Uziomy pionowe stanowią obecnie podstawowy element wielu układów uziemiających. Nie wymagają dużej przestrzeni, nie są podatne na zmiany klimatyczne, w tym przemarzanie gruntu oraz sięgają warstw gruntu o niższej rezystywności.

Dzięki temu pozwalają na uzyskanie bardziej stabilnej w ciągu roku rezystancji uziemienia niż w przypadku uziomów poziomych. Wielu projektantów, a zwłaszcza wykonawców, nie jest jednak świadomych wielu właściwości tego typu elementów. Uziomy pionowe często są projektowane i pogrążane w sposób mało efektywny, co może prowadzić do zwiększenia kosztów inwestycji bez osiągnięcia zakładanego celu. W niniejszym artykule przedstawione zostaną podstawowe właściwości i przede wszystkim zalety uziomów pionowych.

Uziom pionowy w teorii

Wzory do obliczeń rezystancji uziemienia pojedynczego uziomu pionowego można znaleźć w wielu normach, standardach i publikacjach naukowych. Zestawienie dostępnych wzorów, z przykładowymi wynikami obliczeń przedstawiono w tablicy 1. Większość z podawanych zależności prowadzi do podobnych wyników, zbliżonych do rzeczywistych wartości otrzymywanych na podstawie pomiarów. Jedynie uproszczone zależności podane w [1] i [2] dają odbiegające i zaniżone wartości rezystancji.

Tablica 1. Zestawienie porównawcze wzorów na rezystancję uziemienia pojedynczego uziomu pionowego:

Do analiz opisanych w dalszej części artykułu przyjęto wzory podane w normie brytyjskiej BS 7430+A1-2015 Code of practice for protective earthing of electrical installations [6], która poza wzorem dla pojedynczego uziomu pionowego przedstawia także zależności dla układów liniowych złożonych z n-uziomów (Tablica 2.).

Tablica 2. Rezystancja uziemienia pojedynczego uziomu pionowego i układu liniowego:

Analizując wpływ poszczególnych współczynników na wartość rezystancji, zauważa się, że najbardziej istotne stanowią rezystywność gruntu ρ_v oraz długość uziomu L_V a dla układu złożonego z wielu uziomów także ich liczba n, oraz odległość między nimi s. Występująca w podanych zależnościach średnica pręta d, która zwykle wynosi od 14 mm do 20 mm, ma w praktyce znikomy wpływ na rezystancję uziemienia. Wybór uziomu pionowego pod kątem jego średnicy, powinien być dokonywany głównie ze względu na wymaganą wytrzymałość mechaniczną w danej lokalizacji (np. grunty skaliste) i okres eksploatacji.

Pomiar rezystywności gruntu

Rezystancja uziemienia w sposób liniowy zależy od rezystywności gruntu. W tablicy 3. przedstawiono zakresy rezystywności odpowiadające różnym rodzajom gruntu podane w normie zharmonizowanej PN-HD 60364-5-54 [1]. Jak można zauważyć, podane wartości maksymalne i minimalne dla tego samego gruntu mogą różnić się nawet kilkunastokrotnie. Nie powinno być zatem dopuszczalne przyjmowanie do obliczeń wartość rezystywności gruntu na podstawie takich tabel, ponieważ może prowadzić to do poważnych błędów projektowych. Z tego względu, do obliczeń projektowych należy przyjmować rzeczywistą wartość rezystywności gruntu, określoną na podstawie wyników pomiarów przeprowadzonych w miejscu, w którym ma być wykonana projektowana instalacja.

