WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE SŁUPÓW BETONOWYCH,

str.1 Artykuł powstał po zrealizowaniu pracy dyplomowej inżynierskiej na kierunku Elektrotechnika przez Aleksandrę Schött o tytule: WŁAŚCIWOŚCI ELEKTRYCZNE SŁUPÓW BETONOWYCH, którą prowadził dr inż. Witold Hoppel. Została ona zakończona oraz obroniona w styczniu 2015 r. Artykuł był opublikowany w Wiadomościach Elektrotechnicznych nr 3/2015. dr inż. Witold Hoppel mgr inż. Bartosz Olejnik inż. Aleksandra Schött Politechnika Poznańska Instytut Elektroenergetyki Czy beton w słupach linii powyżej 1 kv jest materiałem izolacyjnym? 1. Wstęp W normie [1] dotyczącej linii napowietrznych znajduje się algorytm zatytułowany Projektowanie układu uziemiającego ze względu na dopuszczalne napięcie dotykowe. Jest to obecnie najważniejszy sposób oceny środków ochrony przy dotyku pośrednim (przy uszkodzeniu) dla słupów linii napowietrznych o napięciu powyżej 1 kv. W algorytmie tym na samym wstępie znajduje się predykat z zapytaniem: Słup z materiału izolacyjnego?. W objaśnieniach do tego algorytmu zawarte jest następujące sformułowanie: W przypadku słupów drewnianych lub wykonanych z innych materiałów nieprzewodzących, bądź też słupów bez jakichkolwiek części przewodzących uziemionych, doziemienia nie są praktycznie możliwe i nie stawia się wymagań dotyczących uziemienia. Nie definiuje się w normie, czy słupy betonowe należy zaliczyć do wykonanych z materiału izolacyjnego. W projektach krajowego załącznika do tej normy pojawiało się zdanie W przypadku słupów drewnianych lub wykonanych z innych materiałów nieprzewodzących (np. z betonu zbrojonego o odpowiedniej grubości zewnętrznej warstwy betonu)... sugerujące, że przy pewnej, ale nieokreślonej normą, grubości warstwy betonu na zbrojeniu, słup można uznać

str.2 jako wykonany z materiału izolacyjnego.. W ostatecznej wersji tego dokumentu pojawił się jednak zapis zbliżony do podanego wyżej cytatu z normy głównej, na co wpływ miały przedstawione w niniejszym artykule badania i przedstawianie opinii w tej sprawie zespołowi opracowującemu polski załącznik. Ten zapis jednak także nie jest precyzyjny i ciągle będą wątpliwości, czy słup betonowy należy uznać za wykonany z materiału izolacyjnego czy przewodzącego, chociaż może lepiej byłoby użyć niezbyt poprawnego gramatycznie pojęcia materiału nie izolacyjnego. W literaturze z roku 1972 [2] znajdują się oceny przewodności betonu, ale nie dotyczą współczesnych materiałów na słupy strunobetonowe. Z książki wynika jasno, że beton pod kątem ochrony od porażeń należy traktować jako materiał przewodzący. Beton, który znajduje się pod powierzchnią ziemi przyjmuje rezystywności podobne do gruntu, w którym się znajduje. Stąd w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej przeprowadzono badania na ten temat, które ostatecznie powinny te wątpliwości zakończyć. 2. Metodologia badań Celem przeprowadzonych badań było określenie rezystywności próbek betonu dostarczonych autorom przez dwóch polskich producentów żerdzi: WIRBET S.A. z Ostrowa Wielkopolskiego oraz STRUNOBET Migacz sp. z o.o. z Lewina Brzeskiego. Próbki otrzymane z firmy WIRBET wykonane były w maju 2014 r. zgodnie z procedurami obowiązującymi podczas wytwarzania żerdzi i pochodzą z różnych partii produkcyjnych. Badania tych próbek wykonywane były w październiku 2014 r., przy czym od daty wyprodukowania znajdowały się one w naturalnych warunkach atmosferycznych, łącznie z narażeniem ich na opady deszczu. Firma STRUNOBET Migacz przekazała do badań próbki wykonane z betonu pochodzącego z partii produkcyjnej słupów, jednakże otrzymane, sześcienne kostki, nie były utrząsane na etapie ich wykonania. Próbki pochodziły z sierpnia 2014 r., a sposób ich przechowywania do prób wykonywanych w listopadzie 2014 roku nie był znany autorom artykułu. Podstawowe informacje dotyczące próbek zostały przedstawione w tablicy 1.

