Uziomy wybór technologii budowy Janusz Oleksa W artykule zaprezentowano szereg zagadnieò dotyczπcych budowy, eksploatacji i technologii wykonania uziomûw pionowych i poziomych. Jednoczeúnie stanowi on polemikí z niektûrymi stwierdzeniami zawartymi w publikacjach w czasopismach Elektroinstalator oraz Elektrosystemy [3, 4]. Autor artyku u zajmuje sií problematykπ eksploatacji urzπdzeò elektroenergetycznych w Zak adzie Energetycznym KrakÛw, w tym zagadnieniami realizacji uziemieò w sieciach elektroenergetycznych. Na poczπtku naleøy przypomnieê o roli uziemieò we w aúciwej eksploatacji urzπdzeò elektroenergetycznych oraz zwiπzanych z niπ zagroøeò. Zagroøenia takie wystπpiπ jako skutek zak Ûcenia w pracy sieci elektroenergetycznej ñ np. zwarciu przewodu fazowego z ziemiπ (a w jeszcze bardziej niekorzystnym przypadku przy zerwaniu przewodu PEN ñ rys. 1, 2) ñ ktûremu towarzyszy rozp yw prπdûw zwarciowych, niekiedy wy- πcznie za poúrednictwem uziomûw sztucznych. W przypadku zerwania przewodu PEN dodatkowe uziemienia robocze za miejscem przerwy nie biorπ udzia u w rozp ywie prπdu zwarciowego. Aby by zachowany warunek: dla R E 10Ω ñr wyp 2,77Ω W przypadku braku przerwy na przewodzie PEN: R wyp = R B2, (oznaczenie R B2 w [1]) Jak atwo zauwaøyê poziom zagroøenia poraøeniem prπdem elektrycznym zaleøy od wartoúci napiícia zak Ûceniowego, ktûre z kolei zaleøy bezpoúrednio od wykonanych uziemieò w sieci elektroenergetycznej oraz instalacji odbiorczych, w szczegûlnoúci odbiorcûw indywidualnych. I zachodzi w tym przypadku oczywista zaleønoúê ñ im mniejsza wartoúê opornoúci dodatkowych uziemieò w impedancji pítli zwarcia tym mniejsze zagroøenie. Sprawne uziemienia robocze i ochronne to rûwnieø mniejsza asymetria napiíê (rys. 3), np. w wyniku zwarcia przewodu fazowego z ziemiπ, a co za tym idzie mniejsze ryzyko uszkodzenia odbiornikûw energii elektrycznej [2] i potencjalnych roszczeò z tego tytu u. Dla sieci 230 / 400 V przy U om = 250 V otrzymamy: Stπd wynika, øe dla zapewnienia bezpieczeòstwa uøytkowania odbiornikûw energii elektrycznej konieczne jest spe nienie ostrzejszych kryteriûw wartoúci uziemienia roboczego, niø wynika oby to z dopuszczalnej wartoúci napiícia bezpiecznego. 56 Rys. 1. Rozp yw prπdûw zwarciowych w sieci elektroenergetycznej w przypadku zerwania i zwarcia przewodu fazowego z ziemiπ (od strony zasilania) i przerwy w przewodzie PEN w uk adzie sieci TN-C
56 uziomy ñ wybûr technologii budowy Rys. 2. Schemat zastípczy sieci elektroenergetycznej w przypadku zwarcia przewodu fazowego z ziemiπ sieci w uk adzie TN-C: Rz ñ rezystancja wypadkowa uziomûw dodatkowych Rud za miejscem przerwy na przewodzie PEN, Rwyp ñ rezystancja wypadkowa wszystkich uziomûw Rud biorπcych udzia w rozp ywie prπdu zwarcia, R E ñ rezystancja przejúcia w miejscu zwarcia doziemnego. Jeúli przyjílibyúmy za U L wartoúê 50 V to napiície faz zdrowych osiπgní oby zgodnie ze wzorem: 56 Uzyskana wartoúê jest niebezpieczna dla urzπdzeò odbiorczych. Sprawne uziemienie w praktyce oznacza: ï gwarancjí skutecznoúci ochrony przeciwporaøeniowej, ï zmniejszenie asymetrii napiíê do poziomu bezpiecznego dla