Obecnie na rynku dostępne są dwa podstawowe rodzaje uziomów pionowych, różniące się sposobem łączenia kolejnych prętów: kute i z gwintem. Od rodzaju konstrukcji w dużej mierze zależą możliwości pogrążania uziomów na określone głębokości. Właściwości obu typów opisane zostaną na przykładzie produktów CBM Technology – polskiego producenta uziomów pomiedziowanych.

Uziomy pionowe to podstawowy element wielu układów uziemiających. O ich zaletach pisaliśmy w poprzednim artykule: Uziom pionowy: Jak uzyskać niską rezystancję uziemienia? Dziś omówimy bliżej konstrukcję uziomu oraz odpowiemy sobie na pytanie: W jaki sposób efektywnie pogrążać kolejne uziomy pionowe?

Uziomy kute charakteryzują się przede wszystkim prostotą konstrukcji. Pręt z jednej strony zakończony jest bolcem, a z drugiej otworem – wpustem, stąd też często nazywane są one uziomami łączonymi metodą bolec-wpust. Kształt bolca uziomów marki CBM nadawany jest w procesie kucia na zimno, a nie poprzez frezowanie, przez co jest on utwardzany i uzyskuje zwiększoną wytrzymałość mechaniczną. Dzięki tej technologii uziom kuty nie wymaga stosowania dodatkowych grotów na pierwszym pogrążanym pręcie. Jakość połączenia podwyższa dodatkowo wykonana ze stali nierdzewnej tuleja, która uszczelnia i wzmacnia połączenie kolejnych prętów. Tuleja dostarczana jest z każdym prętem kutym. Jej dodatkową zaletą jest zapewnienie minimalnej średnicy na całej długości uziomu pionowego. Przekrój takiego połączenia przedstawiony jest na rysunku 1.a. Pręty kute do pogrążania wymagają dodatkowo trzpienia i stabilizatora. Zadaniem trzpienia jest przeniesienie sił pogrążających z bijaka na uziom, stabilizator natomiast zapewnia, że siły te są przenoszone w osi pręta, dzięki czemu pogrążanie jest bardziej efektywne.

Konstrukcja uziomów z gwintem jest bardziej złożona. W skład takiego uziomu pionowego wchodzą pręty zakończone na obu końcach gwintem, mosiężne złączki oraz grot. Długości złączek oraz gwintów na prętach muszą być odpowiednie, aby po skręceniu pręty stykały się idealnie powierzchniami czołowymi jak na rysunku 1.b. Tylko wtedy siły pogrążające przenoszone są poprzez pręty. Brak takiego kontaktu powodować będzie przenoszenie sił poprzez złączki, co może doprowadzić do ich uszkodzenia. Złączka powinna ponadto osłaniać na całej długości gwinty na prętach, aby zapobiec uszkodzeniu na nich powłok ochronnych. Zaostrzony grot, wykonany z utwardzonej stali, ma na celu ułatwienie przebijania warstw gruntu. Do pogrążania uziomów z gwintem niezbędna jest dodatkowa złączka oraz wkręcana w nią głowica, która podobnie jak trzpień w uziomach kutych, przenosi siły pogrążające z młota udarowego.

Pod kątem pogrążania uziomów pionowych na duże głębokości, decydujące znaczenie ma system łączenia prętów. Uziomy kute, mogą być pogrążane typowo do głębokości około 10…15 m wyłącznie w korzystnych warunkach glebowych podczas gdy uziomy z gwintem mogą być pogrążane do głębokości nawet powyżej 20 m. Wytrzymałość połączenia typu bolec-wpust charakteryzuje się zdecydowanie mniejszą wytrzymałością mechaniczną niż połączenie za pomocą gwintowanej złączki, które pozwala na przenoszenie większych sił pogrążających. Dodatkowo złączka o średnicy większej niż średnica pręta, powoduje powstawanie tunelu, w który wprowadzany jest uziom pionowy. Powstały tunel zmniejsza siły oporu oddziałujące na powierzchnie boczne prętów. Teorie, że rezystancja takiego uziomu zmierzona bezpośrednio po jego pogrążeniu jest wyższa niż zmierzona po kilku dniach, dotyczy w praktyce wyłącznie uziomów o długościach do kilku metrów. W przypadku uziomów głębokich pierwszy pręt, który dociera najczęściej do warstw gruntów o najniższej rezystywności, ma decydujący wpływ na wypadkową wartość rezystancji uziemienia.

