Wykonanie i utrzymanie właściwej impedancji połączeń uziemiających jest kluczowe dla niezawodnej, skutecznej i bezpiecznej pracy obiektów.
Stabilne źródła zasilania stanowią podstawę utrzymania ruchu w zakładach, budynkach i fabrykach. Usterki elektryczne lub niestabilność zasilania, wynikające z błędnie zaprojektowanego systemu rozdziału energii elektrycznej, mogą mieć ujemny wpływ na bezpieczeństwo, produkcję i ogólny wynik zakładu.
Podstawą każdego generatorowego układu zasilania i związanego z nim układu rozdziału energii elektrycznej jest prawidłowo zaprojektowany, profesjonalnie zainstalowany oraz skutecznie połączony system połączeń wyrównawczych i uziemień, mający krytyczne znaczenie dla zakładów wytwarzających energię elektryczną i innych obiektów. Wykonanie i utrzymanie odpowiedniej impedancji uziemienia, która stabilizuje napięcie systemu, jest podstawowym i zarazem krytycznym elementem w utrzymaniu niezawodnej, wydajnej i bezpiecznej działalności zakładów.
Poniższe punkty przedstawiają pięć głównych powodów wykonania efektywnego systemu połączeń wyrównawczych oraz uziemień poprzez niską lub świadomie wybraną impedancję, a także wskazują różnice pomiędzy połączeniami wyrównawczymi (ang. bonding) a uziemieniem (ang. grounding or earthing). Stosując się do tych podstawowych zasad, kierownicy utrzymania ruchu oraz dyrektorzy zakładów będą w stanie zapewnić swoim zakładom wytwarzającym energię niezawodność, bezpieczeństwo i wydajność.
Trójfazowe, czteroprzewodowe układy typu „gwiazda” z uziemieniem bezpośrednim lub przez rezystor są układami bardziej preferowanymi w stosunku do nieuziemionych układów trójfazowych, trójprzewodowych z powodu możliwości wystąpienia niszczących napięć przejściowych, które mogą wystąpić w systemie energetycznym podczas przeskoków zwarcia łukowego pomiędzy fazą a ziemią. Tego typu niszczące przepięcia, tworzące się w wyniku powstania rezonansu pomiędzy reaktancją indukcyjną systemu a pojemnością rozproszoną w stosunku do ziemi, mogą wielokrotnie przekraczać wartość napięcia międzyfazowego.
Doświadczenie pokazuje, że tego typu przepięcia mogą bardzo szybko uszkodzić izolację w wielu miejscach systemu energetycznego, a w szczególności dotyczy to silników i odbiorów kontrolowanych przez wrażliwe układy elektroniczne. Przepięcia spowodowane łukowymi zwarciami doziemnymi są głównym powodem tego, że systemy nieuziemione nie są zalecane, a trwale lub rezystancyjnie uziemione układy są stosowane w większości sieci.
Przyczyny stosowania połączeń wyrównawczych i uziemień
Następujące punkty przedstawiają główne cele skutecznie połączonego systemu uziemienia za pomocą niskiej lub specjalnie dobranej ścieżki impedancji do ziemi.
1. Zapewnienie odpowiedniego punktu odniesienia w stosunku do ziemi w celu zrównoważenia napięcia systemu zasilania źródła energii oraz systemu rozdziału energii podczas normalnej pracy.
Napięcie systemu zasilania zależy od układu i połączeń uzwojeń wyjściowych, a także od tego, jak te uzwojenia są połączone z punktem uziemienia lub z ziemią. Napięcie systemu rozdziału energii jest określone w zależności od konfiguracji połączeń uzwojeń wtórnych poszczególnych transformatorów dystrybucyjnych oraz tego, w jaki sposób te uzwojenia są połączone z punktem uziemienia lub z ziemią.
Podstawową funkcją lub zadaniem uziemiania punktu neutralnego X0 źródła energii jest uwzględnienie odpowiedniego punktu odniesienia w stosunku do planety Ziemia w celu stabilizacji napięcia systemu wytwarzania energii w miejscu źródła jej wytwarzania.
Ponieważ uzwojenia wtórne transformatorów dystrybucyjnych stanowią szczególny i zarazem niezależny system elektryczny, podstawową funkcją lub zadaniem przewodu wyrównawczego jest stabilizacja napięcia systemu w odniesieniu do ziemi. Przewód wyrównawczy jest z reguły podłączony w tej samej obudowie co zaciski zasilające, a nie jest on zazwyczaj zwymiarowany w celu przewodzenia dużych wartości doziemnych prądów zwarciowych.