str.3 Informacje ogólne dotyczące badanych próbek oraz skład betonu Tablica 1. Parametr WIRBET STRUNOBET-Migacz Informacje ogólne Liczba badanych próbek 5 2 Kształt sześcian sześcian Typ betonu C40/50 C40/50 Wymiary 10x10x10 cm 15x15x15 cm Próbki utrząsane tak nie Próbki tuż przed pomiarami były moczone tak w wodzie (deszczowej i wodociągowej), jak i całkowicie suche. W dalszej części artykułu przyjęto następującą numerację próbek: numery od 1 do 5 próbki z firmy WIRBET S.A. numery 6 oraz 7 próbki z firmy STRUNOBET Migacz sp. z o.o. Schemat układu pomiarowego do badania próbek metodą techniczną przedstawiony został na rys. 1. Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do badania próbek betonu metodą techniczną Układ pomiarowy w przypadku każdego z doświadczeń zasilany był z autotransformatora laboratoryjnego o zakresie regulacji od 0 do 600 V. Próbka, dla której wykonywany był pomiar spoczywała na stole laboratoryjnym, oddzielona od niego grubą tkaniną flanelową. Elektrody górna i dolna wykonane były z folii aluminiowej. Rolę docisku pełniła aktualnie nie badana próbka, przy czym także tutaj elektroda była oddzielona od docisku

str.4 tkaniną flanelową. Tkanina miała również za zadanie spowodowanie lepszego przylegania elektrody do lekko porowatego betonu. Tak skonstruowane stanowisko, przedstawione na rysunku 2, zapewniało bezpieczeństwo pomiarów i dużą powtarzalność wyników. Rys. 2. Stanowisko badawcze z próbkami betonu 3. Badanie zależności rezystywności próbki w funkcji przyłożonego napięcia Pierwsze badanie polegało na sprawdzeniu liniowości rezystancji betonu, aby można było przeprowadzić pomiary rezystywności przy małych wartościach napięć, a nie napięciami powyżej 1 kv, co wymaga specjalnej i bezpiecznej aparatury. Autotransformator wykorzystywany w układzie pomiarowym z rysunku 1. ma możliwość wymuszania napięcia z zakresu od 0 do 600 V z płynną regulacją jego wartości. Bezpośrednimi wynikami otrzymanymi podczas pomiarów były wartości napięcia przyłożonego do elektrod oraz prąd płynący skrośnie przez betonową próbkę o znanych wymiarach. Wiedząc, że: gdzie: R rezystancja próbki, l R (1) S ρ rezystywność materiału, z którego wykonana została próbka, l długość krawędzi ściany próbki, s powierzchnia ściany próbki, można wyznaczyć zależność opisującą wartość rezystywności próbki w Ωm na podstawie mierzonych wielkości. Zależność opisana jest wzorem (2). U s = (2) I l

str.5 Wyniki pomiarów napięcia i prądu oraz obliczeń rezystancji i rezystywności wybranych próbek przedstawia tablica 3. Tablica 3. Wyniki pomiarów napięcia i prądu oraz obliczeń rezystancji i rezystywności próbek do określenia zależności ρ = f(u) Numer próbki U w V I w ma R w Ω ρ w Ωm 107 57,8 1851,2 185 193 105 1838,1 184 1 286 154 1857,1 186 366 198,3 1845,7 185 460 256 1796,9 180 105 57,4 1829,3 183 197 99,3 1983,9 198 3 277 140,8 1967,3 197 386 196,6 1963,4 196 489 249 1963,9 196 Z tablicy 3. oraz rysunku 4. widać wyraźnie, że zależność między mierzoną rezystywnością a napięciem probierczym jest praktycznie funkcją stałą. Można stąd przyjąć, że otrzymywane wartości obliczeń przedstawiane w artykule są miarodajne i słuszne. Wyniki już tych pierwszych badań są zadziwiające. Beton ma rezystywność porównywalną z wieloma rodzajami gruntów, a nawet mniejszą. Oczywiście cały czas należy pamiętać o tym, że próbki były przed pomiarami zanurzone przez 24 godziny w wodzie deszczowej i badane tuż po wyjęciu z niej. Zaobserwowano jednocześnie, że nasiąkliwość betonu, z którego wykonano próbki była bardzo niewielka. Można zatem przyjąć, że podobnie zachowywał się będzie słup betonowy wystawiony na kilkugodzinne opady deszczu.

