proracun uzemljivaca

1

PROJEKTIRANJE, PRORAČUN I MJERENJA

UZEMLJIVAČA SREDNJENAPONSKIH TS

(Predavanje 11)

Sarajevo, decembar 2013. god. Red. prof. dr Alija Muharemović, dipl.ing.el.

2

1. OSNOVNI POJMOVI O UZEMLJENJU, VRSTE UZEMLJENJA I

OSNOVNE KARAKTERISTIKE UZEMLJIVAČA

Pod uzemljavanjem se podrazumijeva ostvarivanje vodljive veze između dijelova elektro-

energetskih postrojenja i zemlje. Ostvarivanje ove veze postiže se ukopavanjem u zemlju

metalnih vodiča različitih oblika i dimenzija i njihovim povezivanjem sa dijelovima

postrojenja. Osnovni elementi svakog uzemljenja su uzemljivač, to jest vodič (jedan ili više)

položen u zemlju i sa njom je u neposrednom kontaktu i zemljovod koji povezuje dio

postrojenja (koje treba uzemljiti) sa uzemljivačem.

Uzemljenje u postrojenju ima zadatak da

zaštiti ljude od opasnih napona dodira i koraka,

odvede struju atmosferskih pražnjenja u zemlju,

vodi radnu struju i osigurava radne karakteristike strujnog kola.

S obzirom na ulogu uzemljenja razlikuju se radno, zaštitno i gromobransko uzemljenje.

Najpotpunije definicije vrsta uzemljenja date su u standardu IEC 60364–5–54AMD1:2000.

Radno uzemljenje je uzemljenje dijela pogonskog strujnog kruga kojim se osigurava željena

funkcija i radne karakteristike strujnog kola. Radno uzemljenje može da bude direktno, ako je

izvedeno neposrednim vezivanjem za sistem uzemljenja (ne sadrži nikakav drugi otpor osim

impedanse uzemljenja) ili indirektno, ako se izvodi vezivanjem za sistem uzemljenja preko

dodatnih impedansi (aktivne otpornosti, induktivne otpornosti ili njihovih kombinacija).

Gromobransko uzemljenje je uzemljenje gromobranske instalacije koja služi za odvođenje

struje atmosferskog pražnjenja u tlo. Gromobransko uzemljenje ograničava napon na koji

dolazi gromobranska instalacija kako bi se spriječili povratni preskoci s tih instalacija na

radne strujne krugove i metalne objekte.

Zaštitno uzemljenje je uzemljenje metalnih djelova koji ne pripadaju strujnom krugu niti su

posredno u električnom kontaktu sa njim, ali u slučaju kvara mogu da dođu pod napon.

Zaštitno uzemljenje smanjuje ovaj napon, kao i potencijalne razlike dodira i koraka kojima

mogu da budu izloženi ljudi i na taj način ih štiti.

Ukoliko se isto uzemljenje koristi i kao radno i kao zaštitno uzemljenje govori se o

združenom uzemljenju.

Uzemljivači, kao glavni dio uzemljenja, mogu biti izvedeni od različitih materijala, kao što su

bakar, pocinčani čelik ili različite kombinacije tih materijala, međusobno ili sa drugim

metalima. Prema obliku materijala i osobinama uzemljivači se mogu podijeliti na:

trakaste uzemljivače,

uzemljivače okruglog punog presjeka ili u obliku užeta,

cijevne uzemljivače,

uzemljivače od profilnog metala,

armature u betonu,

ostale ukopane metalne instalacije (cjevovodi i slično).

Po načinu izvođenja uzemljivači se mogu podijeliti na:

horizontalne (površinske) uzemljivače koji su sastavljeni od horizontalno položenih

vodiča koji su ukopani u tlo na manjoj dubini. Horizontalni uzemljivači mogu biti

mrežasti, zrakasti, u vidu prstenova ili kombinacija ovih oblika,

3

vertikalne (dubinske) uzemljivače koji su sastavljeni od jednog ili više štapnih

uzemljivača okomito položenih u odnosu na tlo na većim dubinama i međusobno

povezani. Mogu da budu cijevastog, okruglog ili nekog drugog oblika, i

kose uzemljivače koji su u osnovi štapni uzemljivači položeni pod uglom u odnosu na tlo i

obično služe za oblikovanje potencijala.

U nastavku su date osnovne definicije pojmova i elemenata uzemljenja. Prilikom definiranja

pojmova i elemenata korišteni su „IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding IEEE

Std 80 – 2000 - Revision of Earthing Calculation to IEEE Std. 80/1986“, “Pravilnik o

tehničkim normativima za zaštitu niskonaponskih mreža i pripadajućih TS“, “Električna

postrojenja nazivnih izmjeničnih napona iznad 1 kV“ (Standard CENELEC-a HD 637 S1:

1999) .

Uzemljiti znači realizirati električki dobru vodljivu vezu između metalnog dijela postrojenja i

zemlje.

Uzemljenje je skup međusobno električki dobro vidljivo povezanih pojedinačnih

uzemljivača, zemljovoda i sabirnih zemljovoda.

Uzemljivači su metalni dijelovi, koji se nalaze u zemlji i realiziraju električnu vodljivu vezu

uzemljenih dijelova postrojenja sa zemljom, kao i neizolirani vodiči, koji služe za spajanje

postrojenja sa zemljom, na dijelu u kome su položeni u zemlju.

Otpornost rasprostiranja uzemljivača je otpornost između uzemljivača i referentne zemlje

odnosno definira se kao količnik potencijalne razlike između ivice uzemljivača i referentne

zemlje i struje kroz uzemljivač, koja pravi tu potencijalnu razliku.

Otpornost rasprostiranja pojedinačnog uzemljivača najjednostavnije se definira prema slici

1.13.

Otpornost uzemljenja je zbir otpornosti rasprostiranja uzemljivača i otpornosti zemljovoda.

Temeljni uzemljivač je uzemljivač od pocinčane trake ili okruglog željeza, koji se ugrađuje u

sloj betona u temelju objekta (zgrade); armirano-betonska konstrukcija objekta može i sama

da se koristi kao temeljni uzemljivač pod uvjetom da su elementi ove konstrukcije međusobno

galvanski povezani.

Porast potencijala uzemljivača je maksimalni napon uzemljivača transformatorske stanice,

koji se može dostići između tačaka uzemljivača i daleke referentne zemlje.

Napon uzemljivača je razlika potencijala uzemljivača i referentne zemlje.

Potencijalni lijevak je površinska raspodjela potencijala oko uzemljivača prikazana

dijagramom.

Potencijalna razlika dodira (Ed) je potencijalna razlika koja postoji između uzemljenih

uređaja i stajališta, a koja može da se premosti dodirom. Pri dodiru, strujno kolo se zatvara

preko ruke i stopala čovjeka, pri čemu su čovjekova stopala udaljena 1 (m) od uzemljenog

uređaja.

Napon dodira (Ud) je dio potencijalne razlike dodira kojoj je izložen čovjek pri dodiru.

Napon dodira niži je od potencijalne razlike dodira za pad napona na prelaznoj otpornosti

kontakta stopalo/zemlja i proračunava se prema izrazu:

s

dd

EU

3105,11,

4

gdje je ρs specifični otpor nasutog sloja (ili osnovnog sloja) zemlje.

Previsok (opasan) napon dodira je onaj koji je viši od dozvoljenog napona dodira.

Potencijalna razlika koraka (Ek) je ona potencijalna razlika koja se na površini zemlje

premosti korakom dužine 1 (m).

Napon koraka (Uk) je dio potencijalne razlike kojoj je izložen čovjek kada prekorači

potencijalnu razliku. Napon koraka je niži od potencijalne razlike koraka za padove napona na

prelaznim otpornostima stopala/zemlja i proračunava se prema izrazu:

s

kk

EU

31061

5

2. PRORAČUN UZEMLJIVAČA ELEKTROENERGETSKIH

OBJEKATA

2.1. POSTUPCI PROJEKTIRANJA – PRORAČUNA

2.1.1. Kriteriji za projektiranje - proračun

Uzemljivački sistem svakog elektroenergetskog objekta treba ispuniti dva osnovna cilja u

normalnom pogonskom stanju i pri nastanku kvara. To su: prvo, da omogući odvođenje struje

kvara u zemlju a da se pri tom ne ugrozi rad ili oprema postrojenja, i drugo, da se osigura da

osoblje u blizini uzemljenih objekata ne bude izloženo opasnom električnom udaru.

Postupak projektiranja uzemljivača temelji se na postizanju sigurnosti od opasnih napona

dodira i koraka unutar elektroenergetskog postrojenja i neposredno izvan, u okolišu ograde

postrojenja. Kako je napon okca mreže najnepovoljniji mogući napon dodira unutar

postrojenja, koristi se kao osnovna veličina u postupku projektiranja.

Naponi koraka su manje opasni nego naponi dodira. Ako je, međutim, sigurnost unutar

postrojenja postignuta primjenom visokootpornog površinskog sloja (npr. nasutog tucanika),

onda izvan ograde na području na kojem takav sloj ne postoji, naponi koraka mogu biti

opasni. Svakako, nakon što se uzemljivač isprojektira tako da stvara napone dodira unutar

dozvoljenih vrijednosti, potrebno je provjeriti i napone koraka.

Kod pravilnih uzemljivačkih mreža, napon okca mreže se povećava od centra prema uglu

mreže. Iznos tog porasta ovisi o veličini mreže, broju i lokaciji vertikalnih uzemljivačkih

sondi, razmaku između vodiča mreže, poluprečniku vodiča i dubini ukopavanja te o

specifičnom otporu tla. Računarska analiza načinjena za tri tipične uzemljivačke mreže

prikazana je u Tabeli 2.1. U Tabeli 2.1. s Em označen je napon okca mreže.

Tabela 2.1. Tipičan omjer potencijala okca na uglu i u centru mreže

Mreža br. Veličina mreže (broj okca x broj okca) Em ugao / Em centar

1 10 x 10 2,71

2 20 x 20 5,55

3 30 x 30 8,85

Sve analizirane mreže su simetrične, pravilne kvadratne mreže bez vertikalnih sondi.

Potencijal okca u uglu računat je u odnosu na potencijal u središtu tog okca. Zapravo je

najviši potencijal okca neznatno pomaknut iz središta okca prema središtu mreže, ali je po

iznosu neznatno viši od potencijala u središtu okca.

Kako se vidi iz Tabele 2.1. potencijal okca na uglu u pravilu je znatno viši od potencijala okca

u centru mreže. To uvijek vrijedi, osim u slučaju nesimetričnih mreža, mreža s vertikalnim

sondama smještenim blizu vanjskog oboda mreže te u slučaju mreža s izrazito nejednolikim

razmakom između vodiča.

2.1.2. Ključni parametri za projektiranje

Bitni parametri, koji imaju značajan utjecaj na projektiranje uzemljivačke mreže, su:

maksimalna struja kroz uzemljivač, trajanje kvara, karakteristike tla (specifični otpor),

specifični otpor površinskog visokootpornog sloja i geometrija mreže.