2. Stworzenie stosunkowo kontrolowanej ścieżki o bardzo małej impedancji dla przepływu prądu ziemnozwarciowego.
Nie jest możliwe dokładne określenie miejsca i czasu przepływu prądu ziemnozwarciowego. Jednakże w zależności od dokładnego punktu wystąpienia doziemienia w granicach danego systemu rozdziału energii elektrycznej, może wystąpić wiele ścieżek powrotnych pomiędzy punktem, gdzie uszkodzony przewód styka się z przewodzącą powierzchnią a punktem neutralnym X0 generatora lub uzwojeń wtórnych transformatora dystrybucyjnego.
W rezultacie wskazane jest, aby prąd ziemnozwarciowy płynął głównie w przewodach wyrównawczych określonych urządzeń oraz przewodach uziemiających, bezpośrednio związanych z uszkodzonym obwodem. Jeśli impedancja przewodów wyrównawczych i przewodów uziemiających związanych z układem, w którym nastąpiło zwarcie, jest za wysoka, to w takim przypadku znaczna część prądu ziemnozwarciowego wybierze inne równoległe ścieżki w celu powrotu do uzwojeń źródła zasilania.
Te inne niekontrolowane i nieoczekiwane ścieżki powrotne mogą wpłynąć na obsługę zakładów przez narażenie ich na wpływ powstałych różnic napięć dotykowych, które mogą spowodować śmierć, obrażenia lub trwałe uszkodzenia organów wewnętrznych.
Dodatkowo inne niedotknięte bezpośrednio zwarciem urządzenia mogłyby zostać uszkodzone w związku ze zwiększonym napięciem i nieoczekiwanym przepływem prądu.
3. Stworzenie efektywnej ścieżki o bardzo niskiej impedancji dla przepływu prądu ziemnozwarciowego po to, aby zabezpieczenia ziemnozwarciowe i inne systemy ochrony przez zwarciami doziemnymi mogły pracować skutecznie.
W czasie trwania doziemienia od przewodów wyrównawczych narażonych urządzeń oraz przewodów uziemiających wymaga się, aby działały jako ścieżka o bardzo małej impedancji pomiędzy punktem zwarcia a szyną uziemiającą w zakresie urządzeń serwisowych lub urządzeń generatora rezerwowego. W konsekwencji dotknięte awarią przewody wyrównawcze oraz przewody uziemiające stanowią 50% całkowitego obwodu prądowego podczas okresu przepływu prądu ziemnozwarciowego.
Jeśli impedancja drogi powrotnej prądu ziemnozwarciowego nie jest wystarczająco niska, to urządzenia zabezpieczające w danym obwodzie, takie jak wkładki bezpiecznikowe i wyłączniki termomagnetyczne, nie będą efektywne w zabezpieczaniu urządzeń przed uszkodzeniami. Jeśli impedancja drogi powrotnej zwarcia jest za wysoka, to wartość prądu ziemnozwarciowego mogłaby być niższa niż wartość znamionowa wkładki i wyłącznika zabezpieczającego uszkodzony obwód.
Aby spełnić wymagania efektywnej ścieżki prądu ziemnozwarciowego, urządzenia elektryczne i oprzewodowanie oraz inne materiały przewodzące, które mogłyby znaleźć się pod napięciem, muszą być zainstalowane w taki sposób, który tworzy trwały, niskoimpedancyjny obwód umożliwiający działanie zabezpieczeń nadprądowych lub urządzeń wykrywających doziemienie w układach o wysokiej impedancji uziemienia.
Ścieżka prądu ziemnozwarciowego musi być w stanie przenieść efektywnie i bezpiecznie maksymalny prąd zwarcia, jaki może zostać w niej wymuszony w jakimkolwiek punkcie systemu dystrybucji energii, w którym może wystąpić zwarcie, do powrotu do źródła energii. Ziemia nie może być uważana za efektywną ścieżkę dla prądu ziemnozwarciowego.
Trwale uziemiony generator mocy lub uzwojenia wtórne transformatora dystrybucyjnego, gdzie nie jest zamierzone występowanie impedancji pomiędzy punktem neutralnym X0 generatora lub uzwojeniami wtórnymi transformatora dystrybucyjnego a ziemią (rys.1).
