Potřeba elektrického propojení zemnící smyčky ochrany před bleskem instalované přímo na budově se zemnící smyčkou pro elektroinstalace je předepsána v aktuálních regulačních dokumentech (PUE). Citujeme doslovně: „Uzemňovací zařízení pro ochranné uzemnění elektrických instalací budov a staveb a ochranu před bleskem kategorie 2 a 3 těchto budov a staveb by měla být zpravidla společná.“ Nejběžnější jsou 2. a 3. kategorie, do 1. kategorie patří výbušné předměty, na které jsou kladeny zvýšené požadavky na ochranu před bleskem. Přítomnost fráze „zpravidla“ však implikuje možnost výjimek.
Moderní kancelářské a nyní obytné budovy obsahují mnoho systémů podpory života. Je obtížné si představit absenci ventilačních systémů, hasicích systémů, video dohledu, kontroly přístupu atd. Návrháři takových systémů se přirozeně obávají, že „jemná“ elektronika selže v důsledku blesku. Zároveň mezi odborníky vyvstávají určité pochybnosti o proveditelnosti spojení obrysů dvou typů uzemnění a vyvstává touha „v mezích zákona“ navrhnout elektricky nepropojené uzemnění. Je tento přístup možný a skutečně zlepší bezpečnost elektronických zařízení?
Proč je nutné kombinovat zemní smyčky?
Při úderu blesku do hromosvodu dojde ke krátkému elektrickému impulsu o napětí až stovek kilovoltů. Při takto vysokém napětí může dojít k průrazu mezery mezi hromosvodem a kovovými konstrukcemi domu včetně elektrických kabelů. Důsledkem toho bude vznik nekontrolovatelných proudů, které mohou vést k požáru, selhání elektroniky a dokonce i zničení prvků infrastruktury (např. plastového vodovodního potrubí). Zkušení elektrikáři říkají: “Dej blesku cestu, jinak si ho najde sám.” Proto je povinné elektrické uzemnění.
Ze stejného důvodu PUE doporučuje elektricky kombinovat nejen uzemnění umístěná ve stejné budově, ale také uzemnění geograficky blízkých objektů. Tento koncept se týká objektů, jejichž uzemnění je tak blízko, že mezi nimi není žádná zóna nulového potenciálu. Spojení několika uzemnění do jednoho se provádí v souladu s normami PUE-7, bod 1.7.55, spojením zemnících vodičů s elektrickými vodiči v počtu nejméně dvou kusů. Kromě toho mohou být vodiče buď přirozené (například kovové prvky konstrukce budovy) nebo umělé (dráty, pevné přípojnice atd.).
Jedno společné nebo samostatné uzemňovací zařízení?
Zemnící vodiče pro elektroinstalace a ochranu před bleskem mají různé požadavky a tato okolnost může způsobit určité problémy. Zemnící elektroda pro ochranu před bleskem musí v krátké době vybít do země velký elektrický náboj. Současně je podle „Pokynů k ochraně před bleskem RD 34.21.122-87“ konstrukce zemnící elektrody standardizována. Pro hromosvod jsou podle tohoto návodu nutné minimálně dva svislé nebo radiálně vodorovné zemnící vodiče, s výjimkou hromosvodu kategorie 1, kdy jsou potřeba tři takové kolíky. Proto jsou nejběžnější možností uzemnění hromosvodu dva nebo tři kolíky, každý o délce asi 3 m, spojené kovovým pásem zapuštěným alespoň 50 cm do země. Při použití dílů vyráběných společností ZANDZ je taková zemnící elektroda odolná a snadno se instaluje.
Uzemnění pro elektroinstalaci je úplně jiná věc. V normálním případě by neměla překročit 30 Ohmů a pro řadu aplikací popsaných v pokynech oddělení, například pro mobilní komunikační zařízení – 4 Ohmy nebo ještě méně. Takovými uzemňovacími elektrodami jsou kolíky dlouhé více než 10 m nebo i kovové desky umístěné ve velkých hloubkách (až 40 m), kde půda ani v zimě nezamrzá. Vytvořit takový hromosvod se dvěma nebo více prvky zakopanými v desítkách metrů je příliš nákladné.