Tablica 3. Rezystywności odpowiadające rodzajom gruntu (wg. Tablica D.54.1 [1]):

Kolejnym istotnym argumentem za wykonywaniem pomiarów jest fakt, że mogą one być źródłem bardzo praktycznych informacji, szczególnie jeżeli zakłada się wykorzystanie uziomów pionowych. Bardzo często rezystywność gruntu jest zmienna na różnych głębokościach. Najczęściej głębsze warstwy gruntów charakteryzują się niższą wartością , dzięki czemu stosowanie uziomów pionowych jest bardziej efektywne i pozwala na uzyskanie niższych rezystancji uziemienia. Istotne jest zatem, aby pomiary wykonywać dla różnych głębokości w celu zbadania charakterystyki gruntu – proces ten nazywany jest sondowaniem geoelektrycznym.

W przypadku uziomów pionowych pomiar rezystywności gruntu ma szczególne znaczenie, ponieważ powinien być wykonany dla głębokości odpowiadającej projektowanej głębokości pogrążenia prętów. Przy zastosowaniu metody Wenera w układzie czteroelektrodowym (rys. 1.), która jest wykorzystywana w obecnie dostępnych przyrządach pomiarowych, głębokość pomiaru regulowana jest poprzez dobór odpowiedniego rozstawu a między sondami pomiarowymi.

Rys. 1. Idea pomiaru rezystywności gruntu metodą Wennera

W instrukcjach przyrządów pomiarowych oraz literaturze technicznej można spotkać różne metody wyznaczania odpowiedniej odległości a. Najprostsza metoda, sugerowana w literaturze zagranicznej [10], zakłada, że głębokość h, do jakiej wykonywany jest pomiar, odpowiada w przybliżeniu rozstawowi sond:

a = h   (3)

W instrukcjach niektórych z przyrządów pomiarowych podają z kolei zależność:

h ≈ 0,7a    (4)

Z kolei w [11] dla uziomów pionowych można spotkać uzależnienie rozstawu a od długości uziomu pionowego l oraz głębokości pogrążenia górnego końca uziomu t:

a = 1,25(t+l) (5)

Dla zobrazowania różnic wynikających ze stosowania poszczególnych metod, w tablicy 4. przedstawiono odległości a odpowiadające przyjętej głębokości sondowania h = 6 m oraz zmierzone wartości rezystywności gruntu.

Tablica 4. Wyniki pomiarów rezystywności gruntu dla określonych głębokości przy założeniu różnych metod doboru rozstawu między sondami pomiarowymi:

Należy zauważyć, że z metod (3), (4) i (5) wynikają bardzo zróżnicowane rozstawy między sondami a. Dla przyjętej głębokości sondowania h = 6 m wartości a w zależności od wybranej metody wynoszą od 6 m do 8,6 m. Otrzymane wyniki pomiarów rezystywności gruntu także różnią się w istotny sposób – maksymalna zmierzona wartość ρ w stosunku do wartości najmniejszej była wyższa aż o 50%.

Powstaje zatem pytanie, którą metodę należy przyjąć do pomiarów rezystywności gruntu. Przeprowadzone dalsze badania dla różnych głębokości sondowania oraz porównanie obliczonych na ich podstawie wartości rezystancji uziemienia z wartościami zmierzonymi dla uziomów pionowych o różnych długościach nie dały jednoznacznej odpowiedzi. Zatem przy braku jednoznacznego wskazania na którąkolwiek z opisanych metod najbardziej praktyczne wydaje się stosowanie metody najprostszej i założenie a = h. Przy uwzględnieniu głębokości układania uziomów poziomych t poniżej głębokości przemarzania gruntu, metodę tę można dodatkowo sprowadzić do zależności:

a = h = L_V + t    (6)

Należy także podkreślić, że bez względu na zastosowaną metodę doboru a, mierzymy rezystywność gruntu do określonej głębokości, a nie na określonej głębokości. Otrzymany wynik pomiaru w przypadku gruntów niejednorodnych jest uśrednioną wartością rezystywności gruntu nazywaną często rezystywnością zastępczą lub pozorną.

Zalety uziomów głębokich

W dalszej części artykułu analiza oparta będzie zarówno na obliczeniach teoretycznych na podstawie zależności (1) i (2), jak i rzeczywistych wynikach pomiarów rezystywności gruntu i rezystancji uziemienia przeprowadzonych na prostych układach uziomów pionowych.