6

Geometrija mreže opisana je s nekoliko parametara od kojih su, na iznos potencijala okca,

mreže najutjecajniji slijedeći: veličina uzemljivačkog sistema, razmak između vodiča i dubina

ukopavanja. Manji utjecaj imaju presjek uzemljivačkog vodiča i debljina površinskog sloja

tla. Geometrija mreže određena je tehničkim i ekonomskim kriterijima. Tehnički kriteriji

zahtijevaju mrežu dovoljne gustoće kako bi bili zadovoljeni propisi, a ekonomski kriteriji

minimalnu cijenu izvedbe takvog uzemljivača. Uobičajeni razmaci između uzemljivačkih

vodiča su 2 do 15 m, s dubinom ukopavanja 0,5 do 1,5 m (tipično 0,8 m ili 1 m). Za tipične

uzemljivačke vodiče, njihov presjek ima neznatan utjecaj na parametre uzemljivača. Ključni

geometrijski faktor koji određuje otpornost rasprostiranja uzemljivača jeste površina

uzemljivača; što je površina veća, to je manja otpornost rasprostiranja, niži potencijal

uzemljivača i niži napon okca mreže.

Otpornost rasprostiranja uzemljivača i gradijenti potencijala izravno ovise o specifičnom

otporu tla. Stoga, treba pažljivo, primijenjujući odgovarajuću mjernu metodu, izmjeriti

specifični otpor tla. Za slučaj jednoslojnog modela tla izvedene su i mogu se primjeniti

pojednostavnjene relacije za izračunavanje parametara uzemljivača. Tlo se može nadomjestiti

jednoslojnim tlom ako su razlike između dva krajnja (najveći i najmanji) mjerna podataka o

specifičnom otporu tla manja od 30 %. U tom slučaju se može uzeti da je specifični otpor

jednoslojnog modela tla srednja vrijednost mjerenja. Kad je mjerenjem ustanovljen dvoslojni

model tla i ako je uzemljivački sistem u gornjem sloju, onda se uzimanjem jednoslojnog

modela tla specifičnog otpora prvog sloja dobiju za otpornost rasprostiranja, napone dodira i

napone koraka više vrijednosti nego što su stvarne, što je na strani sigurnosti. Tanki

površinski sloj nasutog tucanika smanjuje struju kroz tijelo budući da predstavlja dodatni

otpor u ekvivalentnom otporu tijela.

2.1.3. Postupak projektiranja

Postupak projektiranja sastoji se od slijedećih koraka:

1. Podaci o objektu: površina i specifični električni otpor tla

Preko lokacijskog plana dobiju se podaci o površini gdje se polaže uzemljivač. Treba

sprovesti mjerenje specifičnog otpora tla kako bi se odredio odgovarajući model tla

(jednoslojni ili dvoslojni).

2. Određivanje dimenzija vodiča uzemljivača

Dimenzije vodiča određuju se iz termičkog proračuna na temelju podataka o maksimalno

očekivanoj struji kvara koja će teći kroz pojedine vodiče uzemljivača i podataka o

vremenu isključenja.

3. Definiranje dozvoljenih vrijednosti napona dodira i napona koraka uzimajući u obzir

korekcije zbog otpora tijela i prijelaznog otpora na stajalištu (vidi dio 1.)

4. Preliminarno projektiranje uzemljivača

Uzemljivač se treba sastojati od okvira koji okružuje površinu cijelog kruga postrojenja i

odgovarajućih poprečnih vodiča smještenih tako da se omogući pogodan pristup za

uzemljenje opreme. Početno određivanje razmaka između vodiča i pozicije vertikalnih

sondi treba se temeljiti na struji kroz uzemljivač i površini uzemljivača.

5. Određivanje otpornosti rasprostiranja preliminarnog projektnog rješenja primjenom

odgovarajućih analitičkih relacija. Za konačno rješenje potrebno je primjeniti numerički

proračun na računalu, pogotovo ako je model tla dvoslojni i ako su upotrijebljene

vertikalne sonde.

6. Određivanje dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač

7

7. Proračun potencijala uzemljivača

Ako je potencijal uzemljivača (u odnosu na daleku zemlju) izračunat na temelju preli-

minarnog rješenja niži od dozvoljenog napona dodira, nisu potrebne dalje analize. Mogu

se još samo dodati uzemljivački vodiči potrebni za spajanje opreme na uzemljivač. Svi

naredni koraci se preskaču i ide se direktno na detaljno projektiranje dato u koraku (12).

8. Proračun potencijala okca i napona koraka može se sprovesti bilo približnim

analitičkim postupcima, bilo tačnijim numeričkim proračunima.

9. Ako je izračunati potencijal okca ispod dozvoljene vrijednosti napona dodira, može se ići

dalje prema konačnom rješenju, tj. na korak (10). Ako to nije slučaj, preliminarno rješenje

treba popraviti u koraku (11) i vratiti se u procesu projektiranja na korak (5).

10. Ako je napon koraka ispod dozvoljene vrijednosti može se ići dalje prema konačnom

rješenju, tj. na korak (12). Ako to nije slučaj, preliminarno rješenje treba popraviti u

koraku (11) i vratiti se u procesu projektiranja na korak (5).

11. Modificiranje rješenja

Na ovaj korak, koji vraća rješenje prema početku, dolazi se ukoliko su napon dodira ili

napon koraka iznad dozvoljenih vrijednosti. Modificiranje rješenja vrši se smanjenjem

razmaka između vodiča, dodavanjem vertikalnih sondi i sl.

12. Detaljno projektiranje

Nakon što su postignute dozvoljene vrijednosti za napon dodira i napon koraka, može

postojati još potreba za dodavanjem vodiča ili sondi: npr. vodiče treba dodati da se

omogući uzemljavanje opreme, a vertikalne sonde za uzemljenje odvodnika prenapona,

neutralne tačke transformatora i sl.

Postupak projektiranja prikazan je na blok dijagramu na slici 2.1.

8

Podaci o objektu Korak (1)

Korak (2)

Definiranje dozvoljenih

napona dodira i koraka Edd i Ekd

Korak (3)

Korak (4)

Proracun

otpornosti rasprostiranja Korak (5)

Preliminarno

projektovanje

Odredjivanje

dimenzija vodica

Odredjivanje struje kvara

kroz uzemljivac Korak (6)

Potencijal uzemljivaca < Edd

Korak (7)

Proracun napona

okca i napona koraka Korak (8)

Napon okca < Edd Korak (9)

Korak (11)Modificiranje

rješenja

Korak (10)

Napon koraka < Ekd

DA

NE

NE

DA

Korak (12)Detaljno

projektovanjeSlika 3.1.

9

2.1.4. Proračun maksimalnih vrijednosti napona koraka i potencijala okaca

Za proračun parametara uzemljivača mogu se koristiti numerički postupci i računarski

programi koji daju vrlo tačne rezultate. Međutim, u mnogim slučajevima mogu se primjeniti

jednostavni analitički postupci, koji ne zahtijevaju računarsku analizu. Osim toga, ovakvi

postupci mogu poslužiti za preliminarno projektiranje uzemljivača.

Potencijal okca mreže u odnosu na daleku zemlju i napon koraka mogu se odrediti primjenom

slijedećih relacija:

L

IKKE G

imm (2.1.)

L

IKKE G

ikk , (2.2.)

gdje su: Em – potencijal okca mreže,

Ek – napon koraka,

ρ – specifični otpor jednoslojnog modela tla,

Km i Kk – geometrijski faktori,

Ki – korekcijski faktor,

IG – ukupna struja kroz uzemljivač,

L – ukupna duljina uzemljivačkih vodiča.

Veličina IG /L zapravo predstavlja srednju gustoću struje po jedinici duljine uzemljivačkih

vodiča.

Potencijal okca mreže

Faktor Km koji obuhvata nejednolikost strujne gustoće po vanjskim i unutarnjim dijelovima

uzemljivačke mreže računa se iz:

12

8ln

48

2

16ln

2

122

nK

K

d

h

Dd

hD

hd

DK

h

iim

, (2.3.)

gdje su: Kii = 1, za mreže sa vertikalnim sondama postavljenim duž vanjskog ruba

mreže, ili za mreže sa vertikalnim sondama na uglovima, kao i za mreže

sa vertikalnim sondama postavljenim duž vanjskog ruba i bilo gdje

unutar mreže,

n

ii

nK

2

2

1 za mreže bez vertikalnih sondi ili za mreže s nekoliko

vertikalnih sondi od kojih nijedna nije smještena u uglovima ili na vanjskom obodu,

0

1h

hKh

h – dubina ukopavanja uzemljivačkih vodiča (m),

h0 – referentna dubina ukopavanja (iznosa 1 m),

D – razmak između paralelnih vodiča mreže (m),

n – broj paralelnih vodiča u jednom smjeru,

d – promjer uzemljivačkih vodiča (m).

Korekcijski faktor Ki uzima u obzir geometriju mreže i računa se kao:

10

nKi 172,0656,0 (2.4.)

Ako se sa Lc označi ukupna duljina uzemljivačkih vodiča mreže a sa Lr ukupna duljina

vertikalnih sondi, tada se za uzemljivačke mreže s vertikalnim sondama koristi slijedeći izraz

za potencijal okca mreže:

rc

Gimm

LL

IKKE

15,1

(2.5.)

Za mreže bez vertikalnih sondi odnosno sa samo nekoliko sondi lociranih unutar mreže, ali

daleko od njenog vanjskog ruba, potencijal okca mreže računa se prema formuli:

rc

Gimm

LL

IKKE

(2.6.)

Napon koraka

U relaciju za izračunavanje napona koraka:

L

IKKE G

ikk

uvrštava se:

L = Lc + Lr za mreže bez vertikalnih sondi odnosno sa samo par sondi u središtu

daleko od vanjskog ruba mreže,

L = Lc + 1,15Lr za mreže s vertikalnim sondama pretežno raspoređenim duž vanjskog

ruba mreže.

U pojednostavljenom razmatranju može se uzeti da se maksimalni napon koraka očekuje

izvan vanjskog ruba mreže na udaljenosti koja je jednaka dubini ukopavanja mreže. Za

uobičajene dubine ukopavanja 0,25 m < h < 2,5 m faktor Kk je:

25,01

11

2

11 nk

DhDhK

, (2.7.)

a za dubine manje od 0,25 m:

W

DhDhKk

11

2

11

, (2.8.)

gdje je W:

1

1

4

1

3

1

2

1

nW

ili za n ≥ 6:

423,01ln12

1

n

nW

2.1.5. Određivanje minimalne duljine uzemljivačkih vodiča

Za preliminarno određivanje duljine uzemljivačkih vodiča koje su potrebne da se maksimalni

napon dodira unutar kruga postrojenja održi unutar dozvoljenih vrijednosti, mogu se koristiti

slijedeće relacije:

- za Em < Ed50:

11

sss

sGim

KhC

tIKKL

),(174,0116 (2.9.)

- za Em < Ed70:

sss

sGim

KhC

tIKKL

),(235,0157 (2.10.)

U gornjim relacijama su:

ts – vrijeme trajanje strujnog udara (s),

ρs – specifični otpor visokootpornog površinskog nasutog sloja (Ωm),

Ed50 – dozvoljeni napon dodira za tijelo težine 50 kg (V),

Ed75 – dozvoljeni napon dodira za tijelo težine 75 kg (V).

