UZEMNENIE A JEHO MERANIE - Katedra výkonových ... · Odpor uzemnenia základný parameter vyjadrujúci kvalitu uzemnenia, snahou je, aby jeho hodnota bola čo najnižšia, je rozhodujúci

UZEMNENIE A

JEHO MERANIE

ELEKTROENERGETIKA 5.10.2006

STN 33 0050-826

Uzemňovač je vodivá časť alebo skupina vzájomne spojených vodivých časí, ktorá má dokonalý kontakt so zemou a zaisťuje s ňou elektrické spojenie.

Uzemnenie

udržiava určené miesto siete resp. zariadenie na potenciáli zeme,

chráni zaradenia, osoby, zvieratá,

zabezpečuje resp. vylepšuje funkcie niektorých zariadení.

Účel uzemneniechrániť elektrické stroje, prístroje a zariadenia pred účinkami prepätí a veľkých prúdov

zviesť atmosferické prúdy a obmedziť atmosferické prepätia

chrániť ľudí a zvieratá pred úrazom elektrickým prúdom pri dotyku a v okolí neživých častí, odpojením alebo znížením dotykového a krokového napätia na bezpečnú mieru

zabezpečiť stále napätie vodičov trojfázovej sústavy voči zemi

zabezpečiť správnu funkciu bleskoistiek a prieraziek

odviesť do zeme náboj statickej elektriny na zariadeniach v priemysle

brániť korózii uzemnením jedného pólu katódovej ochrany a pod.

Zem sa pritom využíva jednak ako vodič, ale aj ako prostriedok na zníženie potenciálu.

Odpor uzemnenia

základný parameter vyjadrujúci kvalitu uzemnenia,

snahou je, aby jeho hodnota bola čo najnižšia,

je rozhodujúci faktor pri posudzovaní a návrhu uzemnenia pre funkčné účely.

Závisí od:

rozmerov uzemňovača,

tvaru uzemňovača,

elektrických vlastností pôdy v jeho okolí.

Odpor uzemnenia

Skladá sa z: odporu zvodu a uzemňovača,

pri dobrom spojení je veľmi nízky

prechodového odporu medzi uzemňovačom a zemou,

má malú hodnotu ak uzemňovač:

má dostatočné rozmery

je správne uložený v zemi

má dostatočnú plochu v pomere k prúdu, ktorý ním tečie,

pôda v jeho okolí obsahuje dostatok vody a elektrolytov

Odpor uzemnenia

odporu pôdy.najviac ovplyvňuje odpor celého uzemnenia

Pre uloženie uzemňovacích elektród sú:

vhodné – hlinitá pôda, humus

menej vhodné – ílovitá pôda

nevhodné – pevné horniny, piesčitá pôda

Voda v pôde

Môže byť: hygroskopická voda

kapilárna voda

presakujúca voda

Hygroskopická voda

nemá veľký vplyv na vodivosť pôdy

je viazaná adsorpciou na povrch častíc pôdy

jej množstvo závisí od množstva jemných častíc v pôde (aj úplne suchá pôda obsahuje určité množstvo vody, ktorú je možné odstrániť len jej zahriatím nad 100 °C).

Voda v pôde

Presakujúca voda

je to zrážková alebo spodná voda (nie je viazaná v kapilárach)

jej množstvo rastie s hrúbkou kapilár (jemné íly ju nemajú, hrubé piesky majú najviac)

Kapilárna voda

vyplňuje vo vlhkej pôde úzke medzery medzi časticami

je viazaná k časticiam povrchovým napätím (nevytečie, odstrániť sa dá len vysušením, jej množstvo sa zvyšuje dosahom kapilár k spodnej vode)

má veľký vplyv na vodivosť pôdy (íl jej má veľa, piesok málo)

Merný odpor pôdy

mení sa podľa zloženia pôdy (obsah solí), závisí od tlaku a teploty závislosť od počasia a ročného obdobia

najväčší – horúce a suché leto, veľké mrazy

najmenší – po trvalých dažďoch (vplyv krátkych dažďov je nepatrný)

Výkyvy merného odporu (oproti priemeru) sú pôdach s podobným zložením počas roka vcelku podobné (overené meraním).