W tablicy 5. przedstawiono wyniki pomiarów rezystywności gruntu przeprowadzonych na poletku doświadczalnym oraz obliczone i zmierzone wartości rezystancji uziemienia pojedynczego uziomu pionowego o długości L_V = 9 m. Przedstawiony przykład ma na celu podkreślenie dwóch bardzo ważnych i jednoznacznych wniosków. Po pierwsze, rezystywność gruntu może być zmienna na różnych głębokościach. Po drugie, do obliczeń uziomów pionowych konieczne jest uwzględnianie rezystywności gruntu zmierzonej dla głębokości odpowiadającej w przybliżeniu długości uziomu h = L_V. Istotne jest zatem nie tylko aby wykonać pomiary rezystywności gruntu, ale także to aby wykonać je dla odpowiednich głębokości. Jeżeli na etapie pomiarów nie jest znana długość uziomów, jaka będzie zakładana w projekcie, to należy przeprowadzić sondowanie dla różnych głębokości – najlepiej stanowiących wielokrotność długości pręta uziemiającego czyli 1,5 m. Błąd określenia rezystywności gruntu ρ przekłada się proporcjonalnie na błąd obliczenia rezystancji uziemienia R.

Tablica 5. Obliczenia rezystancji uziomu pionowego na podstawie pomiaru rezystywności gruntu:

Pomiar rezystywności gruntu w miejscu, w którym przewidziano wykonanie projektowanej instalacji, powinien być warunkiem koniecznym dla zatwierdzenia projektu układu uziemiającego.

Wyniki pomiarów przedstawione w tablicach 4. i 5. pokazują także, że przy stosunkowo niewielkich zmianach głębokości możliwa jest znacząca zmiana rezystywności gruntu. W przypadku wyników przedstawionych w tablicy 5. różnice zaledwie 3 m, powodowały spadek wartości rezystywności gruntu o około 30%. W tablicy 6. przedstawiono wyniki obliczeń oraz wyniki pomiarów rezystancji uziemienia pojedynczych uziomów pionowych pogrążanych na tym samym terenie na różne głębokości: 3m, 6 m i 9 m. W korzystnych warunkach glebowych, jakie występowały na poletku doświadczalnym, już pojedynczy uziom pionowy o długości 6 m pozwolił na zbliżenie się do wartości 10 Ω, stanowiącej najczęstsze kryterium stawiane układowi uziemiającemu. Zwiększenie długości uziomu o 3 m, stanowiące w praktyce wydłużenie uziomu zaledwie o dwa standardowe pręty o długości 1,5 m, pozwoliło na dwukrotne zmniejszenie rezystancji uziemienia i zbliżenie się do wartości 5 Ω.

Tablica 6. Rezystancja pojedynczego uziomu pionowego w zależności od głębokości pogrążenia:

Aby przedstawić korzyści wynikające z pogrążania uziomów pionowych na większe głębokości, w tablicy 7. przedstawiono porównanie dwóch ekwiwalentnych układów uziemiających bazujących na uziomach pionowych o różnych długościach. Przez układy ekwiwalentne należy tu rozumieć układy o zbliżonej wartości rezystancji uziemienia. Porównanie przedstawiono na bazie obliczeń teoretycznych według zależności (1) i (2) dla rzeczywistych zmierzonych wartości rezystywności gruntu. Założeniem przedstawionych wyników było sprawdzenie, ile prętów uziemiających będzie potrzebnych do uzyskania podobnej wartości rezystancji uziemienia poprzez pogrążanie uziomów pionowych o różnych głębokościach.