Faktor snižavanja napona dodira i koraka Cs , zbog prisustva površinskog nasutog sloja,

računa se prema formuli:

12

21

2196,0

1

ns

n

s

b

nh

KC , (2.11.)

gdje su: hs – debljina površinskog sloja (m),

b – ekvivalentni polumjer stopala (obično se uzima 0,08 m).

Faktor K iz (3.11) je:

s

sK

(2.12.)

Kad su specifični otpor tla i ukupna struja uzemljivača veoma mali, duljina uzemljivačkih

vodiča, koja je dobijena opisanim načinom može biti premala za ispravno spajanje sve

opreme koja treba biti uzemljena. U tom slučaju broj uzemljivačkih vodiča treba povećati, bez

obzira što to ne zahtijevaju razlozi sigurnosti.

Ako se primjenom prethodno opisanog postupka dobije prevelika duljina uzemljivačkih

vodiča koja nije ekonomski opravdana, potrebno je sprovesti poboljšanje projektnog rješenja.

2.1.6. Poboljšanje preliminarnog projektnog rješenja

Ako proračuni primjenjeni u preliminarnom projektiranju indiciraju mogućnost da se pojave

opasne potencijalne razlike u postrojenju, moguće je primjeniti neka od slijedećih

poboljšanja:

Smanjenje ukupne otpornosti uzemljivača rezultiraće smanjivanjem potencijala

uzemljivača, te time i iznos iznešenog potencijala. Najefikasniji način da se smanji

otpornost uzemljivača je povećanje površine uzemljivača. Ako je raspoloživi prostor

ograničen, mogu se upotrijebiti duboke vertikalne sonde. Smanjenje otpornosti

rasprostiranja može ali ne mora primjetno smanjiti lokalne gradijente potencijala;

Poboljšanja u gradijentima potencijala. Primjenom manjeg razmaka između vodiča

uzemljivačke mreže, smanjuju se potencijalne razlike unutar postrojenja. Mnogo teže

12

može biti riješavanje velikih gradijenata potencijala na rubu uzemljivača, pogotovo za

male uzemljivače u tlu visokog specifičnog otpora. Međutim, obično je moguće,

ukopavanjem uzemljivačkih vodiča koji pripadaju vanjskom rubu uzemljivača izvan

linije ograde postrojenja, postići to da strmi gradijenti potencijala neposredno uz

vanjski rub uzemljivačke mreže ne doprinose povećanom naponu dodira. Druga

efikasna i ekonomična metoda za ublažavanje gradijenata potencijala na vanjskim

rubovima uzemljivača je da se na njima poveća gustoća vertikalnih sondi. Slijedeća

mogućnost je ukopavanje više paralelnih vodiča oko vanjskog ruba postrojenja pri

čemu se dubine ukopavanja s udaljenošću od postrojenja povećavaju;

Usmjeravanje većeg procenta struje kvara na druge putove, npr. povezivanjem

gromobranskih užadi prijenosnih linija ili smanjenjem otpornosti rasprostiranja

uzemljivača stupova u neposrednoj blizini postrojenja. U vezi s poslijednjim, treba biti

oprezan, jer se mogu pogoršati gradijenti potencijala u blizini stupova;

Ograničavanje struje kvara koja odlazi kroz uzemljivač na nižu vrijednost. Time se

proporcionalno snižava potencijal uzemljivača kao i iznosi svih potencijalnih razlika;

Sprječavanje pristupa ograničenim područjima na kojima je nepraktično eliminirati

mogućnost pojave previsokih potencijalnih razlika za vrijeme kvara.

2.1.7. Ograničenja pojednostavljenih relacija za potencijal okca i napon

koraka

Za pojednostavljivanje u izvođenju analitičkih relacija za potencijal okca i napon koraka

načinjeno je nekoliko pretpostavki. Ove pretpostavke mogu utjecati na netačnost rezultata u

nekim slučajevima. Uključivanje korekcijskih faktora praktički je eliminiralo netačnost

(unutar određenih opsega promjene različitih parametara) za većinu uzemljivača koji se

susreću u praksi. Kod primjene ovih relacija na kvadratne ili pravougaone mreže koje imaju

isti broj vodiča u oba smjera preporučuje se uvažavanje slijedećih ograničenja:

n ≤ 25 0,25 m ≤ h ≤ 2,5 m

d < 0,25 h D > 2,5 m

Osim toga, za pravilne pravougaone mreže s jednolikim razmakom između vodiča, kod

određivanja potencijala okca u relacijama (3.3.) i (3.4.) iznos n treba uzeti kao geometrijsku

sredinu broja vodiča u pojedinim smjerovima nA i nB:

BAnnn za proračun Em (2.13.)

Kod određivanja napona koraka u relacijama (2.4.), (2.7.) i (2.8.) za iznos n treba uzeti višu

vrijednost između broja vodiča u pojedinim smjerovima nA i nB:

BA nnn ,max za proračun Ek (2.14)

2.1.8. Primjer proračuna

Za ilustraciju primjene opisanih postupaka prikazan je primjer proračuna koji je preuzet iz

"An American National Standard Std 80-1986". Proračun je prilagođen važećim standardima

za SAD, ali je ilustrativan za opis postupka projektiranja uzemljivača.

Proračun uzemljivača načinjen je za primjer sa slijedećim ulaznim podacima:

Trajanje kvara: tf = 0,5 s

13

Impedancija struje kvara: Z1 = 4,0 + j 10,0 Ω

Impedansa struje kvara: Z0 = 10,0 + j 40,0 Ω

Faktor raspodjele struje: Sf = 0,6

Linijski napon: Ul = 115000 V

Specifični otpor tla: ρ = 400 Ωm

Specifični otpor nasutog tucanika (vlažan): ρs = 2500 Ωm

Debljina nasutog tucanika: hs = 0,1 m

Dubina ukopavanja: h = 0,5 m

Raspoloživa površina: A = 63 x 84 m

Impedanse struje kvara i faktor raspodjele struje određeni su za najnepovoljniji slučaj

uključujući predvidiva proširenja elektroenergetskog sistema u narednih 25 godina. Zbog toga

nije potrebno uključivati dodatni faktor sigurnosti Cp koji se odnosi na širenje sistema.

Nadalje, pretpostavljeno je da se sistem neće štititi prekidačima s ponovnim uklapanjem, tako

da su vremena trajanja kvara tf i strujnog udara ts jednaka.

Na temelju postupka opisanog u 2.1.3. i datog na dijagramu na slici 2.1. sprovode se

proračuni.

Varijanta 1 - Kvadratna mreža bez vertikalnih sondi

Korak 1: Podaci o objektu

Premda je raspoloživa površina za uzemljivač 63 x 84 m (5292 m2) za početno projektno

rješenje može se za početak pretpostaviti da će uzemljivačka mreža dimenzija 70 x 70 m bez

vertikalnih sondi biti zadovoljavajuća. Dakle, površina uzemljivača je A = 4900 m2.

Izmjerena srednja vrijednost specifičnog otpora tla ρ = 400 Ωm uzima se za specifični otpor

homogenog modela tla.

Korak 2: Dimenzije vodiča uzemljivača

Zanemarujući otpornost rasprostiranja uzemljivača, struja kvara If ≈ 3I0 je:

01

02

33

ZZ

UI

f

(2.15.)

AI

jjI 18033;

0,400,100,100,42

3

1150003

3 00

Struja kroz uzemljivač određuje se prema relaciji:

gfpG IDCI (2.16.)

gdje su: Cp - korekcijski faktor predviđanja povećanja struje kvara u toku životnog vijeka

postrojenja; ako nema povećanja Cp =1,

Df – faktor opadanja struje,

Ig – simetrična efektivna vrijednost struje kroz uzemljivač.

Faktor raspodjele struje Sf definira se kao omjer dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač

i ukupne simetrične struje kvara:

03I

IS

g

f (2.17.)

Kod određivanja dimenzija vodiča, faktor raspodjele struje se ne uzima u obzir.

14

Asimetrična struja kvara uključuje subtranzijentne, tranzijentne i stacionarne izmjenične

komponente, te također istosmjernu komponentu koja vremenom eksponencijalno opada. To

se uzima u obzir preko faktora opadanja struje Df koji je dat u ovisnosti o trajanju kvara u

Tabeli 2.2.

Tabela 2.2. Tipične vrijednosti za Df

Trajanje kvara tf (s) Perioda (60 Hz) Faktor opadanja Df

0,008 ½ 1,65

0,1 6 1,25

0,25 15 1,1

0,5 ili više 30 ili više 1,0

Slika 2.2. Nomogram za određivanje presjeka uzemljivačkog vodiča

Kako je trajanje kvara 0,5 s faktor smanjenja struje prema Tabeli 2.2. je Df =1 i asimetrična

struja kvara je, također, 3180 A. Ova struja određuje minimalni promjer uzemljivačkih

vodiča.

Neka se pretpostavi da će za uzemljivačke vodiče biti upotrijebljeno bakreno uže. Prema

nomogramu na slici 2.2. određuje se minimalni jedinični presjek: za vrijeme isključenja od

0,5 s, za tvrdo vučeni bakar jedinični je presjek oko 2,55 mm2/kA što za struju od 3,18 kA

daje presjek od 8,1 mm2. Odgovarajući promjer je 3,2 mm. Obzirom na mehanička naprezanja

i robusnost treba uzeti vodič većeg promjera, npr. d = 10 mm, presjeka 78,5 mm2

Korak 3. Definiranje dozvoljenih vrijednosti napona dodira i napona koraka

15

Faktor K prema (2.12.) je:

72,02500400

2500400

s

sK

Faktor snižavanja napona dodira i napona koraka Cs može se računati prema (2.11) ili uzeti iz

dijagrama datog na slici 2.3. Iz dijagrama slijedi da je Cs=0,63.

Slika 2.3. Faktor snižavanja napona dodira i napona koraka Cs

Napon koraka i napon dodira, ovisno o težini ljudskog tijela (50 kg ili 75 kg), korigirani zbog

prisustva nasutog površinskog sloja, određuju se prema slijedećim relacijama:

s

ssk

t

CE

61000116,050

(2.18.)

s

ssk

t

CE

61000157,075

(2.18.a)

s

ssd

t

CE

5,11000116,050

(2.19.)

s

ssd

t

CE

5,11000157,075

, (2.19.a)

gdje je ts vrijeme strujnog udara (u ovom primjeru jednako vremenu trajanja kvara tf).

Pretpostavljajući da će se unutar kruga postrojenja nalaziti osobe teže od 75 kg, dozvoljeni

naponi dodira i naponi koraka prema (2.18.a) i (2.19.a) su:

VEk 23205,0

250063,061000157,075

VEd 7465,0

250063,05,11000157,075

Korak 4: Preliminarno projektiranje uzemljivača

Neka se pretpostavi preliminarni oblik uzemljivačke mreže dimenzija 70 x 70 m jednolike

gustoće, s 10 x 10 okaca, s 11 x 11 vodiča, bez vertikalnih sondi prema slici 2.4.

