Prvky distribučních sítí 05: Uzemnění

4.5.4

Prvky distribučních sítí 05: Uzemnění

Doc. Ing. Petr Toman, Ph.D. a kolektiv autorů

Uzemnění je, podle definice z [15], provedení nutných spojení, aby určené místo přístroje, zařízení nebo sítě bylo udržováno pokud možno na potenciálu země. Účelem uzemnění je:

• udržovat na potenciálu země nějakou část elektrického obvodu,

• umožňovat funkci elektrických strojů, přístrojů a zařízení nebo jí napomáhat,

• chránit elektrické stroje a zařízení před účinky přepětí a velkých proudů,

• svést atmosférické proudy a omezit přepětí,

• chránit lidi a zvířata před úrazem elektrickým proudem při dotyku neživých částí.

Rozeznáváme dva základní typy uzemnění:

Pracovní uzemnění – trvalé nebo přechodné spojení se zemí části elektrického zařízení, které patří k proudovému obvodu, jímž se má zabránit škodlivému vzrůstu napětí nebo přepětí (uzemnění uzlu transformátoru, uzemnění středního vodiče nebo uzemnění svodičů přepětí).

Ochranné uzemnění – spojení se zemí neživých částí elektrických zařízení, jímž se má zabránit vzniku nebezpečného napětí na těchto částech.

Uzemnění může sloužit současně jako ochranné i pracovní nebo se mohou provádět samostatně.

Návrh uzemnění a uspořádání zemničů vychází ze stanovených parametrů

uzemnění, kterými jsou:

• požadovaný zemní odpor,

• přípustné napětí na uzemňovací soustavě,

• přípustné dotykové a krokové napětí,

• proudová zatížitelnost,

• mechanická a korozní odolnost.

 NahoruTeorie uzemnění

Základem pro výpočet jednotlivých parametrů zemniče je teorie vstupu elektrického proudu do země a jeho šíření zemí. Důležitou hodnotou pro výpočet je rezistivita půdy ρ, která se obvykle považuje za konstantní veličinu, odpovídající homogennímu půdnímu prostředí. V některých případech lze heterogenní půdní prostředí nahradit více horizontálními vrstvami o různých hodnotách rezistivity.

Nejjednodušším příkladem výpočtu je proudové pole polokulové elektrody na povrchu země. Odtéká-li z povrchu polokoule do země proud I [A], je v zemi ve vzdálenosti x [m] od středu polokoule proudová hustota ρ [Am^-2] (5.29).

a při rezistivitě půdy ρ [Ωm] je ve vzdálenosti x od středu elektrody intenzita elektrického pole E [Vm^-1] (5.30):

napětí U [V] mezi povrchem r a místem o vzdálenosti x (5.31):

a celkové napětí na takovém zemniči U0 (celkový potenciál elektrody) (5.32):

Obr. 5.16: Polokulová elektroda, z jejíhož povrchu odtéká do země proud I

Zemní odpor R [Ω] polokulové elektrody je

Rozdíl potenciálu, který člověk překlene při kroku je krokové napětí U_k – jeho hodnota závisí na vzdálenosti x od středu elektrody a délce kroku s (obvykle se předpokládá 1 m), viz vztah (5.34):

Maximální krokové napětí U_{k max} je ve vzdálenosti x = r + s/2 od středu zemniče. Pokud uvažujeme, že délka kroku je 1m odpovídá toto napětí zároveň definici dotykového napětí (5.35):

 NahoruOdpor a rozložení povrchového potenciálu typických provedení uzemnění

Jednoduché povrchové uzemňovací elektrody jsou kovové tyče, pasy nebo trubky umístěné pod povrchem země v dané hloubce h, jak ukazuje Tab. 5.6. Obvykle délka těchto elementů l je mnohem větší než h. Povrchový potenciál těchto jednoduchých elektrod lze odvodit obdobným způsobem jako v případě polokulové elektrody. V praxi se pro výsledné vztahy používá zjednodušených vztahů, které jsou uvedeny v Tab. 5.6 zároveň s podmínkami pro jejich použití.