Zmena merného odporu počas roka

krivka a – priebeh odporu po dlhšom suchu

krivka b – priebeh odporu po dlhšie trvajúcom daždi

Meranie merného odporu pôdy

presné meranie je potrebné pre výpočty a návrh

uzemňovacích sústav

určuje sa nepriamo na základe prúdu a napätia,

resp. priamo pomocou prístroja na meranie

odporov

je to odpor kocky pôdy so stranou dlhou 1 m,

meraný na protiľahlých stranách

meria sa v Ω.m

Geoelektrické meranie

pomocou pomocných elektród (PE1 a PE2) je

možné priamo zmerať rozdiel potenciálov (UPE

)

medzi ekvipotenciálnymi plochami

medzi dve kovové elektródy (CE1 a CE2) sa

pripojí zdroj jednosmerného, resp. striedavého

prúdu (ICE

)

meranie merného odporu pôdy metódou štyroch

bodov

Geoelektrické meranie

Odpor pôdy: R=U PE

ICE

Geoelektrické meranie

Merný odpor pôdy pri homogénnom podlaží pôdnych vrstiev

Konštanta k je výhradne geometrickou funkciou vzdialeností medzi elektródami a označuje sa ako konfiguračná konštanta.

= R . k .m

k =2

. 2

d−d m

λ – polovičná vzdialenosť prúdových elektród (m)

d – polovičná vzdialenosť napäťových elektród (m)

Wennerovo usporiadanie

V praxi najpoužívanejšie a uvádzajú ho aj STN:

Wennerovo usporiadanie

Podľa obrázka platí: = 3.d = 32

.a m

k =2

. 9.d 2

d−d = 4. .d = 2. .a .m

Potom je možné vypočítať merný odpor pôdy ako

=U PE

ICE. k = R . k = 2. .a .R .m

Konfiguračná konštanta k (h – dĺžka elektródy)

Wennerovo usporiadanieNa určenie maximálneho merného odporu počas roka treba namerané hodnoty vynásobiť koeficientom K podľa obrázka

1 – po daždivom období, 2 – po dlhšom suchu

Základné druhy uzemňovačov

odpor pôdy sa s hĺbkou mení → typy uzemňovačov

povrchové

hĺbkové

kombinované (združené)

šírenie prúdu v blízkosti uzemňovača závisí na:

tvare uzemňovača

povrchu uzemňovača

uložení uzemňovača

vlastnostiach pôdy

pôda je i pri najpriaznivejších podmienkach zlý vodič a tak je potrebný veľký prierez pre požadovaný prechod prúdu do zeme

Doskové uzemňovače kladú sa do zeme zvislo

najmenšia veľkosť je 0,5 m2, hrúbka 1 mm pre Cu dosky a 3 mm pre FeZn dosky

odpor zvisle uloženej štvorcovej dosky so stranou a platí:

Rz =

3,5.d

Rz = 0,25.a

odpor zvisle uloženej kruhovej dosky závisí od hĺbky uloženia. Pre hĺbky väčšie ako je polomer dosky d platí:

Uzemňovacie pásiky a drôty

použitie pri stanovení maximálnej vodivosti pôdy do hĺbky 1 m – povrchové uzemňovače

ukladajú sa do hĺbky 60 až 80 cm

pozinkované oceľové pásiky s prierezom 30x4 mm, s dĺžkou do 20 m

odpor pásika so šírkou a a dĺžkou l, uloženého v hĺbke h sa vypočíta ako

Rz =

2. . l.ln 4l

aln

l2h

Uzemňovacie pásiky a drôty

pre obvykle používané rozmery:

prierez 100 mm2

dĺžka cca. 20 m

hĺbka 50 cm

sa vzorce zjednodušia na tvar:

odpor uzemňovacieho drôtu s priemerom d a dĺžkou l, uloženého v hĺbke h sa vypočíta ako

Rz =

2. . l.ln 2l

dln

l2h

Rz =2l

Uzemňovacie rúrky a tyče

pre rúrky (tyče) s d < 50 mm a dĺžkou l = 2 – 5 m:

pozinkované oceľové rúrky (tyče) s vonkajším priemerom 20 až 50 mm s dĺžkou 2 až 3 m

zarážajú sa zvislo → vrchný koniec vhĺbke min. 0,5 m

použitie pri optimálnej vodivosti pôdy v hĺbke > 1 m

Rz =

2 l. ln

4ld

Rz = 0,8 až 0,9 .l

odpor uzemnenia rúrky (tyče) s vonkajším priemerom d a dĺžkou l je

Kombinované uzemňovače

hĺbkové uzemňovače dosiahnu rovnakú hodnotu odporu uzemnenia povrchových uzemňovačov len s polovičnou dĺžkou

vo väčších hĺbkach sú vlastnosti pôdy stálejšie

Typy:

združené pásikové uzemňovače

mrežové siete (rozvodne)