16

Razmak između vodiča je D = 7 m i dubina ukopavanja h = 0,5 m. Ukupna duljina

uzemljivačkih vodiča je L = 2 x 11 x 7 = 1540 m.

Slika 2.4. Kvadratna mreža bez vertikalnih sondi

Korak 5. Određivanje otpornosti rasprostiranja preliminarnog projektnog rješenja

Otpornost rasprostiranja određuje se iz dijagrama na slici 2.5. Na slici 2.5. na apscisi je dat

broj okaca mreže, a na ordinati je iznos otpornosti rasprostiranja podijeljen sa specifičnim

otporom tla i pomnožen s 1000. Za mrežu 70 x 70 m s 10 okaca po jednoj strani prema slici

2.5. dobije se da je otpornost rasprostiranja:

7,268,20001

67,0400gR

Za proračun prelazne otpornosti uzemljivača ukopanog u jednoslojnom tlu, može se koristiti i

slijedeća relacija:

Ah

ALRg

201

11

20

11 (2.20.)

Primjenom ove relacije dobije se za prelaznu otpornost rasprostiranja 2,78 Ω.

17

Slika 2.5. Prelazna otpornost rasprostiranja za kvadratne mreže; dubina ukopavanja 0,5 m sa

uzemljivačima od vodiča promjera 1 cm

Korak 6: Određivanje dijela struje kvara koja teče kroz uzemljivač

Maksimalna struja kvara koja teče kroz uzemljivač prema (2.16.) i (2.17.) je:

AISDCIDCI ffpgfpG 190831806,0113 0

Korak 7: Proračun potencijala uzemljivača

Potencijal uzemljivača je:

VRI gGuz 51527,21908

Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira od 746 V

izračunatu u koraku 3. Stoga su potrebna dalja izračunavanja.

Korak 8: Proračun potencijala okca

Potencijal okca određuje se iz dijagrama na slici 2.6. Na slici 2.6. na apscisi je dat broj okaca

mreže, a na ordinati je iznos potencijala okaca na uglovima izraženi u procentima vrijednosti

potencijala uzemljivača.

18

Slika 2.6. Potencijal okca na uglu za kvadratne mreže; dubina ukopavanja 0,5 m;

uzemljivački vodiči promjera 1 cm

Sa slike se očita da je potencijal okca na uglu oko 20 % potencijala uzemljivača, tj. oko 1030

V. Proračun za vrijednost potencijala prema relaciji (2.6.) daje iznos od 1125 V, pri čemu su

Ki = 2,55, Kii = 0,57 i Km = 0,89.

Korak 9: Modificiranje rješenja

Kako potencijal okca na uglu premašuje dozvoljeni napon dodira od 746 V, treba pristupiti

modificiranju rješenja.

Varijanta 2 - Kvadratna mreža s vertikalnim sondama

Snižavanje napona dodira na iznos ispod dozvoljene vrijednosti, moguće je postići na dva

načina:

- snižavanjem potencijala uzemljivača,

- modificiranjem oblika uzemljivača tako da se snizi maksimalni napon dodira.

U obadva postupka željeni ciljevi mogu se postići slijedećim promjenama:

- razmaka među vodičima,

- ukupne duljine uzemljivačkih vodiča,

- dubine ukopavanja,

- dodavanjem vertikalnih sondi, itd.

U ovom primjeru, početno projektno rješenje prvo će se modificirati dodavanjem ukupno 20

vertikalnih sondi po obodu uzemljivačke mreže, svaka duljine 7,5 m, prema slici 2.7. Sonde

su označene zacrnjenim tačkama.

19

Slika 2.7. Kvadratna mreža s 20 vertikalnih sondi duljine 7,5 m

Korak 5’. Određivanje otpornosti rasprostiranja (predhodni koraci iz predhodnog

primjera su isti).

Primjenom jednadžbe (3.20.) uz A = 4900 m2 i L = 1540 + 20 x 7,5 = 1690 m, dobije se

otpornost rasprostiranja:

75,2

4900

205,01

11

490020

1

1690

1400gR

koja se neznatno razlikuje u odnosu na proračunsku vrijednost u varijanti (1).

Korak 7’: Proračun novog potencijala uzemljivača

Sada je potencijal uzemljivača : VVRI gGuz 746524775,21908

Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira od 746 V.

Stoga su potrebna dalja izračunavanja.

Korak 8’: Proračun potencijala okca

Potencijal okca se računa prema (2.5.). Faktor Km se računa prema (2.3.), pri čemu je faktor

Kii =1 za mreže sa sondama postavljenim po vanjskom obodu mreže:

77,0

1112

8ln

5,01

1

01,04

5,0

01,078

5,027

01,05,016

7ln

2

122

mK

Faktor Ki se računa prema (2.4):

55,211172,0656,0 iK

Potencijal okca, prema (2.5), je:

VEm 87515015,11540

190855,277,0400

20

Korak 9’: Modificiranje rješenja

Iako je proračunati potencijal okca na uglu niži nego u varijanti (1), još uvijek je viši od

dozvoljenog napona dodira od 746 V. Primjena većeg broja duljih vertikalnih sondi možda

dovede do odgovarajućeg rješenja. Približan iznos potrebnog povećanja duljine uzemljivačkih

vodiča može se odrediti iz omjera 874 prema 746:

mmL 30029016901746

874

Željeni efekt dobije se ako se poveća duljina vertikalnih sondi sa 7,5 m na 15 m, te umjesto 20

postavi 36 vertikalnih sondi, uglavnom na obodu mreže. Tada bi bio potencijal okca:

VVEm 74669354015,11540

190855,277,0400

Varijanta 3 - Pravougaona mreža s vertikalnim sondama

U ovoj varijanti promjeniće se i oblik uzemljivačke mreže. Kako je raspoloživa površina

samo 8 % veća od površine uzemljivača iz prethodne dvije varijante, većina zaključaka iz

prethodnih varijanti može se primjeniti na novu uzemljivačku mrežu koja pokriva cijelu

raspoloživu površinu 63 x 84 m.

Slika 2.8. Pravougaona mreža s 38 vertikalnih sondi duljine 10 m

Neka se odabere ponovno razmak između uzemljivačkih vodiča D = 7 m za pravougaonu

mrežu 63 x 84 m, tako da je broj vodiča 10 x 13, odnosno broj okaca mreže 9 x 12. Ukupna

duljina vodiča mreže je 13 x 63 + 10 x 84 = 1659 m. Neka se pretpostavi da će se postaviti 38

vertikalnih sondi duljine po 10 m, tako da je ukupna duljina uzemljivačkih vodiča L = 1659 +

380 = 2039 m. Uzemljivač je prikazan na slici 2.8.

Korak 5’’. Određivanje prelazne otpornosti rasprostiranja

Primjenom jednadžbe (2.20.) uz A = 5292 m2 i L = 2039 m, dobije se otpornost rasprostiranja:

62,2

5292

205,01

11

529220

1

2039

1400gR

21

Koja je manja nego proračunska vrijednost u varijanti (2).

Korak 7’’: Proračun novog potencijala uzemljivača

Potencijal uzemljivača je:

VVRI gGuz 746499962,21908

Potencijal uzemljivača daleko premašuje dozvoljenu vrijednost napona dodira. Stoga su

potrebna dalja izračunavanja.

Korak 8’’: Proračun potencijala okca

Potencijal okca se računa prema (2.5.). Prvo treba odrediti nadomjesni broj paralelnih vodiča

mreže prema (2.13.):

114,111013 n

Nadomjesni broj paralelnih vodiča približno je jednak broju paralelnih vodiča iz prethodne

varijante. Kako su veličine D, d i h ostale nepromijenjene, iste su vrijednosti za faktor Km =

0,77 i faktor Ki =2,55 kao u varijanti (2).

Potencijal okca prema (2.5.) je:

VEm 71538015,11659

190855,277,0400

Korak 9’’: Proračun napona dodira

Potencijal okca niži je od dozvoljenog napona dodira, pa i napon dodira zadovoljava.

Korak 10’’: Proračun napona koraka

Napon koraka se prvi put računa. Napon koraka se računa preko (2.2). Prvo treba odrediti

nadomjesni broj paralelnih vodiča mreže prema (2.14.):

1313,10max n

Faktor Ki se računa preko jednačine (2.4):

89,213172,0656,0 iK

Faktor Kk se računa preko jednačine (2.7):

41,05,017

1

5,07

1

5,02

11 213

kK

Napon koraka prema (2.2) je:

VEk 4432039

190889,241,0400

Napon koraka je znatno ispod dozvoljene vrijednosti od 2320 V.

Korak 12: Detaljno projektiranje

Postignuto je projektno rješenje koje zadovoljava zahtjeve sigurnosti. Sad se riješenje može

doraditi dodavanjem vodiča za uzemljenje opreme i vertikalnih sondi za uzemljenje

odvodnika prenapona, neutralne tačke transformatora i sl.

Primjena računarske analize

Primjena računarske analize neophodna je u slijedećim slučajevima:

22

- jedan ili više geometrijskih parametara je izvan navedenih limita; model tla je dvoslojni;

nesimetričnost mreže onemogućava predviđanje mjesta najvišeg napona dodira, itd.

23

3. TERENSKA MJERENJA INSTALIRANIH UZEMLJIVAČA

Sistem uzemljenja u elektroenergetici (VN i SN prenosnim sistemima i postrojenjima,

distributivnim objektima i NN instalaciji) obezbjeđuje zaštitu od atmosferskih pražnjenja,

zaštitu od struje kvara kao i normalan rad relejne zaštite. Kako bi ova funkcija bila

zadovoljena i sigurna u svakom trenutku neophodno je stalno kontrolirati stanje sistema

uzemljenja. Kontrola stanja se najefikasnije sprovodi obavljanjem adekvatnih mjerenja.

Mjerodavan parametar, koji se provjerava mjerenjem, je prelazni otpor uzemljivača. Ovaj

prelazni otpor (otpor rasprostiranja) treba da bude dovoljno mali kako bi bezprijekorno

funkcionirala zaštita automatskim isključenjem. Otpor uzemljivača je količnik napona na

uzemljivaču i struje, koja odlazi u zemlju sa uzemljivača.

3.1. METODE MJERENJA PRELAZNOG OTPORA

UZEMLJIVAČA

Mjerenje otpornosti uzemljivača, neovisno od naponskog nivoa postrojenja, realizira se

jednom od slijedećih metoda:

U – I metoda (sa svojim specifičnostima)

mosne metode

kompenzacione metode.

Ukoliko se radi o manjim uzemljivačima mjerenje se svodi na jednostavnu U–I metodu.

Međutim, ukoliko se radi o visokonaponskim uzemljivačima velikih dimenzija, U–I metoda

se u izvjesnom smislu modificira.

Sva mjerenja se obavljaju sa izmjeničnom strujom. Treba voditi računa o mogućoj

eventualnoj smetnji iz postrojenja nazivnih industrijskih frekvencija. Kod mjernih uređaja,

koji imaju sopstveni izvor napajanja (MEGGER), mjerni napon mora imati frekvenciju koja

se razlikuje za najmanje 5 (Hz) od cjelobrojnika nazivne frekvencije ispitivanog objekta i

mora se nalaziti u području od 70 (Hz) od 140 (Hz).

