“Rynek fotowoltaiki w Polsce rozwija się niezwykle dynamicznie. Jako producent ograniczników przepięć odpowiadamy na potrzeby naszych klientów i tym samym wzmacniamy naszą pozycję konkurencyjną w stosunku do międzynarodowych koncernów w zakresie ochrony instalacji PV” – mówi Michał Zielenkiewicz, prezes firmy RST Sp. z o.o. W Polsce i na świecie coraz więcej inwestorów instytucjonalnych i prywatnych decyduje się na inwestycję w fotowoltaikę. Aby skutecznie zabezpieczyć tę inwestycję i ograniczyć ryzyko zniszczenia instalacja, niezbędna jest specjalistyczna ochrona przed przepięciami, którą zapewniają RST Solar oraz RST Power, nowe linie produktów polskiego producenta.

Seria RST Solar – ochrona obwodów DC systemów fotowoltaicznych

Ograniczniki RST Solar przeznaczone są zarówno do typowych instalacji o napięciu U_cpv do 1000 V, jak i nowoczesnych systemów o napięciu do 1500 V. Produkty do instalacji o napięciu do 1000 V wykonane są w obudowach z wymiennymi modułami ochronnymi, w konfiguracji Y, z sumującym elementem iskiernikowym (GDT), który eliminuje prąd upływu I_PE. Dzięki eliminacji prądu upływu I_PE ograniczniki z serii RST Solar mają wydłużoną żywotność w stosunku do standardowych produktów.

Ograniczniki do systemów o napięciu do 1500 V wykonane są w specjalnych kompaktowych obudowach, zapewniających odpowiednie odstępy izolacyjne, które gwarantują bezpieczną pracę systemu PV. Produkty serii RST SOLAR wyposażone są także w wizualną oraz zdalną sygnalizację stanu ogranicznika.

Ograniczniki RST Solar znajdą zastosowanie zarówno do ochrony elektrowni naziemnych, jak i instalacji PV na dachach budynków wyposażonych w urządzenie piorunochronne. Można je także zastosować w obiektach niewyposażonych w LPS lub z zachowanym bezpiecznym odstępem separującym.

Seria RST Power – ochrona instalacji elektrycznych niskiego napięcia

Seria RST Power pozwala na kompletne zabezpieczenie instalacji elektrycznej od strony zasilania niskiego napięcia. Wszystkie produkty tej serii wykonane są w modułowych obudowach z optyczną sygnalizacją stanu ogranicznika. Szczególną uwagę zwracają ograniczniki kombinowane typu 1+2, RST Power T1+T2, które pomimo zastosowania iskiernika wieloprzerwowego, w głównym torze ochronnym, wykonano w obudowach o szerokości pojedynczego modułu (1TE). Odporność na prądy pioruna I_imp = 12,5 kA pozwala na zabezpieczenie rozdzielnic głównych w każdym obiekcie sklasyfikowanym według poziomu ochrony LPL IV i III.

Uzupełnienie serii stanowią ograniczniki typu 2, RST Power T2, znajdujące zastosowanie w rozdzielnicach lokalnych lub do ochrony falowników PV od strony zasilania AC.

Artykuł RST wprowadza na rynek nowe serie ograniczników przepięć pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

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.

DARMOWY EBOOK: 10 zasad dobrego wykonania układu uziemiającego [contact-form-7]

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

[contact-form-7]

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

Artykuł Rodzaje uziomów pionowych pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.

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.

DARMOWY EBOOK: 10 zasad dobrego wykonania układu uziemiającego [contact-form-7]

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.

[contact-form-7]

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

Artykuł Uziom pionowy: Jak uzyskać niską rezystancję uziemienia? pochodzi z serwisu Elektryka Prąd Nie Tyka - instalacje elektryczne w praktyce.