spájanie uzemňovačov → lepší odpor uzemnenia

musia byť od seba dostatočne vzdialené

výsledný odpor je väčší ako vypočítaný

počet obmedzuje hospodárnosť

Meranie odporu uzemnenia

rozsiahle uzemňovacie sústavy (RZ veľmi malé) –

voltampérová metóda (univerzálna)

malé a stredne veľké uzemňovače – mostíková metóda

(implementovaná v meracích prístrojoch, RZ > 0,5 Ω)

merá sa nepriamo pomocou pomocnej napäťovej a

prúdovej elektródy

najväčšiu časť odporu tvorí odpor pôdy do vzdialenosti

20 m – pokladá sa za súčasť odporu uzemňovača

Mostíková metóda

napäťová elektróda PE meria potenciál zeme

zmenou pomeru odporov r1 a r2 sa vyladí mostík (ručne

alebo automaticky) → odčíta sa hodnota uzemnenia

striedavý prúd do prúdovej elektródy CE

zdroj prúdu je batéria (u starších typov induktor) +

elektronický menič

meranie malým prúdom s frekvenciou inou ako 50 Hz

Mostíková metóda

Vplyvy na presnosť merania vzdialenosť a rozmiestnenie pomocných elektród od

meraného uzemňovača

STN 33 2005-5-34 (dĺžka l < 40 m)

lCE = 40 m

lPE = 25 m

Vplyvy na presnosť merania

vlastná a vzájomná indukčnosť prívodov k pomocným

meracím elektródam a kapacita súbehu prívodov

pri hodnotách odporu uzemnenia < 1 Ω

pri veľkých dĺžkach prívodných vodičov

ak je súbeh vodičov cca. 500 m → vodiče k

elektródam treba dať do vzdialenosti 50 cm od seba

Vplyvy na presnosť merania

vplyv cudzích uzemňovačov a rušivých prúdov

elektródy musia byť uložené mimo iných

uzemňovačov a kovových prvkov (potrubie, nádrže)

treba zvoliť správne rozmiestnenie pomocných

elektród

merať vo viacerých smeroch a uvažovať s

maximálnou nameranou hodnotou

Voltampérová metóda meria sa úbytok napätia na uzemňovači, ktorým prechádza známy prúd

RZ =U PE

I CE

Voltampérová metóda

vnútorný odpor voltmetra musí byť veľký – kvôli chybe merania

ručičkové voltmetre – vnútorný odpor aspoň 10 násobkom odporu uzemnenia elektródy (chyba < 10 %)

digitálne – už to majú zabezpečené

univerzálna metóda – limitovaná len zdrojom prúdu

zásady pre rozmiestnenie elektród sú rovnaké ako pri mostíkovej metóde

Meranie odporu uzemnenia vzdušných silových stožiarov

STN 33 3300:

odpor jednotlivých celokovových stožiarov (110 až 400 kV) v trase < 15 Ω

stožiare na prechode kabel ↔ vzduch; v blízkosti elektrických staníc (do 600 až 1000 m); v miestach so zmenou vlnovej impedancie zemniaceho lana < 10 Ω

odpor uzemnenia kovových stožiarov musí byť trvalo nízky a musí sa pravidelne premeriavať

dôležité pri spätných preskokoch – úder blesku do stožiara, resp. zemného lana

Meranie stožiarov bez zemniaceho lana

elektródy kolmo na vedenie

ak uzemnenie rozsiahlejšie, treba zväčšiť vzdialenosti pomocných elektród

Meranie stožiarov so zemniacim lanom

Meranie:

simuluje jednofázový skrat na meranom stožiari (skratovacou súpravou sa prepojí napájaná fáza a konštrukcia stožiara)

merá sa úbytok napätia spôsobený tokom časti prúdu cez merané uzemnenie, zem a späť do zdroja

predstavuje rozsiahlu sústavu odporov uzemnení jednotlivých stožiarov paralelne spojených zemniacim lanom

merané voltampérovou metódou pri zapnutom zemniacim lane, ale vypnutom vedení

Meranie stožiarov so zemniacim lanom

Meranie stožiarov so zemniacim lanom

Odpor uzemnenia:Rz =

U Z

I Z

kde – UZ je napätie na meranom uzemnení

– IZ je prúd tečúci meraným uzemnením,

ktorý sa vypočíta ako

I z = I M − I 1 − I 2 A

kde – IM je meraný prúd tečúci skratovou súpravou

– I1 je meraný prúd tečúci zemným lanom

– I2 je meraný prúd tečúci zemným lanom