3.2. TAČKASTI UZEMLJIVAČ U HOMOGENOJ ZEMLJI

Može se govoriti o idealnom slučaju kada je zemlja homogena, a uzemljivač se može smatrati

tačkastim izvorom. Uzemljivač se može smatrati tačkastim izvorom u slučaju kada mu se

dimenzije mogu zanemariti u odnosu na udaljenost pomoćnih elektroda kroz koje se zatvara

struja izvora. Metoda mjerenja svodi se na klasičnu U – I metodu. Na slici 3.4a. prikazan je

slučaj kada su i uzemljivač i pomoćne elektrode u istoj liniji, a na slici 3.4b. slučaj, koji je u

urbanim sredinama mnogo češći, kada uzemljivač i pomoćne elektrode nisu u jednoj liniji.

24

Behrendova metoda mjerenja

Za praktičnu upotrebu, kod mjerenja otpora rasprostiranja manjih uzemljivača, koristi se

shema kompenzacionog mosta na slici 3.1.

Slika 3.1. Način spajanja mjernog uređaja za mjerenje prelaznog otpora uzemljivača po

Wennerovoj metodi

Sa mjernim instrumentom, datim na slici 3.1., može se mjeriti i specifični električni otpor

zemlje. Ako se mjeri specifični električni otpor zemlje uključene su sve četiri elektrode, ali

ako se želi mjeriti otpor uzemljenja koriste se dvije elektrode prema slici 3.2.

Sa slike 3.1. vidi se da mjerna struja I, iz izvora izmjenične struje, ide kroz primar transfor-

matora i dvije elektrode: A i B. Pri tome, u zatvorenom kolu sekundara transformatora postoji

struja I1 koja je u nekom određenom odnosu sa strujom primara I. Znači, struja I1 je propor-

cionalna struji I. Kod istog broja namotaja primara i sekundara, kroz otpor R teče ista struja

kao i kroz primar. Podešavanjem klizača postiže se da kroz nul–indikator ne prolazi struja.

Ako se mjeri otpor uzemljenja kleme, E1 i E2 su kratko spojene. U slučaju ravnoteže, pad

napona U1 na dijelu klizne žice R, jednak je padu napona U2 između uzemljivača i sonde

pomoćnog uzemljenja, pa je:

111

11 RkRI

IRRIRI AA (3.1.)

Ovaj instrument posjeduje vlastiti strujni izvor čija se frekvencija razlikuje od industrijske

frekvencije.

Kod mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača poslije direktnog prespajanja stezaljki E1 i E2,

koristi se sistem sa tri elektrode pri čemu se mjerna struja zatvara preko uzemljivača RA i

pomoćnog uzemljenja B, a mjeri se napon između uzemljivača i mjerne sonde.

I1

B

E2

C

HE

a

E1 U

R1

S

N

R

I

DA

aa

25

Slika 3.2.

Na dijagramu (slika 3.2.), kriva a predstavlja raspodjelu potencijala u slučaju kada su

vrijednosti otpora rasprostiranja uzemljivača i pomoćnog uzemljivača približno iste. U tom

slučaju, mjernu elektrodu treba postaviti na polovinu rastojanja. Obično je češći drugi slučaj

(kriva b), kada je otpor rasprostiranja pomoćnog uzemljivača veći od otpora rasprostiranja

uzemljivača, koji se mjeri. Tada mjernu elektrodu treba postavljati bliže uzemljivaču, koji se

mjeri.

Ako se mjerna sonda postavi u zonu nultog potencijala, instrument će izmjeriti otpor

rasprostiranja eksperimentalnog objekta:

I

UR A (3.2.)

Ako se mjerna sonda ne postavi tačno u zonu nultog potencijala nego u neku tačku u kojoj

postoji potencijalna razlika u odnosu na beskonačno udaljenu zemlju UX, tada će instrument

izmjeriti otpor:

I

UUR XA (3.3.)

Iz relacija (3.2.) i (3.3.) dobije se:

R

R

U

U

R

R

U

UU X

A

XX

A

XA

1 (3.4.)

Na taj način dobije se relativna potencijalna razlika koraka između tačaka x1 i x2:

I

E1 E2

X/L

HES

RA

40 m

b

0,5 1,00

U

a

20 m

26

R

RR

U

U

U

U XX

A

X

A

X 1221 (3.5.)

Kod korištenja ove metode mjerenja prelazni otpori pomoćnih elektroda ne unose greške kod

mjerenja. Kod velikih prelaznih otpora, u najgorem slučaju, može se desiti da je osjetljivost

galvanometra nedovoljna za indikaciju nule.

Dubina zemlje, na kojoj se zatvara izmjenična mjerna struja, ovisi od frekvencije.

3.2.1. Položaj naponske elektrode

Da bi se analizirao optimalan položaj naponske elektrode treba analizirati sliku 3.3.

Slika 3.3. Mjerenje otpora uzemljivača

Odabere se tačka M, koja je nejednako udaljena od uzemljivača RA (udaljenost x) i strujne

elektrode T1 (udaljenost x’).

Potencijal tačke M od ove dvije elektrode jednak je:

Exx

I

x

I

x

IU

,,

11

222

(3.6.)

U ovom slučaju nema brojne razlike između potencijala i napona.

Iz jednačine (3.6.) vidi se da je potencijal tačke M jednak nula, ako su rastojanja x i x’

jednaka i ako se radi o homogenoj zemlji između elektroda.

Analogno jednačini (3.6.), potencijal na površini uzemljivačke elektrode (x = r i x’ = D) je:

Dr

IU

11

2

(3.7.)

Odavde se može pisati da je sopstveni prelazni otpor uzemljivača jednak:

D

r

rR 1

2

'

(3.8.)

D

M

x,

T1

A

r

T2

V

x

RA

27

Ova jednačina razlikuje se od jednačine (3.2.) za član (r/D), koji se često zanemaruje (sa

određenim procentom greške), pa se dobije:

rR

2

' (3.9.)

Odnos člana (r/D) je izuzetno važan, kada se uzimaju u obzir dimenzije uzemljivača. Ako se

radi o tačkastim uzemljivačima ovaj član se zanemaruje. Ali ako se radi o uzemljivačima VN

postrojenja, npr. dimenzija 200 x 200 (m) (ekvivalentni poluprečnik r = 75 (m)), da bi se npr.

napravila greška u mjerenju od 25 (%) strujnu elektrodu treba udaljiti najmanje 300 (m).

Ukoliko se radi o tačkastom uzemljivaču, teorijski, naponsku elektrodu treba postaviti na

polovinu rastojanja uzemljivač – strujna elektroda.

Međutim, obzirom da je tlo uglavnom nehomogeno, dimenzije uzemljivača i pomoćnih

elektroda nisu iste. Interval, gdje je potencijal zemlje nula, nije tačka i obično predstavlja

polovinu ukupnog rastojanja uzemljivač (koji se mjeri) – pomoćna (strujna) elektroda. Ostala

polovina ovog rastojanja otpada na potencijalne lijevke obje elektrode. Tako, po nekim

autorima (V. Celebrovski), najmanja greška se pravi kod mjerenja otpora rasprostiranja

uzemljivača, ako su zadovoljeni odnosi rastojanja elektroda:

xzy

111 , (3.10.)

gdje su vrijednosti x, y, z rastojanja sa slike 3.4a. i slike 3.4.b. tj. :

x – rastojanje između uzemljivača i naponske elektrode,

y – rastojanje između naponske i strujne elektrode,

z – rastojanje između uzemljivača i strujne elektrode.

Jednačinu (3.10.) prikladnije je pisati u obliku:

zx

zxy

(3.11)

Ovaj odnos važi za sheme na slici 3.4a. i 3.4b.

Ako se posmatra slučaj na slici 3.4b. (koji je dosta čest i primjenljiv u urbanim sredinama,

gdje je raspoloživi prostor ograničen) i ako su rastojanja x i z jednaka (x = z), odnosno ugao

između pravaca RA – T2 i RA – T1 jednak 30 o , može se pisati:

22

zxy (3.12)

Normalno je da elektrode, naponska i strujna, mogu međusobno zamijeniti uloge.

Može se doći i do relacije da je xzy , koja, ako se uvrsti u jednačinu (6.10.) daje:

0,111 22

zzxxodnosno

xzxz (3.13.)

Rješavajući jednačinu (3.13.) dobije se:

zzzzzz

x

618,025,15,0

22

22

2

(3.14)

Iz ove jednačine se vidi da mjesto postavljanja naponske elektrode nije tačno na polovini

rastojanja uzemljivač – strujna elektroda nego je naponska elektroda udaljena više od

polovine navedenog rastojanja.

28

U realnim uvjetima, dimenzije uzemljivača i karakteristike zemlje između uzemljivača i

pomoćnih elektroda nisu jednoznačno određene, pa se u tom slučaju mora pažljivo odabrati

svaka lokacija elektrode.

Slika 3.4a.

Slika 3.4 b

Pri ovom mjerenju pomoćna elektroda T1 mora biti toliko udaljena od uzemljivača RA , čija se

prelazna otpornost mjeri, da im se potencijalni lijevci ne preklapaju, a mjerna elektroda T2

mora se nalaziti između oba potencijalna lijevka u području nultog potencijala.

Na slici 3.4a. i slici 3.4b. korišten je sopstveni izvor napajanja i dvije elektrode (naponska –

potencijalna i strujna).

z

V2

GR

T2

y

II

A

I

T1RA

x

31

G

x

T1

V

AR

I

y

Z

T2

RA

I

29

Na slici 3.5. mjeri se prelazni otpor uzemljivača sa izvorom napajanja iz mreže niskog napona

(TT i TN sistemi) sa jednom mjernom elektrodom T2, a druga elektroda je uzemljeno

zvjezdište izvora napajanja.

Slika 3.5. U–I metoda sa mrežnim naponom kao izvorom napajanja

U ovom slučaju mora biti ispunjen zahtjev da je razmak x (između pomoćne elektrode T2 i

uzemljivača RA) takav da se potencijalni lijevci uzemljivača zvjezdišta mreže RA i RB ne

preklapaju.

Struja prolazi preko promjenljivog predotpora i kroz uzemljivač koji se mjeri. Vrijednost

struje mjeri se ampermetrom A. Istovremeno se mjeri pad napona na uzemljivaču, pomoću

visokoomskog voltmetra u odnosu na sondu koja se postavlja u referentnu zemlju. Tada je, po

Omovom zakonu, otpor uzemljivača:

I

URA (3.15.)

Kod ovog mjerenja nije potrebno poznavati vrijednost predotpora. U praksi se koriste obično

vrijednosti između 20 i 1000 ().

Često se zaboravlja da pad napona postoji ne samo na uzemljivaču koji se mjeri. Struja, koja

ide kroz zemlju do zvjezdišta TS, pravi također, pad napona na uzemljenju zvjezdišta RB , koji

dalje podiže potencijal nultog voda. Na primjer, sa ispitnom strujom od 10 (A) i pogonskim

uzemljenjem od 20 () dobije se napon nultog voda od 200 (V).

