zaleca ona również jedną dużą pętlę uziemienia do uziemiania budynków wielopiętrowych (rys. 4). W sieciach komputerowych ograniczanie potencjału między punktami uziemienia ma wyraźnie pierwszeństwo przed obawami o krążące pętle prądów uziemiających. Sprzęt audiowizualny jest jednak znacznie bardziej wrażliwy.

W każdym budynku znajdują się setki, jeśli nie tysiące kabli niskiego napięcia, a każdy z nich może tworzyć własną pętlę uziemienia w połączeniu z systemem uziemienia zasilania. Niestety, w standardowym budynku nie ma praktycznego sposobu, aby zagwarantować równą płaszczyznę uziemienia w całym budynku.

Najlepsze, co można zrobić, to prawidłowo uziemić kluczowe elementy wyposażenia. Oznacza to zapewnienie listew uziemiających we wszystkich pomieszczeniach telekomunikacyjnych i audio/wideo oraz upewnienie się, że każdy element wyposażenia w tych pomieszczeniach jest podłączony do tych listew uziemiających. Zapewnia to dość równą płaszczyznę uziemienia w pomieszczeniu – przynajmniej w zakresie niższych częstotliwości.

Powszechnie zalecanym lekarstwem na tego rodzaju problemy z uziemieniem jest zapewnienie ekwipotencjalnych płaszczyzn uziemienia w szerokim zakresie częstotliwości. Metody obejmują stosowanie siatek uziemienia w płytach oraz siatek odniesienia sygnału pod podłogami podniesionymi. Ze względu na koszt takich rozwiązań, metody te są zwykle zarezerwowane dla najbardziej wrażliwych obiektów komunikacyjnych – nie dla typowych obiektów komercyjnych czy instytucjonalnych. Ekwipotencjalna płaszczyzna uziemienia to jednak tylko jeden krok. Nie jest to lekarstwo na pętle uziemienia, ponieważ prądy zawsze mogą być indukowane przez pola elektromagnetyczne przechodzące przez przewodniki.

Nie należy dać się przytłoczyć ogromnej ilości drobiazgów związanych z uziemieniem. Zapoznanie się z kilkoma podstawowymi pojęciami dotyczącymi uziemienia powinno pomóc w uporządkowaniu spraw. Dobre uziemienie jest kluczem do sukcesu operacyjnego każdego obiektu, więc im lepiej przemyślane projekty, tym bardziej niezawodna będzie instalacja i tym mniej problemów z jakością zasilania pojawi się na powierzchni.

Janof, P.E., jest współpracownikiem i starszym kierownikiem projektu w firmie Sparling, zajmującej się doradztwem w zakresie inżynierii elektrycznej i technologii, posiadającej biura w Seattle i Portland.