Pokud parametry půdy a požadavky na odolnost umožňují jediné uzemnění v objektu pro hromosvody a uzemnění elektroinstalace, nic tomu nebrání. V ostatních případech se pro hromosvod a elektroinstalaci vyrábějí různé zemnící smyčky, které však musí být elektricky zapojeny, nejlépe v zemi. Výjimkou je použití některých speciálních zařízení, která jsou obzvláště citlivá na rušení. Například zařízení pro záznam zvuku. Takové zařízení vyžaduje samostatné, tzv. technologické uzemňovací zařízení, které je přímo uvedeno v návodu. V tomto případě je vyrobeno samostatné uzemňovací zařízení, které je připojeno k systému vyrovnání potenciálu budovy přes hlavní zemnící sběrnici. A pokud takové připojení není stanoveno v návodu k obsluze zařízení, jsou přijata zvláštní opatření, aby se zabránilo tomu, aby se lidé současně dotýkali uvedeného zařízení a kovových částí budovy.
Elektrické uzemnění
Obvod s několika elektricky propojenými zeměmi zajišťuje splnění různých, někdy protichůdných požadavků na uzemňovací zařízení. Podle PUE musí být uzemnění, stejně jako mnoho jiných kovových prvků budovy, stejně jako zařízení v ní instalované, spojeno systémem vyrovnání potenciálu. Vyrovnání potenciálu se týká elektrického spojení vodivých částí k dosažení stejného potenciálu. Existují hlavní a doplňkové systémy vyrovnání potenciálu. Zemnící spoje jsou připojeny k hlavnímu systému vyrovnání potenciálu, to znamená, že jsou vzájemně propojeny přes hlavní zemnící sběrnici. Vodiče připojující uzemnění k této sběrnici musí být zapojeny podle radiálního principu, to znamená, že jedna větev z uvedené sběrnice vede pouze k jedné zemi.
Pro zajištění bezpečného provozu celého systému je velmi důležité použít co nejspolehlivější spojení mezi uzemněním a hlavní zemnící sběrnicí, které nezničí blesk. Chcete-li to provést, musíte dodržovat normy PUE a GOST R 50571.5.54-2013 „Nízkonapěťové elektrické instalace. Část 5-54. Uzemňovací zařízení, ochranné vodiče a vodiče ochranného vyrovnání potenciálu“ s ohledem na průřez vodičů systému vyrovnání potenciálu a jejich vzájemné propojení.
Ani velmi kvalitní systém vyrovnání potenciálu však nemůže zaručit absenci napěťových rázů v síti při úderu blesku do budovy. Spolu s dobře navrženými zemnícími smyčkami vás tedy od problémů ušetří zařízení na ochranu proti přepětí (SPD). Taková ochrana je vícestupňová a selektivní povahy. To znamená, že na zařízení musí být instalována sada přepěťových ochran, jejichž výběr prvků není snadný úkol ani pro zkušeného odborníka. Naštěstí jsou k dispozici hotové sady SPD pro typické aplikace.
Závěry
Doporučení PUE o elektrickém připojení všech zemnících smyček v budově je oprávněné a při správné implementaci nejenže neohrožuje složitá elektronická zařízení, ale naopak je chrání. V případě, že je zařízení citlivé na rušení bleskem a vyžaduje vlastní samostatnou zemnící elektrodu, lze nainstalovat samostatné procesní uzemnění v souladu s manuálem dodaným se zařízením. Systém vyrovnání potenciálu, který kombinuje různé zemnící smyčky, musí zajistit spolehlivé elektrické připojení a do značné míry určuje celkovou úroveň elektrické bezpečnosti v zařízení, proto je třeba mu věnovat zvláštní pozornost.
Zde opět musíme vynechat pokyn SO-153-34.21.122-2003, který neobsahuje žádné specifické požadavky na uzemnění hromosvodu. Pokyn RD 34.21.122-87 formálně formuluje požadavky, které se však nevztahují na hodnotu zemního odporu, ale na konstrukci zemnících zařízení. U volně stojících hromosvodů hovoříme o základech podpěr hromosvodu nebo speciálním zemnícím vodiči, jehož minimální rozměry jsou na Obr. 7.
Obrázek 7. Minimální rozměry zemnící elektrody skládající se z vodorovného pásu a tří svislých tyčových elektrod podle RD 34.21.122-87
Norma neobsahuje žádné pokyny pro změnu velikosti elektrod v závislosti na odporu půdy. To znamená, že podle názoru zpracovatelů je standardní provedení považováno za vhodné pro jakoukoli půdu. Jak moc se změní jeho zemnící odpor R?gr, lze usoudit z vypočtených dat na Obr. 8.
Obrázek 8. Vypočítaná hodnota zemního odporu typické zemnící elektrody z instrukce RD 34.21.122-87
Změna hodnoty Rgr v rozmezí téměř 2 řádů lze stěží považovat za normalizaci. Ve skutečnosti norma neobsahuje žádné konkrétní požadavky na hodnotu zemního odporu a tato problematika si jistě zaslouží zvláštní pozornost.
