Att få jordeläggning ner till jorden

Kommer de otaliga reglerna om jordeläggning ibland att kännas lite för mycket att hantera? Lämnar problem med att implementera jordförbindelse dig ibland förvirrad och förvirrad, med den korrekta lösningen som tycks vara lite över huvudet på dig? Om så är fallet, känn dig inte ensam.

Trots den omfattande litteraturen om jordning verkar några av dess viktiga begrepp saknas i elbranschens muntliga tradition och regelbundna praxis – och vissa missuppfattningar om jordning verkar vara fast förankrade i deras ställe. Följaktligen är många konstruktioner och installationer inte så tillförlitliga eller säkra som de skulle kunna vara.

Men du kan undvika förvirringen om du förstår begreppen bakom reglerna. Med en bättre förståelse kan du ha större förtroende för att ditt jordningssystem kommer att fungera som du tänkt dig.

Tillbaka till grunderna. Det första man måste förstå är att jordfelsström – liksom all elektricitet – strävar efter att återvända till sin kraftkälla. Denna princip är det som gör att elektriska kretsar överhuvudtaget fungerar. Vad är källan till jordfelsströmmen? Den kommer inte från jorden, utan från transformatorn.

Kirchoffs lag säger att strömmen flyter i omvänd proportion till impedansen hos de vägar som presenteras för den. De relativa impedanserna för de olika vägarna bestämmer således hur felströmmen kommer tillbaka till källan.

Impedansen för vägen mellan jordelektroden och källan är nästan alltid betydligt högre än impedansen för vägen genom den jordade/jordade ledaren.

Om du är osäker på detta vid din anläggning kan du mäta impedansen hos en koppartråd från elektroden till källan och jämföra den med impedansen genom jordledaren.

Denna skillnad i impedans innebär att endast en mycket liten del av felströmmen går genom jordelektroden. Felet går vanligtvis längs utrustningsjorden (ledare och metallkanalssystem), genom neutraljordförbindelsen och tillbaka till källan genom den jordade (neutrala) ledaren. Det är den höga felströmmen genom den lågimpedanta banan som gör att en överströmsanordning utlöses – inte den försumbara strömmen som flyter genom smutsen via en jordstång (bild 1).

Om det är så, vad är då jordelektrodans funktion? Tro det eller ej, den har flera, bland annat följande:

• Begränsning av spänningar som orsakas av blixtnedslag, överspänningar eller oavsiktlig kontakt med ledningar med högre spänning.

• Stabilisering av spänningen till jorden under normal drift, vilket bidrar till att hålla spänningen inom förutsägbara gränser.

• Hjälper elbolaget att avhjälpa sina egna fel genom att i princip bli en del av elbolagets flerpunktsjordingssystem.

• Gör en väg till jorden för statisk dissipation.

Avstånd mellan jordstänger. Antag att du driver den första jordstången för ett system. Om den har ett jordmotstånd på 25 ohm eller mer kräver 250.56 i 2005 års NEC att du driver en andra stav. Men många entreprenörer bryr sig inte om att mäta jordmotståndet. De planerar helt enkelt att driva två stavar eftersom det uppfyller kraven i 250.56, oavsett det faktiska jordmotståndet. Installationer med två stavar är alltså vanliga, men är de nödvändigtvis korrekta?

Normen kräver att du ska placera stavarna minst 6 fot från varandra. Detta avstånd är dock ett minimum – och långt ifrån idealiskt. När du använder den typiska 8-fots eller 10-fots jordstången får du bäst resultat om du placerar stängerna minst 16 respektive 20 fot ifrån varandra. Detta är mycket större än minimiavståndet på 6 fot enligt koden.

Gjordstänger som är placerade med mindre än två stängerlängder mellan varandra kommer att störa varandra eftersom deras effektiva motståndsområden kommer att överlappa varandra (fig. 2a ovan). För referens, se IEEE-142 och Soares Book on Grounding. Överlappningen ökar nettoresistansen för varje stav, vilket gör jordelektrodsystemet mindre effektivt än om stavarna var placerade längre ifrån varandra (fig. 2b ovan).

