Aducând împământarea cu picioarele pe pământ

Multitudinea de reguli despre împământare pare uneori un pic prea mult pentru a fi gestionată? Problemele de implementare a împământării vă lasă uneori amețit și confuz, soluția corectă părând a fi un pic peste capul dumneavoastră? Dacă da, nu vă simțiți singuri.

În ciuda literaturii extinse despre împământare, unele dintre conceptele sale importante par să lipsească din tradiția orală și practica obișnuită a industriei electrice – iar unele concepții greșite despre împământare par să fie solid ancorate în locul lor. În consecință, multe proiecte și instalații nu sunt atât de fiabile sau de sigure pe cât ar putea fi.

Dar puteți să vă feriți de confuzie dacă înțelegeți conceptele din spatele regulilor. Cu o mai bună înțelegere, puteți avea mai multă încredere că sistemul dvs. de împământare va funcționa așa cum ați intenționat.

Înapoi la elementele de bază. Primul lucru pe care trebuie să-l înțelegeți este că curentul de defect de împământare – ca toată electricitatea – caută să se întoarcă la sursa sa de alimentare. Acest principiu este ceea ce face ca circuitele electrice să funcționeze în primul rând. Care este sursa curentului de defect la pământ? Acesta nu își are originea în pământ, ci la transformatorul de utilitate publică.

Legea lui Kirchoff afirmă că curentul va curge în mod invers proporțional cu impedanța căilor care îi sunt prezentate. Astfel, impedanțele relative ale diferitelor căi determină modul în care curentul de defect ajunge înapoi la sursa sa.

Impedanța căii dintre electrodul de împământare și sursă este aproape întotdeauna semnificativ mai mare decât impedanța căii prin conductorul de împământare/pământare.

Dacă nu sunteți sigur de acest lucru în instalația dumneavoastră, măsurați impedanța unui fir de cupru de la electrod la sursă și comparați-o cu impedanța prin pământ.

Această diferență de impedanță înseamnă că doar o cantitate infimă de curent de defect trece prin electrodul de împământare. Defectul se deplasează de obicei de-a lungul pământului echipamentului (conductoare și sisteme de conducte metalice), prin legătura neutru-pământ și înapoi la sursă prin conductorul împământat (neutru). Curentul de defect ridicat prin calea cu impedanță redusă este cel care determină declanșarea unui dispozitiv de supracurent – nu cantitatea neglijabilă de curent care circulă prin murdărie prin intermediul unei tije de împământare (Fig. 1).

Dacă așa stau lucrurile, care este funcția electrodului de împământare? Credeți sau nu, are mai multe, inclusiv următoarele:

• Limitarea tensiunilor impuse de fulgere, supratensiuni sau contactul accidental cu linii de tensiune mai mare.

• Stabilizarea tensiunii la pământ în timpul funcționării normale, ajutând la menținerea tensiunii în limite previzibile.

• Ajutorarea companiei de utilități în eliminarea propriilor defecte, devenind practic parte a sistemului de împământare în mai multe puncte al companiei de utilități.

• Furnizarea unei căi spre pământ pentru disiparea statică.

Distanțarea tijelor de împământare. Să presupunem că conduceți prima tijă de împământare pentru un sistem. Dacă aceasta are o rezistență la pământ de 25 ohmi sau mai mult, 250.56 din NEC 2005 vă cere să conduceți o a doua tijă. Dar mulți antreprenori nu se obosesc să măsoare rezistența la pământ. Pur și simplu plănuiesc să monteze două tije pentru că astfel vor îndeplini cerințele din 250.56, indiferent de rezistența reală la pământ. Astfel, instalațiile cu două tije sunt frecvente, dar sunt ele neapărat corecte?

Codul vă cere să spațiați tijele la o distanță de cel puțin 6 picioare între ele . Cu toate acestea, această spațiere reprezintă un minim – și este departe de a fi ideală. Atunci când folosiți tija de împământare tipică de 8 picioare sau 10 picioare, obțineți cele mai bune rezultate prin spațierea tijelor la cel puțin 16, respectiv 20 de picioare distanță. Acest lucru este mult mai mare decât spațierea minimă de 6 picioare prevăzută de Cod.

Tăblițele de împământare distanțate la mai puțin de două lungimi de tijă vor interfera una cu cealaltă deoarece zonele lor de rezistență efectivă se vor suprapune (Fig. 2a de mai sus). Pentru referință, consultați IEEE-142 și Cartea Soares privind împământarea. Suprapunerea crește rezistența netă a fiecărei tije, ceea ce face ca sistemul de electrozi de împământare să fie mai puțin eficient decât dacă tijele ar fi fost distanțate mai mult între ele (Fig. 2b de mai sus).