W takim rodzaju instalacji nie występuje zamierzona impedancja dla żadnego prądu ziemnozwarciowego oprócz tej w kablu zasilającym, uzwojeniach i drogach powrotnych prądów ziemnozwarciowych. Z tego względu maksymalna wartość prądu ziemnozwarciowego będzie płynęła podczas jakiegokolwiek z niepomyślnych warunków zwarcia doziemnego. XGO jest reaktancją składowej zerowej uzwojeń generatora lub transformatora.
Rezystancja lub uziemiony przez rezystancję generator mocy albo uzwojenia wtórne transformatora rozdzielczego, gdzie dobrano impedancję przez zastosowanie rezystora uziemiającego zainstalowanego pomiędzy zaciskiem X0 uzwojeń generatora a ziemią lub zaciskiem X0 uzwojeń wtórnych transformatora z ziemią (rys. 2).
Dodatkowo do przejętej impedancji związanej z kablem zasilającym, uzwojeniami i drogami powrotnymi zwarcia w tym rodzaju instalacji stosuje się specjalnie rezystancję w celu ograniczenia przepływu prądu ziemnozwarciowego.
Z tego względu maksymalna wartość prądu powstałego w wyniku niezamierzonego zwarcia doziemnego zostanie ograniczona do odpowiedniej wielkości przez odpowiedni dobór wartości RN (zalecana wartość podana w omach rezystora uziemiającego) plus wartość XGO.
Do powodów ograniczania prądu przez rezystancję uziemienia zalicza się:
- redukcję efektów palenia i topienia w urządzeniach dotkniętych zwarciem, takich jak rozdzielnice, transformatory, kable i maszyny wirujące,
- redukcję obciążeń mechanicznych i cie-plnych w obwodach i urządzeniach, przez które przepływa prąd zwarciowy (zalicza się tu także uzwojenia generatora zasilającego i transformatora),
- redukcję skutków porażenia prądem elektrycznym personelu, spowodowanego błądzącymi prądami zwarciowymi płynącymi ścieżkami powrotnymi,
- redukcję skutków wybuchu i palenia się łuku na personel, który przypadkowo spowodował lub znalazł się w pobliżu zwarcia doziemnego,
- redukcję chwilowego spadku napięcia sieciowego spowodowanego przez powstanie i usuwanie zwarcia doziemnego,
- zapewnienie kontroli nad przepięciami przejściowymi oraz w tym samym czasie uniknięcie odcięcia uszkodzonego obwodu podczas wystąpienia pierwszego doziemienia (uziemianie przez wysoką rezystancję).
Wyróżnia się dwa typy rezystancji uziemienia – wysoka rezystancja i niska rezystancja, które dobiera się w zależności od dozwolonej wielkości przepływu prądu ziemnozwarciowego.
Uziemienie za pomocą wysokiej rezystancji odbywa się przez zastosowanie rezystora uziemiającego o wysokiej rezystancji. Wartość rezystora dobierana jest tak, aby ograniczyć prąd do wartości równej lub nieznacznie większej od całkowitej wartości prądu ładowania pojemności.
Z reguły prąd ziemnozwarciowy jest ograniczany do 10 A lub mniej, chociaż niektóre specjalne systemy o napięciu 15 kV lub wyższym mogą wymagać wyższych wartości w celu aktywowania zabezpieczeń. Ogólnie rzecz biorąc, powinno się unikać uziemienia przez wysoką rezystancję w systemach, gdzie prąd zwarciowy doziemny przekracza 10 A, z powodu potencjalnych uszkodzeń wywołanych przez wyładowanie łukowe większe niż 10 A w ograniczonej przestrzeni.
Uziemianie przez niską rezystancję jest projektowane w celu ograniczania prądów ziemnozwarciowych do wartości wahających się w granicach 100 A – 1000 A, gdzie 400 A jest wartością typową. Dobór rezystora jest dokonywany według reguły R = Vln/Ig, gdzie Vln jest napięciem fazowym systemu, a Ig jest wymaganą wartością prądu ziemnozwarciowego. Ponieważ zarówno efekt prądu ładowania oraz impedancji źródła zasilania mają nieznaczny wpływ na wartość prądu doziemnego, wynoszący poniżej 0,5% w typowym zakresie dla systemów zasilanych przez zakłady energetyczne, zatem dopuszcza się pomijanie tego wpływu podczas obliczania rezystancji doziemienia. W praktyce zakłada się, że na rezystorze uziemiającym pojawia się pełne napięcie fazowe sieci.