Huvudbindningsbryggare. Huvudbindningsbryggan är länken mellan neutral- och utrustningsjordstängerna inom tjänsten. Denna viktiga förbindelse gör det möjligt för jordfelsströmmen att återvända till källan. Utan huvudbindningsbryggan skulle felet vara tvunget att gå genom högimpedant jord i stället för lågimpedant koppar. Denna högimpedansväg skulle med största sannolikhet begränsa strömmen och förhindra att brytare utlöses – eller åtminstone förhindra att de utlöses tillräckligt snabbt för att undvika skador på utrustningen.

Dimensionera huvudbindningsbryggan enligt tabell 250.66. Många antar att denna tabell anger att den maximala storleken på huvudbindningsbryggan är 3/0 AWG, men det är en annan vanlig missuppfattning. Bonding jumper måste vara minst 12,5 % av fasledarnas ekvivalenta area . Om du kör 11 uppsättningar av 500 kcmil-ledare (t.ex. en tjänst på 4 000 A) måste huvudbonding jumper vara minst 700 kcmil, inte 3/0 AWG.

Detta problem är mindre viktigt när det gäller bonding jumper för sekundärt härledda system, t.ex. transformatorer och generatorer, eftersom felströmmarna vanligtvis är mycket lägre i dessa system.

Dimensionering av utrustningens jordningsledare. Konstruktörer använder vanligtvis tabell 250.122 när de dimensionerar utrustningens jordledare. I de flesta fall är storleken tillräcklig, särskilt för små grenkretsar. Men när den tillgängliga felströmmen är hög – säg 100 000 A – och när en uppströmsströmbrytare är inställd för att fördröja sin utlösning i flera cykler, måste du dimensionera jordledare mer noggrant.

Metalliska kabelbanor, som vanligtvis leder mer ström än utrustningens jordledare, kanske inte installeras på rätt sätt eller kan lossna med tiden. Följaktligen kan utrustningsjordledaren vara den enda tillgängliga jordåterföringsvägen. Underdimensionerade jordningsledare kan smälta under ett fel innan de uppfyller sitt syfte att tillhandahålla en kontinuerlig lågimpedansströmväg tillbaka till källan under ett feltillstånd.

Det är viktigt att förstå att ledare har motståndskrafter. Insulated Cable Engineers Association tillhandahåller en standard som heter Short-Circuit Characteristics of Insulated Cable, nummer P 32-382 (1994). Denna standard säger att för en period på 5 sekunder är en ledares motståndskraft 1A per 42,25 cirkulära mils.

En 3/0 AWG-ledare kan t.ex. säkert bära 3 972A i 5 sekunder. I2T-värdet för 5 sekunder är därför 78 883 920A. Anta nu att en brytare är inställd på att öppna efter 30 cykler – en fördröjning som du kan se vid service. Du kan snabbt bestämma att den maximala strömmen som en 3/0 AWG kan bära i 30 cykler (0,5 sekunder) är:

I2T = 78 883 920

I= √ (78 883 920÷T)

I= √ (78 883 920÷0.5)

I=12 560A

Men om den tillgängliga felströmmen är 65 000A eller 100 000A vid jordledarens belastningsände kommer jordledaren snabbt att förstöras vid ett fel, om man antar att brytaren tar 30 cykler att öppna. Du bör vara uppmärksam på den tillgängliga felströmmen och ta hänsyn till öppningstiden för brytare, särskilt huvud- och matarbrytare i huvudcentralen. Utför I2T-beräkningar enligt beskrivningen ovan, särskilt när den tillgängliga felströmmen är hög. Du kan se att korrekt dimensionering av utrustningens jordledare inte är så enkelt som att tillämpa NEC-minimum.

Gjordningssystemets strömmar. Det finns strömmar i jordningssystemet under normala driftsförhållanden, inte bara under ett feltillstånd. Detta förklarar förmodligen varför koden tillåter att jordfelsgivare ställs in så högt som 1 200 A för att förhindra störande utlösningar .