Ponta de legătură principală. Jumperul principal de legare la pământ este legătura dintre neutru și barele de împământare a echipamentului din cadrul serviciului. Această conexiune vitală permite curentului de defect la pământ să se întoarcă la sursă. Fără jumperul principal de legare la pământ, defectul ar trebui să se deplaseze prin pământ de înaltă impedanță mai degrabă decât prin cupru de joasă impedanță. Această cale de înaltă impedanță ar limita cel mai probabil curentul și ar împiedica declanșarea întrerupătoarelor de circuit – sau cel puțin le-ar împiedica să se declanșeze suficient de repede pentru a evita deteriorarea echipamentului.

Dimensionați jumperul principal de legare la pământ conform tabelului 250.66. Mulți oameni presupun că acest tabel indică faptul că dimensiunea maximă a jumperului principal de legare este 3/0 AWG, dar aceasta este o altă concepție greșită comună. Jumperul de legătură trebuie să fie de cel puțin 12,5% din suprafața echivalentă a conductorilor de fază . Dacă aveți 11 seturi de conductoare de 500 kcmil (un serviciu de 4.000A, de exemplu), jumperul principal de legare la pământ ar trebui să fie de minimum 700 kcmil, nu 3/0 AWG.

Această problemă este mai puțin îngrijorătoare în cazul jumperelor de legare la pământ pentru sistemele derivate secundare, cum ar fi transformatoarele și generatoarele, deoarece curenții de defect sunt de obicei mult mai mici în aceste sisteme.

Dimensionarea conductoarelor de legare la pământ a echipamentelor. Proiectanții folosesc de obicei tabelul 250.122 pentru dimensionarea conductoarelor de împământare a echipamentelor. În majoritatea cazurilor, dimensiunea va fi adecvată, în special pentru circuitele secundare mici. Dar când curentul de defect disponibil este mare – să spunem 100.000A – și când un întrerupător de circuit din amonte este setat să își întârzie declanșarea pentru mai multe cicluri, trebuie să dimensionați conductorii de împământare cu mai multă atenție.

Căile de rulare metalice, care de obicei transportă mai mult curent decât conductorii de împământare a echipamentelor, pot fi instalate necorespunzător sau se pot desface în timp. În consecință, conductorul de împământare a echipamentului poate fi singura cale de revenire la pământ disponibilă. Conductoarele de împământare subdimensionate se pot topi în timpul unei defecțiuni înainte de a-și îndeplini scopul de a oferi o cale continuă de curent de impedanță redusă înapoi la sursă în timpul unei condiții de defecțiune.

Este important să înțelegeți că conductorii au valori nominale de rezistență. Insulated Cable Engineers Association (Asociația inginerilor de cabluri izolate) oferă un standard numit Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable (Caracteristicile de scurtcircuit ale cablurilor izolate), numărul P 32-382 (1994). Acest standard spune că, pentru o perioadă de 5 secunde, capacitatea de rezistență a unui conductor este de 1A pe 42,25 milimetri circulari.

De exemplu, un conductor 3/0 AWG poate suporta în siguranță 3.972A timp de 5 secunde. Puterea nominală de rezistență I2T, timp de 5 secunde, este, prin urmare, de 78.883.920A. Acum, să presupunem că un întrerupător de circuit este setat să se deschidă în 30 de cicluri – o întârziere pe care s-ar putea să o vedeți la serviciu. Puteți determina rapid că curentul maxim pe care un 3/0 AWG îl poate suporta timp de 30 de cicluri (0,5 sec) este:

I2T = 78,883,920

I= √ (78,883,920÷T)

I= √ (78,883,920÷0.5)

I=12,560A

Dar dacă curentul de defect disponibil este de 65,000A sau 100,000A la capătul de sarcină al conductorului de împământare, conductorul de împământare va fi distrus rapid în cazul unui defect, presupunând că întrerupătorul de circuit are nevoie de 30 de cicluri pentru a se deschide. Trebuie să țineți cont de curentul de defect disponibil și să țineți cont de timpul de deschidere a întrerupătoarelor, în special a întrerupătoarelor principale și de linie din tabloul principal de distribuție. Efectuați calculele I2T conform descrierii de mai sus, în special atunci când curentul de defect disponibil este ridicat. Puteți vedea că dimensionarea corectă a conductoarelor de împământare a echipamentelor nu este la fel de simplă ca și aplicarea minimelor NEC.

Curenții sistemului de împământare. Curentul este prezent în sistemul de împământare în timpul condițiilor normale de funcționare, nu doar în timpul unei condiții de defect. Acest lucru explică probabil de ce Codul permite ca senzorii de defect de împământare să fie setați până la 1.200A pentru a preveni declanșările deranjante .