str.6 Rys. 3. Zależność rezystywności betonu od napięcia probierczego 4. Wpływ temperatury na rezystywność betonu Zbadany został wpływ temperatury na rezystywność betonu w próbkach nr 3, 4 oraz 5. Temperatura mierzona była sondą typu K umieszczoną centralnie między próbkami, pod warstwą tkaniny, stykając się bezpośrednio z betonem. Próbka nagrzewana była na skutek przepływu przez nią prądu. Temperatura otoczenia i jednocześnie początkowa próbek wynosiła 20 C. Badania zostały wykonane dla trzech przypadkowo wybranych próbek, które były wcześniej przez 24 godziny zanurzone w wodzie deszczowej. Doświadczenia były prowadzone tuż po wyjęciu próbek z kąpieli. Wyniki badań wpływu temperatury próbki na jej rezystywność zostały zestawione w tablicy 2.

str.7 Tablica 2. Wyniki badań wpływu temperatury próbki na rezystywność betonu T w C ρ w Ωm Próbka nr 3 Próbka nr 4 Próbka nr 5 20 282 244 197 25 244 224 150 30 233 204 134 35 207 182 122 40 187 172 112 45 173 160 101 50 158 137 92 55 144 125 86 60 137 116 77 65 130 109 67 70 128 101 62 75 132 89 59 80 147 244 197 Warto zauważyć, że wraz ze wzrostem temperatury próbki maleje jej rezystywność, co pokazane jest na rysunku 4 i jest to zgodne z teorią dotyczącą tego zjawiska, a opisywaną w [2]. Można zauważyć, że rezystywność betonu w próbce nr 3 wzrosła dla temperatury wyższej od 70 C. Powodem tego zjawiska mogło być przeschnięcie betonu, czego jednak nie zauważono podczas pomiarów.)

str.8 Rys. 4. Wpływ temperatury próbki na rezystywność mokrego betonu. 5. Badanie wpływu wilgotności betonu na jego rezystywność Kolejnym krokiem do potwierdzenia faktu, że beton wykorzystywany do produkcji słupów strunobetonowych nie jest materiałem izolacyjnym, było zbadanie wpływu wilgotności materiału na jego rezystywność. Przed pomiarami próbki zanurzone były przez 24 godziny w wodzie wodociągowej. Pierwsze pomiary odbyły się natychmiast po wyjęciu próbek z kąpieli, a pomiędzy badaniami kostki były ułożone w sposób zapewniający cyrkulację powietrza przy każdej ściance. Kolejne pomiary wykonywane były w odstępie jednej godziny. Lepsze były by pomiary nie w funkcji czasu, ale wilgotności, którą stosunkowo trudno jest zmierzyć i w zasadzie nie istnieją proste metody pomiarowe dla jej określenia. Z kolei zależność od czasu schnięcia lepiej przekłada się na sposób interpretacji wyników dla słupów znajdujących się w terenie. Wyniki obliczeń prowadzonych na podstawie zależności (2) przedstawia tablica 4 oraz rysunki 5 i 6. Wyraźnie widoczna jest tendencja (i jest ona dość oczywista), że wraz z wysychaniem próbki jej rezystywność znacznie wzrasta. Wynik poniżej 1000 Ωm utrzymuje się przez 1-3 godzin po wyjęciu betonu z kąpieli wodnej. Do tego też czasu widoczne było wyraźne zawilgocenie próbki. Maksymalna obliczona rezystywność próbki wynosiła ok. 153 kωm.