L2

L1

L3

N

V

RB

visokoomskiotpor

x

A

u praksi cca 50 - 100 m

T2RA

30

Slika 3.6.

Na slici 3.6.se ne uzima u obzir dio struje koji prolazi kroz voltmetar jer je relativno mali.

Kod mjerenja, na ovaj način, može se dogoditi da voltmetar pokaže napon i bez ispitne struje.

Taj napon je proizvod lutajućih struja.

Da bi se utjecaj otpora uzemljenja sonde uspješno eliminirao treba koristiti visokoomski

voltmetar. Vrijednost prelaznog otpora npr. jedne mjerne sonde, pobijene u zemlju do dubine

naprimjer 0,5 (m) kreće se između 500 i 1000 (). U najvećem broju slučajeva, mjerni opseg

je do 30 (V). Ako je karakteristični otpor instrumenta Rk = 330 (/V), unutarnji otpor

instrumenta bi bio 9.900 (). Ako je otpor mjerne sonde npr. 800 () on bi činio gotovo 10%

otpora u ovom spoju. Ali, ako je unutarnji otpor voltmetra npr. 20 (k/V) tada otpor od 800

() u odnosu na 600 (k) ne predstavlja značajnu ulogu.

3.2.2. Povećanje tačnosti mjerenja u nehomogenoj zemlji

Veoma često se mjerenja vrše u nehomogenim višeslojnim zemljama što podrazumijeva

različite vrijednosti specifičnog otpora tla na različitim mjestima i na različitim dubinama.

Neka se pretpostavi manja vrijednost specifičnog električnog otpora površinskog sloja zemlje,

u odnosu na sloj koji se nalazi dublje i neka je ova razlika velika. Ovo je veoma čest slučaj u

planinskim predjelima, gdje je površinski sloj (do 1 m) zemlja, a ispod je kamenito tlo. U

ovom slučaju, da bi se dobio horizontalni dio krive potencijala (ili otpora) između

uzemljivača i strujne elektrode, mora se strujna elektroda odmaknuti i preko 100 (m). Ovakva

velika rastojanja zahtijevaju velike dužine spojnih vodiča što može dodatno usložniti

proceduru mjerenja. Otežano dobijanje horizontalnog dijela potencijalne krive rezultira

greškama mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača. U ovom slučaju može se raditi o

greškama mjerenja i do 20%. Da bi se ova greška svela na što manju vrijednost, kriva

potencijala (ili otpora) snima se dva ili tri puta u jednom smjeru i to sa različitim rastojanjima

pomoćne strujne elektrode. Metod ovog mjerenja dat je u nastavku teksta.

Kod prvog snimanja dijagrama pomoćna strujna elektroda postavlja se na rastojanje z = 20 –

30 (m) od uzemljivača, koji se mjeri. Potencijalna (naponska) elektroda pomjera se sa

korakom 2 – 3 (m) tj. po 0,1 . z. Dobijene vrijednosti nanose se kao tačka u koordinatnom

sistemu R = f (x/z) (slika 3.7).

L2

Imj

L1

L3

N

A

Napon pogonskoguzemljiU = R I

vača

B mj

RB

Napon uzemljiva akoji se mjeriU = R I

č

A mj

R

RA

31

Vidi se da se na horizontalnu osu nanose odnosi (x/y) i to od vrijednosti 0,1 pa dalje. Ovo

dalje znači da se potencijalna elektroda postavlja u slijedeće tačke udaljene od uzemljivača

npr. 3, 6, 9,…, 30 (m) za što je x/z = 0,1; 0,2; … 1,0. Potom, potencijalna elektroda se

pomjera iza strujne elektrode za što je x/z = 1,1… 1,5. Na vertikalnoj osi nanose se izmjerene

vrijednosti otpora uzemljivača.

Analiza tako dobijenog dijagrama može tačno odrediti da li je dovoljno tačno mjerenje koje je

vršeno. Ukoliko važi odnos:

1,05.0

4.06.0

R

RR, (3.16.)

onda je vjerovatni otpor rasprostiranja uzemljivača vrijednost R, koja odgovara odnosu x/z =

0,5 što znači da se potencijalna elektroda postavlja na polovinu rastojanja.

Slika 3.7. Snimanje dijagrama R=f (x/z)

U konkretnom slučaju ovaj odnos je:

1,05,00,6

8,45,7

(3.17.)

Ovo znači da treba praviti novo mjerenje ali sa drugom razdaljinom z. U drugom slučaju je

z = 40 – 50 (m). Potencijalna kriva se pomjera sa korakom 4 – 5 (m), tj. sa korakom, koji je

0,1z. Neka je korak 5 (m), što znači da se potencijalna elektroda postavlja na udaljenostima

od centra uzemljivača x = 5, 10… , 50 tako da se imaju odnosi x/z = 0,1; 0,2; … ; 1,0. Potom

se potencijalna elektroda pomjera dalje od strujne elektrode tj. x = 55, … , 75 (m), to jest x/z

x/z

0,50,30,1 0,7 0,9

6

1,51,11,4 4

R( )

10

13

3

5

1

9

8

12

7 2

11

1,3

32

= 1,1; …; 1,5. Za sve ove vrijednosti udaljenosti x potencijalne elektrode, odnosno za odnose

x/z snimaju se vrijednosti R i tako se dobije dijagram 2. Ova dva dijagrama se sjeku u jednoj

tački, koja približno tačno određuje vrijednost otpora rasprostiranja uzemljivača.

Ukoliko se radi o izuzetno nehomogenoj zemlji dijagrami se neće presjeći. U tom slučaju radi

se na drugi način.

Prvi slijedeći način koji se može probati jeste da se strujna elektroda pomjeri na još veću

udaljenost, npr. 70 – 100 (m). Dijagram se snima po istom principu kao i prethodni. Ukoliko

postoji presjek drugog i trećeg dijagrama, vjerovatni otpor uzemljivača je taj presjek. Ukoliko

ne postoji presjek, strujna elektroda se postavlja na rastojanje 40-50 (m). U tom slučaju se

potencijalna elektroda postavlja na rastojanja npr. 55, 60, 65, 70 (m), to jest dobijaju se odnosi

x/z = 1,1; … ; 1,5. Za sve vrijednosti x/z na vertikalnu osu nanose se vrijednosti R1.1. , …, R1.5.

Približno tačna vrijednost otpora uzemljivača (sa 20% moguće greške) može se uzeti

vrijednost Rl.4. tj. za x/z = 1.4.

U konkretnom primjeru na slici 3.7., dijagrami 1. i 2. sijeku se pri otporu 9,8 (). Otpor pri

x/z = 1.4 je 10.2 (). Kao što se vidi, ove vrijednosti se malo razlikuju.

Znači, može se zaključiti da je, u slučaju snimanja dijagrama 1. i 2. vrlo teško naći ravni dio

potencijalne krive, a vrijednosti R0.5 međusobno su bitno različite i znatno su niže od realne

vrijednosti otpora R = 10 (). Ovdje je bitno još napomenuti slučaj kada x raste, a vrijednost

otpora R opada. Radi se o prisustvu podzemnih metalnih objekata u neposrednoj blizini.

3.3. SPECIFIČNE SHEME MJERENJA PRELAZNOG

OTPORA UZEMLJIVAČA

Na slici 3.8. dat je primjer mjerenja (određivanja) impedanse uzemljivača sa sopstvenim

izvorom jake struje. Metoda mjerenja sa sopstvenim izvorom napajanja (agregatom) posebno

je primjenjiva za mjerenja impedanse velikih uzemljivačkih sistema. Izmjenični napon

industrijske frekvence se dovodi između uzemljivačkog sistema i pomoćne udaljene elektrode

dok se izmjenična struja IM “injektira” u uzemljivački sistem. Zemljovodi i kabelski omotači

sa ulogom uzemljenja spojeni su na uzemljivački sistem i ne smiju biti odspojeni od

instrumenta.

33

Slika 3.8. Praktična shema mjerenja

Oznake na slici 6.8. su:

IM – ispitna struja (generalno su samo moduli napona i struje određeni),

IEM – struja kroz zemlju za vrijeme mjerenja (ne može se direktno mjeriti),

rE – redukcioni faktor linije do udaljene uzemljivačke elektrode,

RES – otpor mrežastog uzemljivača,

RET – otpor uzemljenja stupa,

UEM – povećanje potencijala za vrijeme mjerenja,

USTM – izvor napona dodira za vrijeme mjerenja.

Prema propisu HD 637 S1:1999 (propis CENELEC-a – Evropski komitet za standardizaciju u

elektrotehnici) mjerenje otpora uzemljivača može se realizirati na različite načine. Dimenzije

uzemljivača i stepen interakcije određuju mogućnost primjene pojedine metode mjerenja.

Prema navedenom propisu, kada se koristi, metoda pada napona sa uzemljivačkim tasterom tj.

metoda sa potencijalnom i strujnom elektrodom, potencijalna elektroda treba biti udaljena od

uzemljivača 2,5 x veličina uzemljivača, ali ne manje od 20 (m). Strujna (pomoćna) elektroda

treba biti udaljena najmanje 4 x veličina uzemljivača, ali ne manje od 40 (m).

Modul impedanse dobije se kao:

rI

UZ

mj

EME

, (3.18.)

gdje su: UEM – izmjerena vrijednost napona između uzemljivačkog sistema i sonde

postavljene u referentnoj zemlji (potencijal nula) (V),

Imj – izmjerena ispitna struja u (A),

r – redukcioni faktor voda (linije) do pomoćne udaljene uzemljivačke elektrode.

34

Ovaj faktor se može ili izmjeriti ili proračunati. Za vazdušne vodove bez zemljovoda i kabele

bez omotača ili oklopa uzima se da je r = 1.

Zemljovod, ako je spojen na uzemljivač ili pomoćnu daleku zemlju, mora se uzeti u proračun.

Ukoliko kabel ima mali otpor metalnog omotača, koji je uzemljen sa obje strane, najveći dio

ispitne struje vraća se omotačem. Ako ima izolirajući omotač (što je uvijek slučaj) oko plašta,

plašt je pogodan za razdvajanje uzemljivača od njega. Međutim, kabeli koji imaju funkciju

uzemljivačke elektrode, ne smiju prekidati kontinuitet plašta.

Rastojanje između ispitivanog uzemljivača i daleke pomoćne elektrode, ako je moguće, ne

treba biti manje od 5 (km). Ispitna struja bi trebala da bude oko 50 (A). Unutarnji otpor

voltmetra treba da bude najmanje 10 puta veći od otpora sonde.

Za manje uzemljivačke sisteme rastojanja mogu biti manja.

Moguću interferenciju i ometajući napon treba ukloniti.

Određivanje porasta potencijala uzemljivača

Povećanje potencijala uzemljivača EU dobije se kao:

EEE IZU , (3.19.)

gdje su: EZ – impedansa uzemljenja, koja se izmjeri kao u prethodnom postupku ili se

proračuna,

EI – struja kroz uzemljenje (ne može se direktno mjeriti).