În afară de defectele de împământare, mai multe lucruri pot produce curent în sistemul de împământare, inclusiv următoarele:

• Curenți induși de la firele adiacente purtătoare de curent.

• Curenți induși de la motoare (în special monofazate).

• Cuplaj capacitiv între firele de fază și neutre la conductorii de împământare. Acest fenomen este cunoscut ca fiind cauza declanșării deranjante a GFCI în circuitele lungi.

• Descărcare electrostatică de la echipamente.

Bucle de împământare. Se pot forma bucle de masă prin interacțiunea dintre împământarea de putere și cablarea de joasă tensiune. Cablajul de joasă tensiune conține adesea un conductor de împământare a semnalului care, în esență, poate lega între ele împământarea internă a semnalelor între diferite echipamente electronice. Dacă există, de asemenea, o legătură internă între împământarea de alimentare și împământarea de semnal în cadrul echipamentului electronic, curentul poate trece prin această buclă. Deși cablurile ecranate de joasă tensiune sunt de obicei împământate doar la un capăt pentru a preveni buclele de masă, un conductor separat de împământare a semnalului în interiorul ecranului poate crea totuși o legătură.

Pentru un exemplu de situație în care acest lucru apare în mod obișnuit, gândiți-vă la o rețea de calculatoare și la ecranele de pe dispozitive precum imprimantele, routerele și stațiile de lucru. Dacă conectați diferite echipamente între ele, interconectați dispozitive care au un potențial între pinii lor de masă respectivi (Fig. 3). Dacă aveți un circuit complet prin firele de semnal, aveți o buclă de masă. Curenții de masă vor circula din cauza acestui potențial și vor crea zgomot electric care poate interfera cu funcționarea sistemului. Câmpurile electromagnetice care trec prin această buclă ar putea, de asemenea, să provoace circulația curentului.

Pentru a minimiza acest fenomen, trebuie să limitați potențialul dintre aceste diverse puncte de împământare. TIA/EIA J-STD-607-A recomandă un potențial maxim de 1V între punctele de împământare. Interesant este faptul că aceasta recomandă, de asemenea, o singură buclă mare de împământare pentru împământarea clădirilor cu mai multe etaje (Fig. 4). În rețelele de calculatoare, limitarea potențialului între punctele de împământare are în mod clar prioritate față de preocupările legate de buclele de circulație a curenților de împământare. Cu toate acestea, echipamentele audiovizuale sunt mult mai sensibile.

Oricărei clădiri îi corespund sute, dacă nu chiar mii de cabluri de joasă tensiune, iar fiecare poate forma propria buclă de împământare în combinație cu sistemul de împământare a energiei electrice. Din păcate, nu există nicio modalitate practică într-o clădire standard de a garanta un plan de împământare uniform în toată clădirea.

Cel mai bun lucru pe care îl puteți face este să împământați corespunzător echipamentele cheie. Acest lucru înseamnă să furnizați bare de împământare în toate camerele de telecomunicații și audio/video și să vă asigurați că fiecare echipament din aceste camere este legat la aceste bare de împământare. Acest lucru asigură un plan de împământare destul de uniform în interiorul încăperii – cel puțin în gama inferioară de frecvențe.

Un remediu prescris în mod obișnuit pentru aceste tipuri de probleme de împământare este de a furniza planuri de împământare echipotențiale pe o gamă largă de frecvențe. Metodele includ utilizarea de ochiuri de masă în interiorul plăcilor și de grile de referință a semnalelor sub podele ridicate. Având în vedere costul acestor măsuri, aceste metode sunt de obicei rezervate celor mai sensibile instalații de comunicații – nu instalațiilor comerciale sau instituționale tipice. Cu toate acestea, un plan de masă echipotențial reprezintă doar un pas. Nu este un leac pentru buclele de împământare, deoarece curenții pot fi întotdeauna induși de câmpurile electromagnetice care trec prin conductori.

Nu vă lăsați copleșit de cantitatea mare de amănunte legate de împământare. Având un control asupra câtorva concepte de bază privind împământarea ar trebui să vă ajute să rezolvați lucrurile. O bună împământare este esențială pentru succesul operațional al oricărei instalații, așa că, cu cât proiectele dvs. sunt mai bine informate, cu atât mai fiabilă va fi instalația și cu atât mai puține probleme de calitate a energiei electrice vor apărea.

Janof, P.E., este asociat și manager de proiect senior la Sparling, o firmă de consultanță în inginerie electrică și tehnologie cu birouri în Seattle și Portland.