str.9 Tablica 4. Wpływ wysychania betonu na wartość rezystywności próbek Czas ρ w Ωm schnięcia w h Próbka nr 1 Próbka nr 2 Próbka nr 3 Próbka nr 4 Próbka nr 5 Średnia 1-5 Próbka nr 6 Próbka nr 7 Średnia 6-7 0 191 163 251 221 145 194 147 291 219 1 478 433 1327 1035 429 740 228 421 325 2 2356 1190 9164 7390 928 4206 521 882 702 3 8005 3234 28283 36266 2056 15569 980 1758 1369 4 17114 8213 17114 70912 5163 23703 - - - 5 50568 20978 57850 72545 65369 53462 - - - 6 98182 31821 96648 147273 27091 80203 - - - 7 152938 77679 87357 81300 56458 91146 - - - 8 106813 51750 168750 76857 78750 96584 - - - 9 93365 47463 106317 65697 55263 73621 - - -

str.10 a b Rys. 5. Wpływ czasu wysychania próbki na rezystywność betonu: a) wyniki dla poszczególnych próbek:, b) wyniki średnie dla dwóch producentów żerdzi.

str.11 6. Badania rezystywności próbek betonu narażonych na działanie roztworów glebowych Dla otrzymania pełnego obrazu zachowania się betonu w różnych warunkach pracy rozpatrzono właściwości części podziemnej słupa. W tym celu, po wykonaniu wszystkich serii badań na próbkach mokrych i suchych, zostały one zakopane na okres około 6 tygodni (październik-listopad 2014) w gruncie o rezystywności ρ = 112 Ωm. Zmniejszenie wpływu innych czynników na przewodność tych próbek zostało osiągnięte dzięki niezwłocznemu zbadaniu ich po wykopaniu. Wyniki pomiarów oraz obliczone wartości rezystywności zostały zamieszczone w tablicy 5. Pomiary przeprowadzono w układzie przedstawionym na rysunku 1. Badania wykazują, że rezystywność betonu jest niewiele większa niż rezystywność gruntu, w którym się znajduje. Dla badanych próbek ten wzrost wyniósł 25-86 % i można się spodziewać, że po dłuższym czasie zakopania będzie jeszcze mniejsza, ponieważ roztwory gruntowe silniej wnikną w strukturę betonu. Stąd obliczając rezystancję uziemienia słupa można wziąć pod uwagę głównie samo zbrojenie. Opis tego wpływu znajduje się również w [2], ale dotyczy betonów sprzed ponad 40 lat. Wg tej literatury warstwa betonu zwiększa rezystancję uziemienia słupa w stosunku do wyliczonej z samego zbrojenia o 5-30 %. Przy dokładnościach spotykanych przy obliczaniu rezystancji uziemienia jest wartość prawie pomijana. Tablica 5. Wyniki badań rezystywności próbek wystawionych na działanie roztworów glebowych Nr próbki U w V I w ma ρ w Ωm ρ/112 m Próbka nr 1 250 150 167 1,49 Próbka nr 2 250 178 140 1,25 Próbka nr 3 250 120 208 1,86 7. Badania rezystywności zewnętrznej warstwy betonu gotowych żerdzi wirowanych W celu potwierdzenia późniejszych wniosków i upewnienia się w ich słuszności, autorzy wykonali badania polegające na pomiarze rezystancji przejścia pomiędzy powierzchnią betonu a dłoniami na gotowych żerdziach wirowanych. Doświadczenia wykonane były w firmie WIRBET w Ostrowie Wielkopolskim w końcu października 2014 roku. Do badań wybrano 4 przypadkowe żerdzie typu E o długości 10 metrów, wyprodukowane w dniu 3.10.2014 r., a znajdujące się w zewnętrznym magazynie wyrobów