Tab. 5.6: Zemní odpor jednoduchých zemničů

 NahoruSoustavy zemničů

Vodorovné zemniče

V praxi se často setkáváme se soustavou zemničů, zejména při uzemňování venkovních rozvoden nebo větších rozvodných objektů. Zemnící soustava může být provedena například jako několik vodorovných, rovnoběžně uložených zemnících vodičů, které jsou na obou koncích propojeny. Předpokládáme-li rozmístění zemních tyčí kruhového průřezu r_o a délky l při vzdálenosti sousedních tyčí a tak, jak je uvedeno na Obr. 5.17, lze vyšetřit potenciál této soustavy, do které je přiveden proud I. Ten se rozdělí na dílčí proudy jednotlivých tyčí I₁, I₂,..., I_n. Rozdělení proudů řešíme za předpokladu, že celkový proud I přivádíme do středu soustavy a protože rozměry tyčí i jejich vzájemné vzdálenosti jsou stejné a rovněž vodivost půdy předpokládáme konstantní, budou dílčí proudy rozděleny symetricky ke středu soustavy.

Nejprve vyšetříme potenciály jednotlivých zemnících tyčí. Potenciál každého zemniče se bude skládat z vlastního potenciálu, vytvořeného vlastním proudem a z potenciálu vyvolaného na něm proudem odtékajícím ostatními zemniči.

Obr. 5.17: Soustava vodorovných zemničů

(5.36):

Potenciálové koeficienty jsou určeny jako zemní odpor drátového zemniče uloženého na povrchu a jsou stejně jako dílčí proudy symetrické (5.37):

Soustavu lze tedy zjednodušit dosazením proudů podle uvedených rovnic (5.38):

a díky symetrii koeficientů je patrné, že n-tý řádek je stejný jako první, n-1 je stejný jako druhý atd. Soustava n rovnic se redukuje na n/2 pro sudý počet rovnic a na (n+1)/2 pro lichý počet rovnic.

Řešením této soustavy rovnic stanovíme poměr proudů v jednotlivých tyčích a z tohoto poměru pak jednotlivé dílčí proudy jako podíl celkového proudu I přivedeného do zemniče. Z poměru rozdílu potenciálů a přiváděného proudu lze také učit přechodový zemní odpor uvažované soustavy.

Jde-li o rozsáhlou mřížovou zemní síť je již velmi obtížné stanovit vztah pro výpočet zemního odporu exaktně. Zemní odpor mřížové sítě se proto určuje vztahem zjednodušeným (5.39):

ve kterém je prvním členem určen zemní odpor plné desky o ploše kruhu s průměrem D a druhý vyjadřuje odchylku odporu vlivem různé hustoty sítě, kde l je celková délka všech vodičů sítě. Pro nekonečně hustou síť se ρ/l blíží nule a odpor přechází v odpor plné desky.

Svislé tyčové zemniče

Často bývá zemnící soustava rozvoden či elektrických stanic menšího rozsahu tvořena nebo doplněna soustavou svislých tyčových elektrod zaražených do země. Odpor jednoho tyčového zemniče délky l a průměru d – z Tab. 5.6 (5.40):

Budou-li zemniče uspořádány tak, že vzdálenosti mezi nimi budou značné, pak se teoreticky nebudou vzájemně ovlivňovat a celkový odpor soustavy n tyčových zemničů bude (5.41):

Prakticky se svislé tyčové zemniče ukládají v menších vzdálenostech, takže se svými poli ovlivňují a tím se zmenšuje účinný průřez země, kterým se proud rozptyluje. V důsledku toho se odpor celé soustavy zvětšuje. Skutečný zemní odpor soustavy bude

kde

je koeficient využití soustavy.