Standard Transneft JSC nás překvapil tabulkou normalizovaných hodnot zemního odporu pro hromosvody (obr. 9), kterou kompilátoři kompletně zkopírovali z posledního vydání PUE, kde platí pro zemnící vodiče pro podpěry venkovního vedení 110 kV a výše. Přísné požadavky PUE jsou zcela pochopitelné, protože zemnící odpor podpěry venkovního vedení do značné míry určuje velikost bleskového přepětí na lineární izolaci. Důvody pro přenesení těchto požadavků na uzemnění hromosvodů nelze zjistit, zejména proto, že v půdách s vysokým odporem je obecně nelze realizovat žádnými rozumnými návrhy. Abychom to demonstrovali, na Obr. Obrázek 10 ukazuje výsledky výpočtu hromosvodové zemnící elektrody naprosto fantastické konstrukce. Jedná se o celokovovou konstrukci čtvercového průřezu, jejíž délka strany je naznačena na ose x. Byly vypočteny dvě možnosti – s hloubkou v půdě 3 a 10 m. Je snadné ověřit, že v půdě s měrným odporem ρ = 5000 Ohm m je normalizovaná hodnota 30 Ohm (RЗ/ρ = 0,006 m -1 ) bude vyžadovat zaplnění okolí základu hromosvodu kovem na více než 50×50 m. O nic lepší není situace s prodlouženou zemnící elektrodou. Za stejných podmínek je pro zajištění požadovaného zemního odporu potřeba horizontální sběrnice delší než 450 m.
Ekvivalentní specifické
odolnost půdy ρ, Ohm*m
Maximální povolený odpor
podpora uzemnění podle PUE, Ohm
Více než 100 až 500
Více než 500 až 1000
Více než 1000 až 5000
Obrázek 10. Posoudit možnosti splnění požadavků normy Transneft pomocí koncentrovaného uzemňovacího zařízení
Požadavky normy Gazprom jsou mimořádně specifické. Zemnící odpor volně stojícího hromosvodu pro stupně ochrany I a II by se měl rovnat 10 Ohmům v půdách s ρ ≤ 500 Ohm m. V půdách s vyšším odporem je povoleno použít zemnící vodiče, jejichž odpor je určeno jako
Vzhledem k obtížnosti výroby tak relativně nízkého zemního odporu norma doporučuje chemické ošetření nebo částečnou výměnu zeminy. Pozornost si zaslouží posouzení objemu doporučených prací v konkrétních podmínkách. Je to snadné provést pro nejjednodušší situaci se zaměřením na polokulovou zemnící elektrodu, jejíž potenciál ve dvouvrstvé půdě (bez ohledu na to, co bylo provedeno – chemie nebo mechanická výměna půdy) podle Obr. 11 se rovná
Obrázek 11. Posouzení zemního odporu ve dvouvrstvé zemině
Odkud pochází přesná hodnota zemního odporu?
V extrémním případě, kdy chemické ošetření nebo náhrada půdy byly tak účinné, že jejich odpor klesl téměř na nulu,
Výraz nám umožňuje odhadnout poloměr zpracování r zdola1. V uvažovaném příkladu je to přibližně 40 m, což odpovídá objemu půdy asi 134000 3 mXNUMX. Získaná hodnota nás nutí velmi vážně se zamyslet nad reálností plánované operace.
Obrázek 12. Zemnící odpor dvoupaprskové horizontální zemnící elektrody v závislosti na tloušťce vrchní upravené vrstvy půdy
Posouzení vede k podobnému výsledku pro jakoukoli jinou prakticky významnou konfiguraci zemnících elektrod, např. pro dvoupaprskový zemnící systém z horizontálních přípojnic o délce 20 m. Vypočtená závislost na Obr. 12 nám umožňuje vyhodnotit, jak se mění zemnící odpor takové konstrukce s odchylkami v tloušťce horní nízkoodporové vrstvy nahrazované zeminy. Potřebný zemnící odpor 20 Ohmů se zde získá při tloušťce upravené (nebo vyměněné) vrstvy 2,5 m. Je důležité pochopit, v jaké vzdálenosti od zemnící elektrody lze léčbu zastavit. Indikátorem je potenciál na zemském povrchu U(r). Změna měrného odporu přestane ovlivňovat výsledek, kde se potenciál U(r) stane mnohem menším než potenciál zemní elektrody UЗ = U(r).