str.12 gotowych fabryki. Żerdzie przed pomiarami były trzykrotnie (w odstępie jednej godziny) przez kilka minut intensywnie polewane wodą wodociągową. Temperatura powietrza i żerdzi wynosiła 16 C. Schemat układu pomiarowego został zamieszczony jest na rysunku 6. Rys. 6. Schemat układu pomiarowego do badania rezystywności zewnętrznej warstwy betonu gotowej żerdzi wirowanej Istotna z punktu widzenia słuszności pomiarów jest powierzchnia folii aluminiowej, która stanowi jedną z elektrod. Do celów doświadczalnych przyjęto, że powierzchnia wewnętrznych części dłoni i, jednocześnie, folii aluminiowej jest równa 220 cm 2. Pomiary prowadzone były w czterech punktach na każdej żerdzi położonych w dwóch kierunkach od dolnego i górnego zacisku uziemiającego. Drugą elektrodę pomiarową stanowiło stalowe zbrojenie żerdzi. Do połączenia układu pomiarowego ze zbrojeniem wykorzystano jeden z zacisków uziemiających żerdzi. Można więc stwierdzić, że mierzono rezystancję przejścia pomiędzy zbrojeniem słupa, czyli jego najlepiej przewodzącym elementem, a ręka człowieka. Rezystancja ta znacząco wpływa na prąd rażeniowy, ponieważ jest szeregowo połączona z rezystancją ciała człowieka i rezystancją przejścia do ziemi (składa się ona z rezystancji obuwia i rezystancji stanowiska). Wyniki badań zestawione zostały w tablicy 6. Tablica 6. Wartości rezystancji przejścia pomiędzy żerdzią a ręką człowieka w Ω

str.13 Żerdź Punkt pomiarowy A B C D średnia Nr 1 308 1071 179 865 606 Nr 2 2813 1000 274 865 1238 Nr 3 6250 1331 719 1250 2388 Nr 4 865 900 504 591 715 Średnia dla wszystkich żerdzi: 1237 Z badań wynika, że mierzona rezystancja jest zbliżona do 1000, czyli rezystancji ciała człowieka i zmniejsza prąd rażeniowy, ale nie do tego stopnia, aby nie był niebezpieczny dla człowieka. Pewnego wyjaśnienia wymagają duże rozbieżności w wynikach. Powodem tego mogła być słoneczna pogoda, która powodowała wysychanie betonu - a pomiary trwały kilka godzin. Nie zmienia to jednak podstawowego wniosku. 8. Kryterium przewodności Aby poprawnie przeanalizować wyniki należy się zastanawiać, do jakiej wartości rezystywności beton należy uznać za przewodzący, a raczej: kiedy dotknięcie słupa jest niebezpieczne z punktu widzenia napięć dotykowych rażeniowych. Jest to kryterium zaproponowane oraz wyprowadzone przez autorów i być może dyskusyjne, ale brak innego, np. uznanego przez normy. Do analiz i pomiarów napięć dotykowych rażeniowych w ochronie od porażeń przyjmuje się [3], że stopy człowieka mają powierzchnię 400 cm 2, a rezystancja stanowiska na gruncie o rezystywności wynosi R a 2 = 15,. (3) Stąd, zakładając powierzchnię stron wewnętrznych obu dłoni równą 220 cm 2, można przyjąć, że rezystancja przejścia z dłoni do słupa wynosi: 400 R p = 15, = 2, 73 (4), 220 nie uwzględniając przy tym faktu, że dłonie do słupa przeważnie będą dociskane siłą mniejszą niż stopy, bo stopy dociska ciężar ciała człowieka. Przyjmuje się na podstawie własnych doświadczeń, że napięcie dotykowe spodziewane przy słupie może stanowić 0,7 napięcia uziomowego, które w bardzo ekstremalnym przypadku będzie równe napięciu fazowemu - przy słupie nie wyposażonym w uziom ochronny. Czyli:

str.14 - w sieci 15 kv: - w sieci 20 kv: 15750 U ST = 0, 7 = 6365 V (5a) 3 21000 3 U ST = 0, 7 = 8487 V (5b) 3 Przyjmuje się też, że prąd rażeniowy nie powinien przekroczyć granicy 30 ma, czyli musi zachodzić: gdzie: I B = R a1 U ST + R + R a2 p + Z Ra1- rezystancja obuwia, która przyjmuje się 1000., B < 0, 03 A ZB - impedancja ciała człowieka, przyjmuje się czystą rezystancję o wartości 1000. Po podstawieniu przechodzi się do rozwiązania nierówności: - dla sieci 15 kv - dla sieci 20 kv: 6365 0,03, 0 1000 2,73 1000 8487 0,03. 0 1000 2,73 1000 Po rozwiązaniu nierówności otrzymuje się dla: - sieci 15 kv: - dla sieci 20 kv: max_15>77000 m, max_20>103000 m Beton o rezystywnościach spełniających podane wyżej warunki może być uznawany za nieprzewodzący. Odnosząc się do rys. 5.b, który przedstawia średnie rezystywności próbek w funkcji czasu ich schnięcia po 24 godzinnej kąpieli w wodzie wodociągowej: rezystywności betonu po około 8 godzinach od wyjęcia z kąpieli zbliżają się do wartości, przy których można go uznać za nieprzewodzący. W celu ustalenia czasu schnięcia koniecznego dla uznania betonu za nieprzewodzący wykonano jeszcze jedno doświadczenie - pomiary rezystywności co 24 godziny od wyjęcia z wody. Okazuje się, że beton poddawany tym próbom, czyli przepływowi prądu elektrycznego co 24 godziny, a nie co godzinę, zachowuje się zupełnie inaczej. Nawet (6)

str.15 po 72 godzinach wszystkie próbki miały rezystywność poniżej 40000 m. Trudno dywagować o przyczynach tego prawdopodobnie chemicznego lub elektrochemicznego zjawiska. Taki fakt został po prostu stwierdzony i nie zmienia on podstawowych wniosków. Rys. 7. Wpływ czasu wysychania próbki na rezystywność betonu 9. Wnioski Z przedstawionego materiału bez najmniejszych wątpliwości wynika, i jest to główny wniosek niniejszego artykułu, że beton należy traktować jako materiał przewodzący z punktu widzenia zagrożenia porażeniowego, jeżeli jest on wykorzystywany do wykonania żerdzi wirowanych używanych w budowie linii SN i stacji SN/nn. Potwierdzają to tak badania rezystywności w laboratorium, jak i rezystancji przejścia pomiędzy zbrojeniem i modelową dłonią na gotowych żerdziach. Stwierdzono również, że rezystywność betonu nasyconego roztworami gruntowymi jest tylko nieco większa od rezystywności gruntu, w którym się znajduje. Warto tutaj przypomnieć o dobrych właściwościach uziomów fundamentowych, które znajdują się właśnie w betonowej otulinie. Przewodnictwo betonu jest wystarczające do spowodowania porażenia człowieka, jeśli jest on mokry lub wilgotny w czasie opadów atmosferycznych i pewien czas po ich ustaniu.

str.16 Ten czas jest bardzo trudny do określenia i zależny od wielu czynników, które nawet trudno zidentyfikować. Może to być kilka godzin, ale i wiele dni. Może się także okazać, że w temperaturze tylko kilku stopni powyżej zera i większej wilgotności powietrza (np. w okresie jesienno-zimowym) wystarczające przewodzenie będzie się utrzymywać w sposób ciągły. Rezystywność mokrego betonu jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od wyznaczonej rezystywności dopuszczalnej do uznania go za nieprzewodzący. Tą rezystywność, jakby graniczną, zaproponowano wg własnej metody jej określenia i wynosi ona około 100 k m. Należy podać, że wszyscy polscy projektanci i służby eksploatacyjne energetyki zawodowej traktują słupy betonowe jako wykonane z materiału przewodzącego. Tylko nieodpowiedzialne sformułowania norm i bardzo nieliczni specjaliści próbowali forsować opinię, że beton można uważać za materiał izolacyjny. Trzeba przyznać, że opracowanie betonu nieprzewodzącego byłoby korzystne do zastosowania w pewnych sytuacjach, może wystarczyłoby nawet uzyskanie odporności betonu na wchłanianie wilgoci. Takie futurystyczne rozwiązanie wywoła inne problemy np. z działaniem zabezpieczeń ziemnozwarciowych. Literatura [1] PN-EN 50341-1:2013-03 - wersja polska: Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kv. Część 1: Wymagania ogólne---specyfikacje wspólne. [2] Wołkowiński K.: Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1972 r. [3] PN-E-5115. Instalacje elektroenergetyczne prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kv.