Výsledný potenciál každé k–té svislé elektrody je dán potenciálem vlastním a potenciálem způsobeným ostatními n-1 elektrodami (5.43):

Obr. 5.18: Uspořádání tyčových zemničů do n - úhelníka

Vzdálenost a_mk mezi elektrodami bude v uspořádání elektrod do pravidelného n-úhelníka o poloměru r podle Obr. 5.18 (5.44):

a výsledný potenciál k-té elektrody určíme jako (5.45):

Protože všechny tyče jsou propojeny, budou jejich potenciály stejné V₁ = V₂ = ... = V_k = ... = V_n = U_o a výsledný odpor soustavy bude (5.46):

(5.47):

kde

a hodnoty f(n) pro různý počet tyčí a tedy pro různý počet stran n-úhelníka jsou uvedeny v Tab. 5.7.¹

Tab. 5.7: Hodnoty f(n) pro různý počet tyčí

Činitel využití soustavy pak můžeme vyjádřit jako (5.48):

V praxi se pro výpočet zemního odporu soustavy tyčových zemničů spojených paralelně páskovým zemničem používá jednodušší vztah a činitel využití soustavy trubkových nebo tyčových zemničů (η₁) je stanoven z grafu v² na základě jejich počtu n, délky l a jejich vzájemné vzdálenosti a (5.49):

kde

je zemní odpor jednoho tyčového (trubkového) zemniče (Tab. 5.6 zjednodušený vztah),

je zemní odpor spojovacího páskového zemniče (Tab. 5.6 zjednodušený vztah),

l je délka tyče,

l_o je délka spojovacího pásku,

ρ je rezistivita půdy,

η₁ je činitel využití soustavy tyčových zemničů,

η₂ je činitel využití soustavy tyčí a spojovacího pásku. Pokud není stanoveno jinak, používá se hodnota η₂ = 0,9.

 NahoruMěření rezistivity půdy

Rezistivitu půdy je třeba měřit v hloubce, v níž se ukládají zemniče. Pro stanovení zemního odporu rozsáhlých zemničů, jako jsou uzemňovací sítě venkovních rozvoden, však není tato hodnota zcela směrodatná, liší-li se vodivosti spodních vrstev od horních. Z takového zemniče odtéká proud široce do země jako z mohutného tělesa a na odpor má proto vliv vodivost i hluboko položených vrstev. Zde je třeba určit střední rezistivitu půdy do hloubky srovnatelné s celkovými rozměry zemniče a tedy zpravidla do hloubky několika desítek metrů.

Měření rezistivity půdy pomocí čtyř elektrod označujeme jako geoelektrické měření. Užívá se metoda Schlumbergerova a Wennerova. Obě jsou velmi podobné a liší se jen vzájemnou konfigurací elektrod a z toho plynoucího odlišného vyhodnocení. Metoda Wennerova je více používaná a je uvedena i v³. Princip uspořádání elektrod a zapojení přístroje pro měření rezistivity touto metodou je uvedeno na Obr. 5.19. Jako elektrody se použijí tyče o průměru 15 až 20 mm, zaražené v jedné přímce do hloubky 20 cm v rozestupu a. Proudové elektrody (vnější) se připojí na svorky C1 a C2 a potenciálové (vnitřní) na svorky P1 a P2. Rozestup elektrod a se postupně zvětšuje podle požadované hloubky měření a měření se provede na několika místech.

Obr. 5.19: Uspořádání tyčových zemničů do n - úhelníka

Rezistivita půdy ρ v Ωm se vypočítá ze vztahu (5.50):

ρ = 2πaR,

kde

R je naměřený odpor [Ω]

a je vzdálenost mezi elektrodami [m]

Tento vztah platí za předpokladu, že hloubka elektrod h je mnohem menší než rozestup elektrod a. Je-li nutné elektrody zarazit do větší hloubky, aby byl dosažen požadovaný zemní odpor elektrod (zpravidla v půdách s velkou rezistivitou) je třeba vynásobit výslednou hodnotu konfigurační konstantou podle Tab. 5.8.

Tab. 5.8: Konfigurační konstanta k

Takto stanovenou rezistivitu považujeme za střední rezistivitu půdy do hloubky rovné rozestupu elektrod a.