Struja kroz uzemljenje tokom mjerenja je:

MEM IrI (3.20.)

Impedansa je:

EM

EME

I

UZ (3.21.)

Jednačina (6.19.) postaje:

M

EEMEEE

Ir

IUIZU

(3.22.)

Za zemljospoj u trofaznom sistemu i slične zemljovode redukcioni faktor vazdušnog voda iz

TS, struja se može odrediti kao:

03 IrIE , (3.23.)

gdje je: r – redukcioni faktor zemljovoda,

03 I – vektor zbira struja faznih provodnika pripadajuće TS.

Za grešku u TS postoji razlika između struje zemljospoja i struje neutralne tačke.

Tipične vrijednosti redukcionog faktora vazdušnih vodova i kabela (za 50 Hz)

Zemljovodi VN vodova (110 kV)

Čelik 50 – 70 (mm2) r = 0,98

ACSR 44/32 (mm2) r = 0,77

ACSR 300/50 (mm2) r = 0,61

Papirno izolirani kabeli (10 i 20 kV)

35

Cu 95(mm2) / 1.2 (mm) olovni omotač r = 0,20 – 0,60

Al 95 (mm2) / 1.2 (mm) aluminijski omotač r = 0,20 – 0,30

XLPE kabeli (10 i 20 kV)

Cu 95 (mm2) / 16 (mm

2) bakarni ekran r = 0,50 – 0,60

Jednožilni kabeli (110 kV)

Cu 300 (mm2) / 2.2 (mm) aluminijski omotač r = 0,37

3.4. MJERENJE RASPODJELE POTENCIJALA OKO

UZEMLJIVAČA

Najbolju potvrdu ispravnosti uzemljenja daje mjerenje raspodjele potencijala oko

uzemljivača. U slučaju velike razlike između proračunskih i izmjerenih vrijednosti otpora

uzemljenja, ili ukoliko postoji sumnja u ispravnost uzemljenja neophodno je izvršiti mjerenje

raspodjele potencijala.

Ovo se naročito odnosi na slučajeve kada je proračunata vrijednost otpora uzemljenja blizu

granice tolerancije, a dalje poboljšanje karakteristika uzemljivača je teško izvodljivo ili je

skupo.

Mjerenjem raspodjele potencijala određuju se najopasnija područja gdje se javlja veoma veliki

napon koraka, odnosno područja gdje se trebaju eventualno primjeniti dodatne mjere za

povećanje sigurnosti.

Kako se u uzemljivačkim sistemima mogu pojaviti vrlo velike struje zemljospoja, koje imaju

za poslijedicu velike napone uzemljivača čak i ako su ovi sa malim otporom, treba

prekontrolirati cijeli teren i okolinu na kojoj su postavljeni pojedini dijelovi uzemljivača.

Mjerenja se izvode uvijek sa manjom strujom od struje zemljospoja, tako da se pri mjerenju

dobijaju znatno niži naponi nego u slučaju zemljospoja.

Zbog toga je sondu teško postaviti na dovoljno velikom rastojanju od dalekovoda da bi se

dobili pri mjerenju i znatno niži naponi nego što je to slučaj pri pojavi struje zemljospoja.

Zato treba izmjerenu vrijednost, obzirom na računski dobijenu struju zemljospoja, preračunati

na stvarne vrijednosti pomoću relacije:

M

ZMSTV

I

IUU , (3.24.)

gdje su:

USTV – napon u proizvoljnoj tačci pri struji zemljospoja IZ,

UM – napon u istoj tačci za slučaj mjerenja strujom IM.

Za praksu je važniji podatak koliki je napon u pojedinim tačkama oko uzemljivača u

poređenju sa naponom uzemljivača, jer te relativne vrijednosti daju neposrednu sliku o

opasnm područjima. Zato se rezultati mjerenja u pojedinim tačkama obično ne izražavaju u

voltima, nego u procentima napona uzemljivača:

100% ZM

MM

U

UU , (3.25.)

gdje je UZM – napon uzemljivača za slučaj struje mjerenja IM.

Ako je poznat napon uzemljivača pri mjernoj struji, mjerna struja i struja zemljospoja, onda se

napon u proizvoljnoj tačci, pri struji zemljospoja, određuje pomoću formule:

36

ZUZ

M

M

ZUZM

MSTV IR

U

I

IRI

UU

100

%

100

% (3.26.)

Raspodjela potencijala u okolini uzemljivača najčešće se mjeri voltmetrom, kao što je

prikazano na slici 3.9. Između ispitivanog i pomoćnog uzemljivača priključuje se izmjenični

napon čija se vrijednost podesi tako da struja kroz uzemljivač bude dovoljno velika da na

otporu rasprostiranja uzemljivača stvori dovoljno veliki pad napona, da bi se mogao izmjeriti

voltmetrom. Ta struja obično iznosi oko 100 A.

Slika 3.9.

UZ – uzemljivač oko kojeg se određuje raspodjela potencijala

PU – pomoćni uzemljivač

MJ – mjerna sonda koja se pomjera u tačke gdje se određuje potencijal

Kada se struja u kolu podesi na potrebnu jačinu, između ispitivanog uzemljivača i pojedinih

tačaka oko uzemljivača mjeri se napon UV, na osnovi kojeg se određuje napon u mjernoj tački

UM kao:

VZMM UUU (3.27.)

Na osnovi relacije 3.25. dobije se:

100100%

ZM

VZM

ZM

MM

U

UU

U

UU (3.28.)

Mjerenje napona UM može se vršiti i neposredno ako se jedna pomoćna sonda postavi

dovoljno daleko od uzemljivača (izvan područja zatvaranja struje), a napon mjeri između te

sonde i mjerne sonde koja se pomjera iz tačke u tačku. Ovakav način mjerenja je manje

podesan zbog veće udaljenosti pomoćne sonde, a najčešće se raspored potencijala snima samo

u blizini uzemljivača.

Unutarnji otpor voltmetra, upotrijebljenog za mjerenje, treba da bude dovoljno veliki tako da

se otpor rasprostiranja naponske sonde može zanemariti. Poželjno je da otpor voltmetra bude

V

UZ

GA

MJ PU

L

UM

UVUZM

37

bar stotinu puta veći od otpora rasprostiranja sonde. Kako se pri određivanju raspodjele

potencijala napon treba mjeriti u velikom broju tačaka, praktično je neizvodljivo postaviti u

svakoj tački sondu tako duboko u zemlju kao pri mjerenju otpora rasprostiranja uzemljivača,

jer bi se mjerenje veoma sporo odvijalo. Zbog toga je otpor sonde vrlo veliki i može da

dostigne vrijednost i nekoliko hiljada oma.

Ako u mjerenju učestvuju dvije osobe, što pretpostavlja upotrebu dvije sonde koje se

naizmjenično uključuju, onda se ono može ubrzati, jer u tom slučaju dok se na jednoj sondi

obavlja mjerenje, druga se pomjera na slijedeće mjerno mjesto.

Mjerne tačke treba odrediti po određenom sistemu kako bi se kasnije moglo obaviti ucrtavanje

ekvipotencijalnih krivih u plan zemljišta. Pri mjerenju raspodjele potencijala trebalo bi se

kretati od određene polazne tačke pravolinijski u različitim smjerovima, pri tome bilježeći

napon između uzemljivača i sonde u odabranim mjernim tačkama. Na osnovi izvršenih

mjerenja potrebno je napraviti sliku ekvipotencijalnih krivih uzemljivača. Prema gustoći

ekvipotencijalnih krivih, može se vidjeti gdje su nagibi naponskog lijevka najveći, dakle gdje

su najopasnija područja. Ekvipotencijalne krive obično se ucrtavaju u procentualnim

vrijednostima napona uzemljivača, koji se uzima 100 %.

U ovisnosti od veličine dimenzija površine na kojoj treba mjeriti raspodjelu potencijala,

potrebno je i predvidjeti opremu za ekipu koja vrši mjerenja. Dakle, potrebno je predvidjeti

dovoljnu dužinu izolirajućeg vodiča, koji po mogućnosti treba da bude na kalemu koji je

pogodan za nošenje na leđima, tako da se za vrijeme hodanja može odmotavati i namotavati.

U prvih 200 (m) mjerne tačke treba gusto postaviti, na primjer svakih 20 (m), a dalje svakih

50 (m). Prema prvoj gruboj ocjeni koja se dobije na taj način, treba obaviti mjerenja i u

međusmjerovima, koji se biraju na najopasnijem području. Pri odabiru smjerova, treba obratiti

pažnju na eventualne metalne vodove, koji prolaze kroz područje uzemljivača (vodovodne

cijevi, kabeli i slično), a koji utječu u velikoj mjeri na raspored potencijala. Za brže obavljanje

posla , preporučuje se prije početka mjerenja, označavanje smjerova kočevima u tačkama gdje

će se vršiti mjerenje.

Slično kao i kod mjerenja otpora rasprostiranja uzemljivača, i kod mjerenja raspodjele

potencijala javljaju se greške usljed utjecaja stranih struja, kao i usljed induktivnih utjecaja

mjerne struje. Ovakve utjecaje treba otkloniti jednom od pogodnih metoda kao što su npr.:

metoda titranja,

metoda promjene polariteta,

vektorsko mjerenje,

blokiranje istosmjernih struja.

Metoda titranja zasniva se na upotrebi naponskog izvora čija je frekvencija različita od

mrežne za nekoliko desetaka Hz. Naponi izazvani ispitnom strujom geometrijski se zbrajaju

sa eventualnim naponom smetnje US čiji se iznos i fazni pomak mogu smatrati konstantnim za

dovoljno kratak mjerni ciklus. Zbog asinhrone superpozicije napona kazaljka voltmetra se

pomjera između maksimalne i minimalne vrijednosti U1 i U2. Za napon izazvan ispitnom

strujom tada vrijede relacije:

38

11

121

121

2za2

2za2

2za2

UUU

U

UUUU

U

UUUU

U

S

S

S

(3.29.)

Metoda promjene polariteta zasniva se na upotrebi naponskog izvora mrežne frekvencije čiji

se fazni pomak može promjeniti za 1800 nakon bezstrujne pauze. Napon se mjeri prije

promjene polariteta (U1) i poslije promjene polariteta (U2). Napon smetnji US mjeri se kod

isključene ispitne struje. Na osnovi vektorskog odnosa dobije se vrijednost stvarnog napona U

kao:

2

2

2

2

1

2SU

UUU

(3.30.)

Kako utjecaji stranih struja nisu konstantni, mjerenja se moraju obavljati brzo, jedno za

drugim.

Znatno je teže odrediti napone kao rezultat smetnji zbog induktivnih utjecaja mjerne struje,

koji mogu da budu visoki ako je dovod do sonde položen paralelno sa dovodom do pomoćnog

uzemljivača. U tom slučaju napon raste srazmjerno sa rastojanjem između sonde i mjerenog

uzemljivača. Otpor rasprostiranja uzemljivača je najvećim djelom omskog karaktera pa je pad

napona na njemu u fazi sa strujom, dok je indukovni napon zbog mjerne struje u dovodu

pomaknut za cca 900 .