Pręty kute dostępne są wyłącznie w standardowej długości 1,5 m, natomiast uziomy z gwintem, dzięki większej wytrzymałości połączenia dostępne są w wykonaniu o długości nawet 3 m. Takie rozwiązanie stosowane jest między innymi w grupach energetycznych. Uziomy kute zalecane są zatem tam, gdzie występują korzystne warunki glebowe i uziomy będą pogrążane na głębokości do 9…12 m. W przypadku gruntów twardych, gdzie występują złoża glin, margle, skałki lub gdy nie są znane warunki glebowe zastosowanie znajdują uziomy z gwintem.

Układy uziomów pionowych – wpływ odległości między prętami

Warunki glebowe, pod kątem rezystywności gruntu, często bywają znacznie mniej korzystne niż przedstawione powyżej wyniki pomiarów. W związku z tym, do uzyskania wymaganej wartości rezystancji uziemienia konieczne jest często projektowanie i wykonanie układu złożonego z więcej niż jednego uziomu pionowego. Często w celu redukcji rezystancji uziemienia, pogrąża się (lub projektuje) kolejne uziomy pionowe. Znajdujące się obok siebie uziomy oddziałują na siebie, dlatego, aby uzyskać optymalną rezystancję uziemienia, wynikającą z ich połączenia należy zachować między nimi odpowiednią odległość. Pogrążanie uziomów pionowych zbyt blisko siebie jest mało efektywne. W różnych źródłach można spotkać zalecenia, aby ta odległość była równa co najmniej długości uziomów pionowych (z ograniczeniem do s_max = 10 m). Kwestię tę poddano analizie na podstawie przykładowych obliczeń według wzoru (2).

Na rysunku 2. przedstawiono przykładowe wyniki obliczeń, wypadkowej rezystancji uziemienia układu składającego się z dwóch uziomów pionowych (n = 2) o długości L_V w funkcji odległości s między uziomami. Dla uproszczenia przyjęto dla wszystkich przypadków stałą rezystywność gruntu ρ_V = 100 Ωm. Wykres ten potwierdza teorię, że zwiększenie odległości między uziomami pionowymi ogranicza ich wzajemne oddziaływanie, zmniejszając tym samym wypadkową wartość rezystancji uziemienia. Obserwując wyniki, może jednocześnie nasuwać się pytanie, czy zwiększanie odległości do zalecanej wartości s = L_V jest konieczne lub, czy jest opłacalne?

Wypadkowa rezystancja uziemienia n uziomów pionowych, jako połączenie równoległe, w teorii przy s dążącym do nieskończoności powinna być n razy mniejsza od rezystancji pojedynczego uziomu (rys. 3.). Z kolei zmniejszając odległość s, wypadkowa rezystancja uziemienia powinna dążyć do wartości odpowiadającej dla pojedynczego uziomu.

Wartości liczbowe z wykresu przedstawionego na rysunku 3. dla wybranych odległości s zawarto w tablicy 1.

Tablica 1. Wypadkowa rezystancja uziemienia układu dwóch uziomów pionowych w funkcji odległości s między nimi (L_V = 6 m, n = 2, ρ_v = 100 Ωm)

Przeprowadzona szczegółowa analiza wskazuje, że w przypadku uziomów pionowych o długościach L_V ≤ 9 m, największe zmiany wypadkowej rezystancji uziemienia zachodzą w zakresie s nieprzekraczających 4 m. Dla odstępów powyżej 4…5 m redukcja rezystancji uziemienia jest już względnie mała. Warunek s = L_V może być z pewnością zalecany w przypadkach, w których konieczne jest uzyskanie bardzo małej wartości rezystancji uziemienia, zbliżonej do wartości 1 Ω. Natomiast tam, gdzie występują problemy z dostępnością przestrzeni pod wykonanie układu uziomów optymalnym odstępem wydaje się s = 4 m.