2.2. Za jakým účelem je hromosvod uzemněn?
Nepovažujte prosím název sekce za triviální. Bleskosvody byly od svého vynálezu vždy uzemněné, jak jinak by mohly svádět bleskový proud do země. Moderní příručky říkají, že by měl být zajištěn uzemňovací odpor bezpečný odvod bleskového proudu. O jakém nebezpečí a bezpečnosti mluvíme? U frází se to nedá omluvit. Pravděpodobně stojí za to si ještě jednou připomenout nadzemní elektrické vedení. Zde zemní odpor určuje odporovou složku bleskových přepětí, která působí na řetězec izolátorů.
Bleskosvody nic takového nemají. Jejich hromosvod „bez problémů“ přijímá potenciál zemnících elektrod. Přítomnost konečného odporu uzemnění nijak neovlivňuje schopnost hromosvodu přitahovat blesk. Laboratoř se opakovaně pokoušela sledovat vliv zemního odporu na tento proces a pokaždé bezvýsledně. Vysvětlení je zde celkem jednoduché a zřejmé. Blesk nikdy neudeří do hromosvodu. Setkává se a přitahuje k sobě plazmový kanál protivýboje, který začíná od vrcholu hromosvodu v elektrickém poli bouřkového mraku a náboji již vznikajícího blesku. Tento kanál (nazývá se counter leader) se vyvíjí při proudu ne větším než desítky ampér. Úbytek napětí z takto slabého proudu na zemním odporu hromosvodu má malý význam ve srovnání s potenciálem řádově 10 7 -10 8 V, který je přenášen bleskem z bouřkového mraku. S uzemňovacím odporem 10, 20, 100 nebo 200 Ohmů totiž napětí na zemní elektrodě z proudu ~ 10 A stále nepřekročí ani 10 4 V – hodnota zanedbatelná ve srovnání s tím, co má blesk.
Samostatný hromosvod, jak je známo, se používá pouze za účelem eliminace šíření bleskového proudu kovovými konstrukcemi chráněného objektu. Právě pro tento účel se volí velmi specifické vzdálenosti od hromosvodu k objektu vzduchem a zemí. Předpokládejme, že jsou zvoleny správně a skutečně vylučují překrytí jisker. Proud však vstupuje do uzemňovací elektrody objektu a to v poměrně významném poměru, zejména když funkci jeho uzemnění plní základ chráněné konstrukce, který je poměrně velký. Vypočítané údaje na Obr. 14 znázorňují tento podíl v závislosti na vzdálenosti mezi uzemňovacími elektrodami. Na hromosvodu je vyroben v souladu s požadavky Instrukce RD 34.21.122-87 ve formě vodorovného pásu o délce 10 m se 3 svislými tyčemi po 3 m; základ objektu má rozměry 50×50 m a je zakopaný 3 m. Počítačové výpočty byly provedeny pro homogenní zeminu a pro případ, kdy je povrchová vrstva hlavní zeminy do hloubky 2,5 m nahrazena vysoce vodivou s hl. měrný odpor 50x menší. Je snadné ověřit, že izolační vzdálenost 5 m, předepsaná normou Transneft JSC, jen málo brání průniku bleskového proudu do objektu půdou, zvláště pokud je její vrchní vrstva vyměněna nebo chemicky ošetřena. Dokonce i na vzdálenost 15 m, normalizovanou standardem Gazprom OJSC, proud v zemnící elektrodě zařízení přesahuje 50 %.
Obrázek 14. Podíl bleskového proudu, který pronikl do uzemňovací elektrody objektu vodivým spojením s uzemňovací elektrodou hromosvodu, v závislosti na vzdálenosti mezi nimi
Zde je nutné ještě jednou zdůraznit, že jakákoliv úprava vrchní vrstvy zeminy snižující odpor uzemnění nejenže nezmenšuje vodivé spojení mezi hromosvodem a objektem, ale výrazně jej zpevňuje, čímž se zvyšuje podíl hromosvodu. proud rozvětvený do objektu.
Je čas znovu nastolit otázku cíle snížení zemního odporu. Zůstávají dva nedotčené aspekty problému – tvorba jiskrových kanálů a krokové napětí. První otázka bude diskutována níže ve speciální sekci. Co se týče krokového napětí, určitě záleží na provedení zemnícího vodiče hromosvodu a jeho zemnícím odporu. Výpočtové křivky na Obr. Obrázek 15 ukazuje dynamiku poklesu skokového napětí se vzdáleností od typické zemnící elektrody hromosvodu, předepsanou Instrukcí RD 34.21.122-87 (viz vysvětlení k Obr. 14).