Jako układ odniesienia przyjęto opisany w tablicy 7. pojedynczy uziom pionowy o długości L_V = 6 m. Według wzoru (1) rezystancja uziemienia takiego uziomu przy ρ_V = 48,9 Ωm wynosi R₁ = 9,24 Ω. Aby uzyskać zbliżoną wartość rezystancji uziemienia, według wzoru (2), za pomocą układu bazującego na uziomach pionowych o długości zaledwie L_V = 3 m (przy rezystywności ρ_V = 86,6 Ωm gruntu na głębokości h = 3 m) wymagałoby to pogrążenia 4 uziomów pionowych. W pierwszej kolejności widać zatem większe koszty materiałowe takiego układu (8:4 w stosunku liczby prętów, przewód na uziom poziomy oraz elementy łączące), należy jednak wziąć pod uwagę także koszt dodatkowych prac ziemnych na ułożenie przewodu poziomego oraz znacznie dłuższy czas wykonania takiego układu.

Tablica 7. Porównanie ekwiwalentnych układów uziemiających
bazujących na uziomach pionowych o różnych długościach:

Otrzymane wyniki jednoznacznie wskazują korzyści wynikające z pogrążania uziomów na większe głębokości:

• niższe warstwy gruntu charakteryzują się najczęściej niższą rezystywnością;
• zwiększenie długości uziomu redukuje wartość rezystancji uziemienia;
• stosowanie uziomów głębokich pozwala na ograniczenie kosztów materiałowych;
• uziomy głębokie pozwalają na ograniczenie czasu i zakresu wykonywanych prac.

Podsumowanie

Uziomy pionowe powinny stanowić podstawę układu uziomów. Pogrążane na głębokości poniżej warstw podlegających wpływom warunków środowiskowych zapewniają stabilną w ciągu roku wartość rezystancji uziemienia. Uziomy pionowe sięgają najczęściej warstw gruntu o niższych wartościach rezystywności, umożliwiając uzyskanie niskiej wypadkowej rezystancji uziemienia.

Stosowanie uziomów głębokich może zapewnić znaczące oszczędności w postaci kosztów materiałowych, zakresu wykonywanych prac i wymaganej powierzchni terenu pod układ uziomów.

Analizy przedstawione w niniejszym artykule dowodzą ponadto, że przy projektowaniu, pomiar rezystywności gruntu jest warunkiem koniecznym i powinien dodatkowo być wykonywany jako sondowanie geoelektryczne dla różnych głębokości w celu zbadania charakterystyki gruntów.

Więcej informacji o uziomach pionowych w kolejnej publikacji.

Literatura

1. PN-HD 60364-5-54: 2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia — Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego — Układy uziemiające i przewody ochronne
2. Wołkowiński K.: Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych. WNT, Warszawa, 1967
3. PN-EN 50522: 2011 Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu przemiennego o napięciu wyższym od 1 kV
4. PN-EN 50341-1:2013-03 Elektroenergetyczne linie napowietrzne prądu przemiennego powyżej 1 kV — Część 1: Wymagania ogólne — Specyfikacje wspólne
5. Markiewicz H., Klajn A., Uziemienia i EMC. Układy uziomowe – Podstawowe zagadnienia konstrukcyjne. Polskie Centrum Promocji Miedzi, Wrocław 2004
6. BS 7430+A1-2015 Code of practice for protective earthing of electrical installations
7. IEEE-80-2013 IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding
8. IEEE-142-2007 IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems
9. MIL-HDBK-419A Grounding, bonding, and shielding for electronic equipments and facilities volume 1 of 2, 1987
10. IEEE Std 81 IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, And Earth Surface Potentials of a Ground System; ASTM, Standard Test Method for Field Measurement of Soil Resistivity Using the Wenner Four-Electrode Method, 2012
11. Jabłoński W.: Rezystywność obliczeniowa gruntu jako podstawa obliczania największej rezystancji uziemienia ochronnego. Biuletyn SEP INPE, nr 112-113, 2009

T. Maksimowicz, “Układy uziomów pionowych – praktyczne właściwości w dążeniu do uzyskania niskiej wartości rezystancji uziemienia”, www.rst.bialystok.pl, Dla projektanta, Listopad 2019