Obliczenia efektywnego odstępu między uziomami pionowymi

Maksymalna redukcja rezystancji uziemienia, jaką można uzyskać z rozbudowy układu uziemiającego poprzez pogrążanie kolejnych uziomów pionowych wynosi zatem teoretycznie:

Funkcję R_n po przekształceniach można doprowadzić do postaci:

Funkcja f(s), przy założonych stałych wartościach n i L_V określa zatem zależność wypadkowej rezystancji uziemienia R_n układu uziomów pionowych, w odniesieniu do rezystancji R₁ pojedynczego uziomu pionowego, w funkcji odstępu s.

Na podstawie zależności f(s) oraz ΔR możliwe jest zdefiniowanie współczynnika wykorzystania odległości dR:

Wartość współczynnika wykorzystania dR określa procentową redukcję wypadkowej rezystancji w odniesieniu do ΔR. Przy s dążącym do nieskończoności wartość dR dąży do 100% co odpowiada sytuacji, w której uzyskuje się minimalną wartość wypadkowej rezystancji uziemienia, jaką można uzyskać dla danego układu uziomów. Jest to jednak sytuacja czysto teoretyczna, w rzeczywistych warunkach uziomy pionowe zawsze będą na siebie oddziaływać. Analiza dR pozwala jednak na wyznaczenie odległości s, przy której można uzyskać optymalne warunki układu uziemiającego.

Na rysunku 4. przedstawiono zależności dR(s) dla różnych długości uziomów pionowych L_V i ich liczby n. Otrzymane wyniki wskazują, że dla uzyskania 80% z maksymalnej możliwej redukcji wypadkowej rezystancji uziemienia odstęp między uziomami pionowymi powinien wynosić w przybliżeniu s = 0,4L_V. Wartość dR = 90% uzyskiwana jest w przybliżeniu w warunkach s = 2/3 L_V. W przypadku uziomów pionowych o długościach L_V ≤ 9 m, skuteczność układów na poziomie powyżej 80 % uzyskuje przy odstępach nie przekraczających 4 m.

Przekształcając zależność dR(s) otrzymujemy zależność, z której możliwe jest wyznaczenie optymalnej odległości s przy zakładanym współczynniku wykorzystania dR:

Często można spotkać się z zaleceniami, że odległość między uziomami pionowymi powinna być równa co najmniej ich długości s = L_V. W takich warunkach rzeczywiście uzyskuje się wysoki współczynnik dR > 90%. Należy jednak rozważyć, czy dążenie do takich warunków jest opłacalne biorąc pod uwagę koszty związane z pracami ziemnymi, koniecznymi do ułożenia przewodu poziomego łączącego pręty pionowe. Często istotnym kryterium jest także dostępność powierzchni, co może mieć decydujące znaczenie szczególnie w energetyce przy budowie słupów SN, WN czy polowych stacji transformatorowych, gdzie wykonawcy mają ograniczoną przestrzeń na rozbudowę układów uziemiających w celu uzyskania wymaganej wartości rezystancji uziemienia. Warunek s = L_V może być z pewnością zalecany w przypadkach, w których konieczne jest uzyskanie bardzo małej wartości rezystancji uziemienia, zbliżonej do wartości 1 Ω.

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.

Rozmieszczenie uziomów pionowych powinno być zaprojektowane w sposób optymalny z uwzględnieniem wymaganych odstępów między poszczególnymi prętami w zależności od ich długości oraz dostępności terenu pod wykonanie instalacji.

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

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