urzπdzeò odbiorczych, ï potwierdzenie realizacji wymagaò zawartych w Polskich Normach (Rozporzπdzenie Ministra Infrastruktury z 12 kwietnia 2002 w sprawie warunkûw technicznych, jakim powinny odpowiadaê budynki i ich usytuowanie. ß 180. Instalacja i urzπdzenia elektryczne, przy zachowaniu przepisûw rozporzπdzenia, przepisûw odríbnych dotyczπcych dostarczania energii, ochrony przeciwpoøarowej, ochrony úrodowiska oraz bezpieczeòstwa i higieny pracy, a takøe wymagaò Polskich Norm odnoszπcych sií do tych instalacji i urzπdzeò, powinny zapewniaê: (...) 2) OchronÍ przed poraøeniem prπdem elektrycznym, przepiíciami πczeniowymi i atmosferycznymi, powstaniem poøaru, wybuchem i innymi szkodami). Bardzo czísto w aúciciele obiektûw budowlanych zak adajπ, øe raz wykonane uziemienia bídπ skuteczne i trwa e bardzo d ugo. Jednak w praktyce tak nie jest. Warto przypomnieê, iø na uziomy stosowano np. príty i taúmy ze stali, czísto nie zabezpieczone przed skutkami korozji. W celu wspomoøenia kontaktu konstrukcji z ziemiπ i zmniejszenia rezystancji przejúcia wykorzystywano sûl kuchennπ. Naleøy dbaê o to, aby obecnie proponowane rozwiπzania wolne by y od wad prowadzπcych do obniøenia skutecznoúci uziomu. Zagadnienia zwiπzane z eksploatacjπ uziemieò W praktyce projektowania i eksploatacji uziemieò spotykane sπ rûøne podejúcia wynikajπce ze specyfiki budowy i eksploatacji obiektûw budowlanych, w ktûrych uziomy sπ instalowane. W zaleønoúci od przeznaczenia obiektu moøna wyrûøniê nastípujπce zagadnienia wymagajπce rozpatrzenia: ï kszta t uziomu ñ nie zawsze moøna sobie pozwoliê na wykonanie rozbudowanych w p aszczyünie poziomej uziomûw; czísto spotyka sií ograniczenia terenu dla stacji transformatorowych napowietrznych, wnítrzowych jak i w szczegûlnoúci konstrukcji s upûw linii nn, stπd niejednokrotnie zachodzi koniecznoúê wykonywania uziomûw w g πb terenu, ï wymagana niezawodnoúê funkcjonowania ñ w obiektach, ktûre posiadajπ jedno uziemienie nie zawsze moøna liczyê na inne uziemienia w celu sprowadzenia potencja u do ziemi; inaczej niø w przypadku sieci elektroenergetycznej posiadajπcej od kilkunastu do kilkudziesiíciu uziemieò rozlokowanych wzd uø obwodûw sieci i po πczonych przewodem neutralnym lub neutralno-ochronnym, ï moøliwoúci eksploatacyjne ñ czísto dostíp do uziemienia jest utrudniony (np. w przypadku wybetonowanych podjazdûw i podejúê do obiektu); w doúê specyficznej sytuacji znajdujπ sií przedsiíbiorstwa energetyczne obs ugujπce tysiπce stacji transformatorowych, a co a tym idzie dziesiπtki tysiícy uziemieò, ï rodzaj materia u na uziomy ñ nie ma tutaj zbyt wielu rozwiπzaò (stal nierdzewna, miedü); dlatego do rozwaøenia pozostaje zastosowanie pozosta ych tj. stal ocynkowana lub stal pomiedziowana. NiezawodnoúÊ funkcjonowania W przypadku szybkiej i nieprzewidywalnej degradacji uziemienia uøytkownik pozostaje bez moøliwoúci skutecznej ochrony przeciwporaøeniowej. Dotyczy to zw aszcza przypadku nietypowych zak ÛceÒ w pracy zarûwno sieci elektroenergetycznej jak i instalacji elektrycznej budynku. Moøe sií tak staê, gdy dojdzie do przerwy przewodu PEN na przy πczu do obiektu