Pro navrhování jednoduchých zemničů postačuje určit rezistivitu půdy tak, že se změří zemní odpor tyče nebo trubky o průměru 20 mm zaražené do hloubky

0,8 m. Tento naměřený zemní odpor se číselně rovná rezistivitě půdy.

Vliv kolísání rezistivity v závislosti na ročním období se eliminuje tak, že se naměřené hodnoty vynásobí koeficientem K podle grafu uvedeném v⁴.

 NahoruMěření zemního odporu uzemnění

Metoda potenciálového spádu

Metoda potenciálového spádu je vhodná pro měření zemních odporů zemničů s menší rozlohou, se zemním odporem větším než 0,5 . Jedná se o jednotlivé tyčové nebo paprskové zemniče, uzemnění stožárů, nebo uzemnění malých distribučních trafostanic.

Přesnost měření ovlivňuje zejména:

a) vzdálenost proudové CE elektrody od měřeného uzemnění Obr. 5.20a

• pro jednoduché zemniče do délky 40m se požaduje vzdálenost proudové elektrody - l_CE alespoň 40m kolmo na delší rozměr zemniče,

• pro složitý zemnič nebo zemnící síť musí být l_CE alespoň čtyřnásobek největšího rozměru nebo úhlopříčky zemniče,

b) rozmístění proudové CE a potenciálové PE elektrody Obr. 5.20b

 střed měřeného uzemnění a elektrod PE a CE leží na přímce, přičemž platí, že vzdálenost l_PE = 0,625.l_CE (minimálně 20 m)⁵,

 střed měřeného uzemnění a měřící elektrody tvoří vrcholy rovnoramenného trojúhelníka, přičemž l_PE = l_CE,

c) vlastní a vzájemná indukčnost přívodů k měřícím elektrodám a kapacita souběhu přívodů - pro vyloučení chyby při souběhu cca 500m stačí, jsou- li vodiče k elektrodám položeny ve vzdálenosti alespoň 50 cm,

d) vliv cizích zemničů a rušivých polí - měřící elektrody musí být umístěny mimo potenciální pole jiných zemničů.

Obr. 5.20: Potenciálová metoda pro měření zemních odporů zemničů – rozmístění elektrod

Během měření je nutno odpojit zemní lana nebo jiná propojení s dalšími zemniči. Pokud to není možné, lze pro měření použít vysokofrekvenční měřič. Frekvence napětí přiloženého na proudových elektrodách musí být dostatečně velká, aby impedance zemního lana a sousedních stožárů na této frekvenci představovala velkou impedanci a nezkreslovala měřený zemní odpor.

Proudová metoda

Tato metoda je určena k měření zemního odporu velkých uzemňovacích soustav. Její podstata spočívá v měření úbytku napětí na uzemnění, který vyvolá vnucený zkušební proud. Zdroj proudu se zapojí mezi měřené uzemnění a vzdálený zemnič - elektrodu CE. Zemnící lana a pláště kabelů se v tomto případě neodpojují. Napětí se měří voltmetrem s velkým vnitřním odporem, zapojeným mezi měřené uzemnění a elektrodu PE. Zemní odpor se stanoví z podílu napětí a proudu. Napájecí zdroj se připojí k měřenému uzemnění v blízkosti uzemnění uzlů transformátorů. Jako proudové elektrody se použije uzemnění sousední elektrické stanice.

Obr. 5.21: Měření odporu uzemnění proudovou metodou⁶

Zemní odpor se stanoví ze vztahu (5.51):

kde

U_m je naměřená hodnota napětí [V],

I_m je měřící proud [A],

r je redukční činitel vedení použitého k elektrodě CE [-].

 NahoruNapětí na uzemňovací soustavě

Napětí na uzemňovací soustavě se stanoví buď měřením a přepočtem na zkratový proud nebo jako součin zemního odporu a jednofázového zkratového proudu (5.52):

kde

U_m je naměřená hodnota napětí [V],

I_m je měřící proud [A],

I_k je počáteční proud…