Andra saker än jordfel kan flera saker producera ström i jordningssystemet, bland annat följande:

• Inducerade strömmar från intilliggande strömförande ledningar.

• Inducerade strömmar från motorer (särskilt enfasiga).

• Kapacitiv koppling mellan fas- och nollledare till jordledarna. Detta fenomen är känt för att orsaka störande GFCI-utlösningar i långa kretsar.

• Elektrostatisk urladdning från utrustning.

Jordslingor. Du kan bilda jordslingor genom samverkan mellan kraftjordning och lågspänningskablar. Lågspänningskablar innehåller ofta en signaljordsledare som i huvudsak kan binda ihop de interna signaljordarna mellan olika delar av elektronisk utrustning. Om det också finns en intern förbindelse mellan strömjorden och signaljorden i den elektroniska utrustningen kan strömmen flöda genom denna slinga. Även om skärmade lågspänningskablar vanligtvis är jordade endast i ena änden för att förhindra jordslingor, kan en separat signaljordsledning inom skölden ändå skapa en förbindelse.

För att få ett exempel på var detta vanligtvis inträffar, tänk på ett datornätverk och sköldarna på enheter som skrivare, routrar och arbetsstationer. Om du kopplar ihop olika delar av utrustningen kopplar du ihop enheter som har en potential mellan sina respektive jordstift (fig. 3). Om du har en fullständig krets genom signalkablarna har du en jordslinga. Jordströmmar kommer att flöda på grund av denna potential, och de kommer att skapa elektriskt brus som kan störa systemets funktion. Elektromagnetiska fält som passerar genom denna slinga kan också orsaka att strömmar flödar.

För att minimera detta fenomen måste du begränsa potentialen mellan dessa olika jordpunkter. TIA/EIA J-STD-607-A rekommenderar en maximal potential på 1 V mellan jordpunkterna. Intressant nog rekommenderas också en stor jordslinga för jordning av byggnader med flera våningar (fig. 4). I datornätverk har en begränsning av potentialen mellan jordpunkterna klart företräde framför oro för cirkulerande slingor av jordströmmar. Audiovisuell utrustning är dock mycket känsligare.

En byggnad har hundratals, om inte tusentals lågspänningskablar, och var och en av dem kan bilda sin egen jordslinga i kombination med kraftjordsystemet. Tyvärr finns det inget praktiskt sätt i en standardbyggnad att garantera ett jämnt jordplan i hela byggnaden.

Det bästa du kan göra är att jorda de viktigaste utrustningsdelarna ordentligt. Detta innebär att tillhandahålla jordstänger i alla telekommunikations- och audio-/videorum och att se till att varje utrustning i dessa rum är kopplad till dessa jordstänger. Detta säkerställer ett ganska jämnt jordplan i rummet – åtminstone i det lägre frekvensområdet.

En allmänt föreskriven bot för dessa typer av jordningsproblem är att tillhandahålla ekvipotentiella jordplan över ett brett frekvensområde. Metoderna inkluderar användning av jordnät inom plattor och signalreferensgaller under upphöjda golv. Med tanke på kostnaden för sådana åtgärder är dessa metoder vanligtvis förbehållna de mest känsliga kommunikationsanläggningarna – inte typiska kommersiella eller institutionella anläggningar. Ett ekvipotentiellt jordplan är dock bara ett steg. Det är inte ett universalmedel mot jordslingor, eftersom strömmar alltid kan induceras av elektromagnetiska fält som passerar genom ledare.

Du ska inte låta dig överväldigas av den stora mängden detaljer som rör jordning. Att ha koll på några grundläggande begrepp för jordning bör hjälpa dig att reda ut saker och ting. Bra jordning är nyckeln till en framgångsrik drift av alla anläggningar, så ju mer välinformerade dina konstruktioner är, desto mer tillförlitlig blir installationen och desto färre strömkvalitetsproblem kommer att dyka upp.

Janof, P.E., är medarbetare och senior projektledare på Sparling, ett konsultföretag inom elektroteknik och teknik med kontor i Seattle och Portland.