budowlanego. Stπd uziemienia indywidualne budynkûw muszπ byê wykonane z eliminacjπ technologii wraøliwych na oddzia ywanie úrodowiska, w ktûrym sπ umieszczone. W aúciciele takich obiektûw nie mogπ liczyê na to, øe rolí ochrony przeciwporaøeniowej spe niπ inne uziemienia ñ jak to ma miejsce w niektûrych przypadkach sieci elektroenergetycznej ñ gdyø takich uziemieò po prostu nie ma lub moøe nie byê. Moøliwoúci eksploatacyjne KoniecznoúÊ sprawdzenia rezystancji uziemieò (w okresach co najmniej piícioletnich zgodnie z wymaganiami Prawa Budowlanego) wynika z moøliwoúci powstania ich z ego stanu technicznego. Jeúli uøytkownik odpowiada za jedno lub kilka uziemieò to jest w stanie nie tylko ponieúê wiíksze nak ady na ich poprawne wykonanie (nawet przewymiarowanie), ale takøe prosto dokonywaê kontroli i ewentualnie korekty. Jeúli natomiast tych uziomûw sπ dziesiπtki tysiícy (spû ki dystrybucyjne) to podejúcie indywidualne nie jest praktyczne. Trzeba dysponowaê nie tylko poprawnymi projektami uziomûw, lecz rûwnieø moøliwoúciπ swobodnego do nich dostípu. Najlepiej by oby gdyby w okresie funkcjonowania urzπdzeò energetycznych nie by o potrzeby poprawy uziomu. Niestety ulega on uszkodzeniom g Ûwnie z powokwiecieò 2005
Rys. 3. Przyk ad asymetrii napiíê w przypadku jednofazowego zwarcia z ziemiπ w sieci typu TT z przewodem neutralnym w wyniku opadniícia przewodu linii napowietrznej na ziemií, gdzie: Un ñ napiície znamionowe, Uom ñ najwyøsze dopuszczalne napiície faz nieuszkodzonych, Uo ñ napiície znamionowe, fazowe du korozji. O ile proces ten jest dobrze rozpoznany w przypadku uziomûw ocynkowanych, o tyle w przypadku miedziowania uziomûw stalowych mogπ zachodziê zjawiska, ktûre powodujπ gwa towne przyspieszenie degradacji materia u uziomowego (korozja elektrochemiczna). Stπd niezbídny jest w aúciwy dobûr technologii produkcji elementûw uziomowych oraz technologii ich uk adania. W tym miejscu naleøy odnieúê sií do wspomnianych na wstípie artyku Ûw zamieszczonych w czasopismach Elektroinstalator i Elektrosystemy [3, 4]. Problem 1 ñ czas pracy uziomu, naprawa, pomiary R E K L A M A Siemens Autorzy piszπ o wyøszoúci uziomûw miedziowanych nad ocynkowanymi odnoszπc koszty budowy i eksploatacji do realizacji uziomûw pionowych o d ugoúci 10 m. Wπtpliwoúci budzi przyjície do rozwaøaò uziomu pionowego w sytuacji, gdy standardem w zakresie budowy uziemieò ñ zarûwno w przesz oúci jak i obecnie ñ jest uziom poziomy, tzw. Ñotokowyî, uzupe niony w miarí potrzeb elementami pionowymi. Ma to o tyle istotne znaczenie, øe elementy poziome uziemieò sπ znacznie mniej naraøone na zjawisko korozji elektrochemicznej niø uziomy pionowe. Trudno teø zgodziê sií z tezπ znaczπcego udzia u kosztûw pomiarûw i naprawy uziomûw. Po pierwsze przyjíty czas øycia uziomu ocynkowanego szacowany na 3 ñ 10 lat jest zdecydowanie za krûtki chyba, øe autor rozpatruje uziomy umieszczone w úrodowisku agresywnym, o czym w artykule nie wspomina sií. Praktyka eksploatacyjna wskazuje, øe uziomy ocynkowane (powszechnie i z powodzeniem stosowane od lat w energetyce) funkcjonujπ zdecydowanie d uøej. Naleøa oby wskazaê przypadki (ale nie sytuacje szczegûlne), w ktûrych uziomy stalowe, ocynkowane funkcjonujπ tylko trzy lata. Zw aszcza, øe procentowa utrata wagi uziomu ocynkowanego i miedziowanego nie jest znaczπca i w materia ach autorûw artyku u [3] wynosi po siedmiu latach umieszczenia w gruncie odpowiednio 2,2 i 1,4 %. Po drugie naleøy przyjπê, øe sugerowana naprawa (uzupe nienie uziomu) wykonywana niezaleønie od innych czynnoúci eks- 58