Zato mjerne vodove treba voditi, po mogućnosti okomito u odnosu na vod prema pomoćnom

uzemljivaču. Ako se to ne može ostvariti iz prostornih razloga, udio napona koji u mjernom

vodu inducira ispitna struja može se ukloniti mjeračem vektora (vektor voltmetrom). Vektor

voltmetar je dvokanalni mjerni instrument koji može da mjeri pojedinačne amplitude dva

priključena napona i faznu razliku između njih.

Ako naponi smetnje pokazuju visoke udjele istosmjernog napona, može se upotrijebiti

voltmetar kod kojeg se istosmjerni napon blokira.

Kada se u cijelom području oko uzemljivača izmjeri potencijal i nacrtaju ekvipotencijalne

krive na planu zemljišta ima se dovoljno pregledna slika o tome gdje mogu napon dodira i

napon koraka da dostignu visoku, opasnu vrijednost i gdje su potrebna dodatna mjerenja

napona dodira i napona koraka.

Napon dodira Ud i napon koraka Uk mjeri se na isti način kao i mjerenje raspodjele potencijala

oko zemljivača. Između mjerenog i pomoćnog uzemljivača priključi se dovoljno visoki

izmjenični napon kako bi između oba uzemljivača tekla dovoljno velika struja (cca 100 A), a

zatim se sa voltmetrom velikog unutarnjeg otpora mjere naponi.

Napon dodira mjeri se između pojedinih dostupnih vodljivih dijelova postrojenja i tla. Radi

mjerenja napona dodira na rastojanju 1 m od dostupnih vodljivih dijelova, postavlja se mjerna

elektroda za simulaciju stopala koja mora imati površinu od 400 (cm2) i nalijegati na tlo sa

minimalnom silom od 500 (N). Umjesto mjerne elektrode, kao zamjena, može se koristiti

mjerna sonda zabijena u zemlju najmanje 20 (cm) duboko. U slučaju betona ili suhog tla

mjerna sonda se mora postaviti na mokru krpu ili na sloj vode. Šiljasta elektroda za simulaciju

ruke mora moći pouzdano probiti prevlaku boje, ali ne i izolaciju. Jedna stezaljka voltmetra

spoji se sa mjernom elektrodom za simulaciju ruke na dostupni vodljivi dio, a druga stezaljka

spoji se sa mjernom elektrodom za simulaciju noge na tlu.

39

Napon dodira mora se odrediti uz uzimanje u obzir otpora ljudskog tijela od 1000 ().

Mjerenje se vrši pomoću voltmetra minimalnog unutarnjeg otpora od 1000 (). Ukoliko se

mjerenje vrši pomoću voltmetra velikog unutarnjeg otpora, paralelno sa voltmetrom se

priključi otpornik od 1000 () koji simulira otpor čovječijeg tijela.

Napon koraka mjeri se između dvije tačke na tlu, također, na rastojanju 1(m). Elektrode za

simulaciju nogu moraju imati istu površinu i silu nalijeganja na tlo kao u slučaju mjerenja

napona dodira.

Napon dodira i napon koraka treba mjeriti na cijelom području transformatorske stanice, a i na

području svih metalnih vodova koji prolaze kroz područje uzemljivača, a koji mogu da

prenesu potencijal izvan njihovog područja.

3.5. NADZOR I KONTROLA UZEMLJIVAČKIH SISTEMA

Uzemljenje odgovara svojoj namjeni samo onda ako su parametri uzemljenja i pri

najnepovoljnijim uvjetima, na primjer u vrijeme velike suše, unutar dozvoljenih granica koje

su određene propisima.

Kako je ranije rečeno, sistem uzemljenja mora zadovoljiti osnovna četiri zahtjeva:

-osigurati mehaničku čvrstoću i otpornost na koroziju,

-osigurati toplotno podnošenje najveće struje kvara (koja se obično određuje proračunom),

-izbjeći štetu za imovinu i opremu, i

-osigurati bezbjednost ljudi s obzirom na napone koji se na sistemu uzemljenja javljaju pri

najvećim strujama zemljospoja.

Pri izradi projektne dokumentacije međunarodni propisi zahtijevaju obavezno mjerenje

specifičnog električnog otpora tla za postrojenja nazivnog napona iznad 110 kV. Za

postrojenja nazivnog napona nižeg od 110 kV mjerenja specifičnog električnog otpora nisu

obavezna, ali su poželjna.

Nakon instaliranja uzemlivača, a prije puštanja u pogon, potrebno je kontrolirati njegove

parametre, kako bi se provjerilo da li su postignute projektirane vrijednosti.

Isto tako, u toku ekspolatacije potrebno je periodično vršiti mjerenja i kontrolu uzemljivačkog

sistema kako bi se provjerila njihova ispravnost.

Prema međunarodnim standardima uzemljeni objekti, s obzirom na svoje osobine, mogu se

podijeliti u slijedeće skupine:

1.Postrojenja nazivnog napona 110 kV i višeg. Ta su postrojenja raspoređena u skupine

prema osobinama uzemljivačkog sistema na ovaj način:

1.1. Uzemljivač postrojenja izrađen je od vodiča koji je od pocinčanog čelika,

1.2. Uzemljivač postrojenja izrađen je od bakrenih vodiča ili vodiča od drugih metala

prevučenih slojem bakra,

40

1.3. Iz postrojenja izlaze dva ili više kabela koji služe kao uzemljivači ( odnosno izlaze

dvije ili više uzemljivačke trake položene uz kabele s plastičnim plaštem ), a čiji je ukupni

otpor rasprostiranja najmanje dva puta manji od otpora rasprostiranja uzemljivača postrojenja.

2. Postrojenja nazivnog napona nižeg od 110 kV. Ona su raspoređena u slijedeće skupine:

2.1. Uzemljivač postrojenja izrađen od vodiča koji je od pocinčanog čelika,

2.2. Uzemljivač postrojenja izrađen je od bakrenih vodiča ili vodiča od drugih metala

prevučenih slojem bakra,

2.3. Iz postrojenja izlaze dva ili više kabela koji služe kao uzemljivači ( odnosno izlaze

dvije ili više uzemljivačke trake položene uz kabele s plastičnim plaštem ), a čiji je ukupni

otpor rasprostiranja najmanje dva puta manji od otpora rasprostiranja uzemljivača postrojenja.

3. Stupovi nadzemnih vodova raspoređeni su u dvije skupine:

3.1. Stupovi se nalaze u prostoru za kampiranje ili na području kupališta,

3.2. Stupne transformatorske stanice i stupovi koji nose posebnu električnu opremu.

U tabeli 3.1. navedene su obavezne vrste mjerenja i pregledi koji se izvode kod različitih

uzemljenih objekata u toku eksploatacije, prema važećim međunarodnim propisima.

Tabela 3.1. Obavezna mjerenja i pregledi

Objekt

Prije puštanja u pogon

ili poslije radova na

sistemu uzemljenja

U toku eksploatacije

Vrste mjerenja Vrste mjerenja

Periodičnost P ZU UD P ZU UD

Objekti iz tačke 1.1. + + + + + + 5

Objekti iz tačke 1.2. + + + + + + 10

Objekti iz tačke 1.3. + + + + – – 5

Objekti iz tačke 2.1. + + + + + + 5

Objekti iz tačke 2.2. + + + + + + 10

Objekti iz tačke 2.3. + – + + – – 5

Objekti iz tačke 3.1. + – + + – + 5

Objekti iz tačke 3.2. + + + + + + 5

Značenja oznaka u tabeli su:

+ obavezno

– nije obavezno

P – vizuelni pregled

ZU – mjerenje impedanse uzemljenja

UD – mjerenje napona dodira

Napomena: mjerenje napona dodira UD za objekte iz grupe 1 i 2 obavezna su samo u

posebnim slučajevima

41

Kod kontrole uzemljivačkih sistema tj. mjerenja prema tabeli 3.1. mora postojati projekt

sistema uzemljenja iz koga se može vidjeti od kojeg je materijala izrađen uzemljivač, nacrt

situacije uzemljivača, tačke grananja i dubina polaganja uzemljivača.

Nakon većih radova i promjena na sistemu uzemljenja koji utječu na osnovne karakteristike

sistema potrebno je izvršiti provjere mjerenjem i proračunima.

Vizuelni pregled uzemljivačkog sistema podrazumjeva slijedeće:

-pregled spojeva zemljovoda s kućištima uzemljenih uređaja,

-pregled veza za međusobno povezivanje metalnih konstrukcija radi kontinuiteta

uzemljenja,

-pregled veza i spojeva izvedenih na izjednačenje potencijala,

-pregled veza za uzemljenje zvjezdišta transformatora,

-pregled svih drugih vidljivih dijelova sistema uzemljenja.

Pregledom treba ocijeniti kvalitet spojeva, stanja vodiča s obzirom na koroziju i stanje

postojeće zaštite od korozije. Pri vizuelnom pregledu nije potrebno otkopavati uzemljivač.

Mjerenje otpora rasprostiranja uzemljenja i mjerenje napona dodira treba izvoditi u skladu sa

propisima, a o izvršenim mjerenjima treba sačiniti odgovarajući zapisnik o mjerenju.

Praksa je pokazala da nije dovoljno samo vršiti nadzor uzemljivača i periodično mjerenje

njihovog otpora rasprostiranja i napone dodira, već da treba redovno kontrolirati i dovode do

uzemljivača, a naročito njihova mjesta spajanja. Vodiči, koji spajaju električne uređaje sa

odgovarajućim uzemljivačima, izloženi su kako mehaničkim oštećenjima tako i koroziji, a

poslijedica toga je prekidanje uzemljivačkih dovoda. Međutim, nije isključeno ni uništenje

spojnih mjesta, do kojih može da dođe uslijed velikih struja u slučaju velikih prolaznih otpora.

Stoga, treba nužno vršiti periodičnu kontrolu (najmanje jedanput godišnje) svih dovoda do

uzemljivača i izmjeriti njihov otpor. Kako većina tvorničkih mjerača može da se upotrijebi i

za mjerenje metalnih vodiča, ta kontrola se može obaviti sa njima ili običnim ommetrom.

Uzemljivači u zemlji su izloženi raznim kemijskim utjecajima koji izazivaju koroziju. Ti

utjecaji ovise o vrsti tla, pa je od toga ovisan i vijek trajanja uzemljivača. Ukoliko je zemlja

kemijski aktivnija, utoliko uzemljivači brže propadaju, pa u naročito agresivnom tlu

uzemljivač može da propadne za nekoliko godina. Uobičajeni vijek trajanja uzemljivača je

između 20 i 25 godina. Uzemljivači stariji od 25 godina bi trebali da se obavezno otkopaju

kako bi se utvrdila njihova funkcionalnost. Zbog opasnosti od korozije uzemljivača

preporučuje se, na starijim uzemljivačima, bar jednom godišnje izmjeriti otpor rasprostiranja

kako bi se utvrdila ispravnost uzemljivača. Isto tako, preporučuje se da se probnim

iskopavanjem uzemljivača svakih pet godina utvrdi stanje uzemljivača. Ukoliko je zemljište

izrazito agresivno iskopavanje uzemljivača treba činiti češće.