Generator mocy uziemiony przez reaktancję lub uzwojenia wtórne transformatora dystrybucyjnego, gdzie dobrano impedancję przez zastosowanie cewki indukcyjnej specjalnie zainstalowanej pomiędzy zaciskiem X0 uzwojeń generatora a ziemią lub zaciskiem X0 uzwojeń wtórnych transformatora a ziemią (rys. 3).
W dodatku do przejętej impedancji związanej z kablem zasilającym, uzwojeniami oraz ścieżkami powrotnymi prądów zwarciowych, w tego typu instalacji dokłada się impedancję indukcyjną w celu ograniczenia wartości przepływającego prądu ziemnozwarciowego. Dlatego też maksymalna wartość prądu powstałego wskutek niezamierzonego zwarcia doziemnego będzie ograniczona do wartości zamierzonej poprzez dobór wartości XN (określona wartość induktancji rezystora uziemiającego) oraz wartość XGO.
Określenie „uziemienie przez reaktancję” (ang. reactance grounding) opisuje przypadek, w którym dławik jest podłączony pomiędzy punktem neutralnym sieci a ziemią, jak pokazuje rysunek 3. Ponieważ prąd ziemnozwarciowy, który może płynąć w sieci z uziemionym przez reaktancję punktem neutralnym, jest funkcją tej reaktancji, to wartość maksymalna prądu ziemnozwarciowego jest często wykorzystywana jako kryterium do opisania poziomu systemu uziemienia.
W systemie uziemionym za pomocą reaktancji wartość prądu ziemnozwarciowego powinna wynosić co najmniej 25% (X0=10Xl), a najlepiej 60% (X0=3Xl) trójfazowgo prądu ziemnozwarciowego w celu uniknięcia powstania poważnych przepięć przemijających. Wartość X0, jaka została użyta, jest sumą reaktancji składowej zerowej źródła, X0, plus trzy razy reaktancja uziemienia, 3Xn, (X0=X0źródła + 3Xn). Jest to znacznie więcej, niż wynosi poziom prądu zwarciowego wymaganego w systemie uziemionym przez rezystancję. Z tego powodu alternatywne uziemienie reaktancyjne nie jest zazwyczaj brane pod uwagę przy uziemieniach o niskiej rezystancji.
Uziemienia przez reaktancję są z reguły zarezerwowane dla aplikacji, gdzie wymagane jest ograniczenie wielkości prądu ziemnozwarciowego do wartości maksymalnej, która jest relatywnie bliska maksymalnej wartości prądu zwarcia trzyfazowego. Wykorzystanie dławików w celu zapewnienia ograniczenia prądu ziemnozwarciowego jest często tańszym rozwiązaniem od rezystorów uziemiających w przypadkach, gdzie wymagana wartość prądu wynosi kilka tysięcy amperów.
4. Ograniczenie różnicy potencjałów, wzrostu napięcia, napięć krokowych i dotykowych, różnicy potencjałów pomiędzy urządzeniami a ziemią lub pomiędzy urządzeniami.
Niezmiernie ważne jest, aby wszystkie powierzchnie przewodzące i obudowy urządzeń powiązanych z jakimkolwiek systemem rozdzielczym były razem efektywnie połączone za pomocą nisko impedancyjnych połączeń wyrównawczych. Jak zostało to częściowo wyjaśnione powyżej, bez połączeń o niskiej impedancji dla przepływu prądu ziemnozwarciowego w stosunkowo kontrolowanym obwodzie, mogą się pojawić różnice napięć lub napięcia krokowe w innych punktach systemu.
Jednakże podczas warunków bezawaryjnych część normalnego prądu obciążenia będzie płynęła przez powierzchnie przewodzące, obudowy urządzeń i ziemię, jeśli jakikolwiek przewód przewodzący jest połączony z ziemią w więcej niż jednym miejscu. Na przykład, jeśli jakiś uziemiony przewodnik (przewód neutralny) miałby zostać podłączony do jakiejkolwiek powierzchni przewodzącej lub obudowy urządzenia po stronie dolnej głównego przewodu wyrównawczego, wtedy część prądu obciążenia będzie płynęła przez powierzchnię przewodzącą, obudowę urządzenia lub ziemię, ponieważ zostanie stworzony obwód równoległy.
5. Ograniczenie wzrostu napięcia lub różnic potencjałów powstałych na urządzeniach, obiektach lub konstrukcjach na skutek wyładowań atmosferycznych, ograniczenie udarów mających wpływ na urządzenia serwisowe, jakiekolwiek warunki zwarcia doziemnego lub nieumyślne połączenie albo zetknięcie się z różnymi systemami napięcia.