58 uziomy ñ wybûr technologii budowy 57 ploatacyjnych jest niezgodna z organizacjπ pracy SpÛ ek Dystrybucyjnych. Naprawa i pomiary sπ wykonywane w ramach rutynowych czynnoúci eksploatacyjnych. Pomiary (ktûre wynikajπ z wymagaò obowiπzujπcych przepisûw, w tym Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Rozdzielczej) sπ wykonywane cyklicznie, w okresach co najmniej piícioletnich. Poniewaø uziemienia wykonywane sπ jako kombinowane nie zajdzie zjawisko nag ego wzrostu rezystancji uziemienia, przy ktûrej nie spe nia ono swojej roli ñ funkcjonujπ przecieø elementy poziome uziemienia. Poprawa uziemienia, jeúli wzros a wartoúê rezystancji, wykonywana jest w ramach przeglπdûw sieci elektroenergetycznej, sporadycznie natomiast Ñna akcjíî, a w tym przypadku inaczej liczy sií koszty wy πczeò, dojazdûw itp. 58 Problem 2 ñ dobûr metod badania prítûw uziomowych Chodzi tu w szczegûlnoúci o metody laboratoryjne, w tym metody Corrodkote (wed ug PN-77/H-04635), bez symulacji rzeczywistego naraøenia zw aszcza pionowych elementûw uziomowych. Uziomy pionowe ñ ze wzglídu na specyfikí ich umieszczania w gruncie ñ sπ naraøone na uszkodzenia pow oki, zarûwno cynkowej jak i miedzianej. Badanie prítûw w roztworach agresywnych bez wstípnego naraøenia konstrukcji (jak to ma miejsce przy pogrπøaniu prítûw w ziemi) kojarzy sií ze skutkami eksploatacji kabli elektroenergetycznych z izolacjπ z polietylenu termoplastycznego. Badania w warunkach laboratoryjnych, zapewne nie uwzglídniajπcych w pe ni czynnikûw naraøeò konstrukcji kabli wystípujπcych podczas uk adania i eksploatacji, skutkujπ obecnie postípujπcym zjawiskiem drzewienia wodnego i koniecznoúciπ ich przedwczesnej wymiany. Przez analogií moøna podejrzewaê pojawienie sií podobnego problemu z uziomami miedziowanymi, podatnymi na korozjí elektrochemicznπ. Korozja ta moøe spowodowaê z duøym prawdopodobieòstwem oko o czterokrotnie szybszπ degradacjí uziomu w stosunku do czystej stali (dane autorûw artyku u). W tym kontekúcie wyøszoúê uziomûw miedziowanych jest problematyczna. Nawet powolna degradacja uziomu ocynkowanego ñ ale ze znanπ prídkoúciπ korozji ñ jest lepsza niø ryzyko nag ego wzrostu rezystancji. Problem 3 ñ nag y wzrost rezystancji W tym miejscu pojawia sií kolejny problem: Ñnag y wzrost rezystancji, np. z 7 do 200Ω, ktûry jest bardzo niebezpieczny i moøe nastπpiê z dnia na dzieò w wyniku korozji miejscowejî. Uwaga jest jak najbardziej s uszna tyle, øe dotyczy raczej uziomûw miedziowanych, a nie ocynkowanych ze wzglídu na wspomniane powyøej destrukcyjne dzia anie korozji elektrochemicznej uziomûw miedziowanych. Jak wspominajπ autorzy artyku u [4] uszkodzony prít stalowy z pow okπ miedziowanπ bídzie funkcjonowa