2.3. Jak navrhovat
Sekce si opět klade za úkol splnit požadavky regulačních dokumentů bez neodůvodněných materiálových nákladů. To je o to důležitější, že hodnota zemního odporu hromosvodu má malý vliv na kvalitu vnější ochrany před bleskem. V žádném případě to přímo nesouvisí s nebezpečnými účinky blesku, které by mohly vést ke katastrofální situaci na tankovišti nebo jiném zařízení na zpracování uhlovodíkového paliva. Hlavně bych se opravdu rád vyhnul drahému chemickému ošetření nebo výměně velkých objemů zeminy a bez nich splnil požadavky průmyslových norem na ochranu před bleskem.
Zemnící elektrodu pro každý hromosvod je vhodné vytvořit samostatně pouze v půdách s nízkým odporem, kde se i standardní provedení z RD 34.21.122-87 ukazuje jako docela schopné. Například při doporučené délce horizontální sběrnice 12 ma 3 svislých tyčích po 5 m je zemnící odpor v půdě s měrným odporem ρ roven
To znamená, že při ρ ≤ 300 Ohm m vypočtená hodnota nepřekročí 20 Ohm. Při vyšším odporu půdy poskytují 4 vzájemně kolmé paprsky dobrý výsledek. Při délce 20 m je každý zemnící odpor roven
a instalace 5metrových vertikálních tyčí na koncích každého z nosníků snižuje tuto hodnotu na
Problém se stává vážným, když odpor půdy výrazně překročí 1000 Ohm*m. Zde je třeba upozornit na organizaci jediné zemnící smyčky pro všechny jednotlivé hromosvody. Vyplatí se opět obrátit na Obr. 4, který demonstruje ochranu tankoviště 3 kabely o délce 100 m, se vzdáleností mezi paralelními kabely 50 m. Kombinace jejich podpěr s vodorovnými přípojnicemi tvoří zemnící smyčku se dvěma články 100×50 m. Jeho zemní odpor při přípojnice jsou položeny do hloubky 0,7 m poskytuje
což umožňuje řešit problém v půdě s měrným odporem až 3000 Ohm*m i při dodržení požadavků normy Gazprom. Je vhodné poznamenat, že přídavné zařízení místního zemniče u každého hromosvodu nemá téměř žádný vliv na zemnící odpor vytvořeného obvodu jako celku. Tedy použití základové tyče s kovovou výztuží o délce 5 m a ekvivalentním poloměru 0,2 m jako místního uzemňovacího vodiče pro každý hromosvod (Rgr ≈ 0.1ρ [Ohm]) v systému 6 stojanů snížilo celkový odpor zemní smyčky pouze o 6 %. Důvod tak slabého vlivu spočívá v účinném stínění tyčí prodlouženými horizontálními sběrnicemi. Prodloužením vodorovných přípojnic spojujících podpěry hromosvodů lze i v půdě s měrným odporem 20 Ohmů dosáhnout uzemňovacího odporu cca 5000 Ohmů.
Čtenář má právo popis takových růžových vyhlídek přerušit a připomenout si, že dlouhá sběrnice svou indukčností pomalu vstupuje do procesu šíření pulzního proudu. Proti tomu nelze nic namítat. Ve prospěch navrhovaného řešení ale stále hrají minimálně dvě okolnosti. Za prvé, žádná ze zmíněných norem nevyžaduje žádné specifické hodnoty odporu pulsního uzemnění a zadruhé, v půdách s vysokým odporem je rychlost pronikání pulsního proudu do zemnící sběrnice poměrně vysoká, a proto je aktuální hodnota odporu uzemnění Rgr(t) = Ugr(t)/iM(t) rychle nabývá ustálené hodnoty řízené regulačními požadavky. Jako příklad na Obr. Obrázek 16 ukazuje vypočtenou dynamiku změn zemního odporu 200 m dlouhé sběrnice mezi podpěrami hromosvodu. Je akceptováno, že měrný odpor půdy je 5000 Ohm*m a její relativní dielektrická konstanta je 5 (při zohlednění tohoto parametru je důležité, když je kapacitní únik do půdy srovnatelný s vodivým únikem).
E. M. Bazelyan, doktor technických věd, profesor
Energetický institut pojmenovaný po G.M. Kržižanovskij, Moskva
Užitečné materiály:
- Série článků o ochraně před bleskem pro začátečníky
- Série webinářů o uzemnění a ochraně před bleskem s profesorem E.M. Bazelyan
- Prvky vnější ochrany před bleskem
- Konzultace při výběru, návrhu a montáži systémů uzemnění a ochrany před bleskem