Podczas uderzenia pioruna w urządzenie lub obiekt prąd wyładowania popłynie wszystkimi równoległymi ścieżkami pomiędzy punktem zamocowania a ziemią. Podział prądu będzie odwrotnie proporcjonalny do impedancji ścieżki Z (Z=R+XL, rezystancja plus reaktancja indukcyjna). Składnik rezystancji powinien być bardzo mały, zakładając efektywnie podłączone przewody metalowe.
Induktancja oraz powiązana reaktancja indukcyjna przedstawiona w stosunku do całkowitego prądu powrotnego będzie określona przez kombinację wszystkich pojedynczych równoległych obwodów indukcyjnych. Im więcej równoległych ścieżek występujących w systemie połączeń wyrównawczych lub systemie uziemienia, tym niższa impedancja całkowita.
Różnica pomiędzy połączeniami wyrównawczymi a uziemieniem
Wyrażenia „bonding” (połączenia wyrównawcze) i „grounding” (uziemienie) są często stosowane zamiennie jako ogólne określenie w przemyśle elektrycznym w takim znaczeniu, że pewna część urządzenia elektrycznego, konstrukcji lub obudowy jest w jakiś sposób odniesiona do ziemi. W rzeczywistości połączenia wyrównawcze i uziemienie mają zupełnie inne znaczenie i instaluje się je, wykorzystując odmienne techniki.
Połączenia wyrównawcze służą do połączenia wszystkich elementów przewodzących, obudów metalowych i konstrukcji, które normalnie nie są przeznaczone do pracy pod napięciem. Elementy te są efektywnie połączone między sobą za pomocą przewodów o niskiej impedancji w celu uniknięcia znacznych różnic potencjałów pomiędzy oddzielnymi punktami. Wzajemne połączenia powierzchni przewodzących, powierzchni metalowych obudów, urządzeń elektrycznych, rur, pojemników lub konstrukcji za pomocą przewodów o niskiej impedancji są kompletnie niezależne i niezwiązane z jakimkolwiek zamierzonym połączeniem z ziemią.
Na przykład samoloty nie mają żadnego połączenia z ziemią podczas lotu. Jednakże dla bezpieczeństwa pasażerów i załogi jest bardzo istotne, aby wszystkie części metalowe i konstrukcje samolotu były efektywnie połączone. Laboratoria i satelity krążące w przestrzeni kosmicznej oczywiście nie mają bezpośredniego powiązania z ziemią.
Niemniej jednak wszystkie powierzchnie przewodzące tych orbitujących laboratoriów i satelitów muszą być efektywnie powiązane ze sobą w celu uniknięcia różnic potencjałów mogących się pojawić na ich powierzchniach z niezliczonej ilości naładowanych cząsteczek i fal magnetycznych podróżujących w przestrzeni.
Wspólną metodą efektywnego połączenia różnych powierzchni metalowych obudów, urządzeń elektrycznych, rur, pojemników lub konstrukcji jest połączenie ich przewodem miedzianym z odpowiednio dobranymi końcówkami, śrubami, klamrami i nakrętkami. Do innych metod wykonania połączeń wyrównawczych pomiędzy różnymi częściami metalowymi można zaliczyć wsporniki, zaciski, połączenia egzotermiczne lub spawy tworzące efektywne połączenia.
Dodatkowo oprócz zapobiegania powstawaniu różnic potencjałów mogących prowadzić do zagrożeń, efektywnie połączone urządzenia mogą być wykorzystane do odpowiedniego i bezpiecznego przewodzenia prądów ziemnozwarciowych, indukowanych prądów, prądów udarowych, wyładowań atmosferycznych lub prądów przejściowych powstałych podczas anormalnych warunków.
„Grounding” jest wyrażeniem używanym raczej tylko w Ameryce Północnej w celu wskazania bezpośredniego lub pośredniego połączenia z planetą Ziemia lub do innego obiektu przewodzącego, który służy zamiast ziemi. Połączenia z ziemią mogą być zamierzone lub niezamierzone poprzez zastosowanie elementu metalowego.
Elektroda uziemiająca jest zaprojektowanym przewodnikiem, który łączy się z innymi urządzeniami.
Artykuł pod redakcją Marka Olszewika
UR
Autor: Frank Waterer