oko o czterokrotnie krûcej niø go y prít stalowy. W tym przypadku naleøy wymagaê podania przez producentûw uziomûw miedziowanych wiarygodnych (w ujíciu inøynierskim, a nie prawnym) wynikûw badaò na gruncie doúwiadczeò krajowych. Zatem dla unikniícia moøliwoúci nag ego ÑznikniÍciaî uziomu naleøa oby byê moøe stosowaê uziomûw ocynkowanych w uk adach kombinowanych. Przypomnijmy ponadto, øe uziomy naraøone sπ na jeszcze jeden agresywny czynnik ñ wy adowania atmosferyczne. Dotyczy to zw aszcza linii i stacji elektroenergetycznych, jako urzπdzeò usytuowanych na znacznym obszarze. Uziom moøe byê naraøony úrednio kilkakrotnie w ciπgu roku na przep yw prπdûw udarowych o wielkoúci setek lub tysiícy amper, co w przypadku uszkodzeò (g Íbokie wøery w strukturí stali w obríbie uszkodzenia uziomu) moøe skutkowaê Ñwyparowaniemî tego kawa ka uziomu. Ponadto twierdzenie [3, 4], øe Ñz πczka, ktûra tworzy kana podczas wbijania, chroni pow okí przed uszkodzeniemî mog oby byê prawdziwe gdyby nie fakt, øe wbijaniu d ugich prítûw pionowych towarzyszy ich odkszta cenie od kszta tu prostoliniowego na niejednorodnoúci gruntu. Stπd zapewnienie, øe pow oka príta nie jest naraøona na uszkodzenie nie jest do koòca prawdziwe. Problem 4 ñ prπdy wyrûwnawcze sieci B Ídem jest nie uwzglídnianie przy ocenie øywotnoúci uziomûw przep ywu prπdûw wyrûwnawczych sieci elektroenergetycznej. Naleøy przypomnieê, øe zdecydowana wiíkszoúê uziemieò ñ stacje elektroenergetyczne SN / nn, obwody sieci nn i inne ñ pracuje przy wystípujπcym w sposûb ciπg y, zmiennym w czasie obciπøeniu prπdowym, co zapewne bídzie skutkowaê przyspieszeniem korozji elektrochemicznej [5]. Problem 5 ñ uziomy pionowe i poziome Sugerowanie stosowania uziomûw niemal wy πcznie pionowych o duøej d ugoúci (nawet do 30 m) moøe wprowadziê w b πd, gdyø problemy z uzyskaniem odpowiedniej wartoúci opornoúci uziomûw poziomych (np. poniøej 10Ω dla uziemienia ogranicznikûw przepiíê itp.) wystípujπ raczej na pû nocy kraju, na glebach na przyk ad piaszczystych. Moøna postawiê wiíc tezí, øe proponowanie uziomûw pionowych, bez podania konkretnych przypadkûw zalecanego ich stosowania moøe generowaê raczej wiíksze koszty. Dotyczy to sytuacji, gdy naleøy wykonaê uziemienie w gruncie o niskiej rezystywnoúci (znaczna czíúê kraju), przy istniejπcych wykopach (stacje wnítrzowe, kubaturowe, z πcza kablowe nn z podejúciami kablowymi) i niezbídnymi elementami poziomymi dla zapewnienia np. niezawodnoúci funkcjonowania uziemienia. Podsumowanie W zakresie realizacji uziemieò roboczych i ochronnych pamiítaê naleøy o kilku istotnych, praktycznych uwagach: ï stosowanie uziemienia kombinowanego, tj. z elementami uziomowymi poziomymi i pionowymi, wymuszonego wzglídami praktycznymi; ewentualne uszkodzenie elementûw uziomowych pionowych (korozja elektrochemiczna, prπdy wy adowcze) nie powoduje generalnego braku uziemienia ñ os abione uziemienie pe ni jeszcze swojπ rolí a potencjalne zak Ûcenia w pracy sieci elektroenergetycznej lub rutynowe czynnoúci eksploatacyjne bídπ skutkowaê odnajdywaniem przez s uøby eksploatacji os abionych uziemieò, ï rezygnacja ze stosowania pojedynczych uziomûw pionowych dla realizacji wymaganego uziemienia z powodûw opisanych powyøej w tekúcie pomimo, øe podawane wartoúci opornoúci [4] uzyskiwanych przy pojedynczym uziomie mogπ spe niaê wymagania obowiπzujπcych przepisûw, kwiecieò 2005
ï uwzglídnienie przede wszystkim elementu ryzyka przy stosowaniu ekonomicznych kryteriûw doboru technologii konstrukcji elementûw uziomowych. W przypadku prítûw stalowych ocynkowanych niemal wy πcznym skutkiem uszkodzenia pow oki ochronnej bídzie w skrajnym przypadku zachowanie sií príta uziomowego jako wy πcznie stalowego. Dla prítûw stalowych pomiedziowanych uszkodzenie pow oki ochronnej skutkowaê bídzie [4] przyspieszeniem korozji príta uziomowego w stosunku do czasu korozji w sytuacji, gdyby nie by on miedziowany. Zak adajπc piícioletni cykl kontroli stanu uziemieò oraz wystípujπce w tym czasie wielokrotne zak Ûcenia w pracy sieci elektroenergetycznej problem ryzyka zastosowania niew aúciwych elementûw uziomowych staje sií tym bardziej znaczπcy, ï przewidywanie zrûønicowanych warunkûw budowy uziemieò ze wzglídu na zrûønicowane warunki glebowe i wodne na terenie kraju. W szczegûlnoúci na po udniu Polski przydatne bídπ krûtkie uziomy pionowe jako uzupe nienie uziomûw poziomych (jako bardziej stabilnych pod wzglídem odpornoúci na korozjí). Wynika to z dobrej rezystywnoúci gruntu, wysokiego poziomu wûd gruntowych i p ytkiego lokalnie pod oøa skalnego. Przeciwne parametry mogπ wystípowaê na pû nocy kraju, gdzie niezbídne moøe byê wykorzystanie g Íbokich uziomûw pionowych (nawet do 30 metrûw) oraz ewentualne dosycanie gruntu substancjami poprawiajπcymi jego rezystywnoúê. Polskie prawo zobowiπzuje do cyklicznie wykonywanych kontroli stanu technicznego urzπdzeò. Nie zmienia to jednak faktu, øe niew aúciwe podejúcie w tym zakresie moøe powodowaê duøe problemy eksploatacyjne i prawne (potencjalne roszczenia klientûw i osûb postronnych). Janusz Oleksa Autor jest pracownikiem firmy ENION S.A. R E K L A M A Siemens Literatura [1] Polska Norma N SEP-E-001. Sieci elektroenergetyczne niskiego napiícia. Ochrona przeciwporaøeniowa. [2] Henryk Markiewicz. ÑBezpieczeÒstwo w elektroenergetyceî. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa 1999. [3] Robert Marciniak, Dorota Ko odziej, Krzysztof Hypki. ÑKoszty eksploatacji uziomûw wykonanych z rûønych materia Ûwî. Elektrosystemy nr 09/2003. Elektroinstalator nr 06/2003. [4] Robert Marciniak, Dorota Ko odziej, Krzysztof Hypki. ÑWieczna rezystancja uziemienia, czyli jak dokonaê wyboru konstrukcji uziomûw pionowych, ktûra gwarantuje sta π rezystancjí i jaki wp yw na rezystancjí ma technologia miedziowania prítûw uziomowych. Elektrosystemy nr 09/2002. Elektroinstalator 09/2002. [5] Marek oboda, Robert Marciniak. ÑSpecyficzne w aúciwoúci uziemieò piorunochronnych i badanie pewnoúci ich po πczeòî. III Konferencja Naukowo- -Techniczna. Urzπdzenia Piorunochronne w projektowaniu i budowie. KrakÛw 26-27 paüdziernika 2000. PrzedsiÍbiorstwo Produkcyjne BEZPOL spû ka jawna ul. PartyzantÛw 21 42-300 MyszkÛw tel. (34) 313 07 77 fax (34) 313 06 76 e-mail: bezpol@bezpol.pl www.bezpol.pl