Mi az a földelőrendszer?
Minden villamos energiával ellátott épületben van ilyen. Minden fémházas berendezés működése ettől függ. Ha azonban a legtöbb mérnököt megkérnénk, hogy emlékezetből rajzolja le a telephelyük földelőrendszerét, haboznának. A földelőrendszer – amelyet észak-amerikai terminológiában „grounding system”-nek neveznek – a berendezés vezető alkatrészei és az alatta lévő föld közötti szándékos elektromos kapcsolat. A két kifejezés ugyanazt a fizikai fogalmat írja le: az „earthing” az IEC szókincsét követi, a „grounding” pedig az IEEE/ANSI konvenciót.
Minden földelőrendszer két feladatot lát el, és mindkettő egyformán fontos. Védelmi földelés biztosítja az emberek biztonságát: ha egy feszültség alatt álló vezető véletlenül érintkezik egy fém burkolattal, a földelőút a hibaáramot a földbe vezeti, és a megszakító kiold, mielőtt bárki megsérülne. Az egészséges felnőttekre vonatkozó, nemzetközileg elismert biztonságos érintési feszültséghatár 50 V váltakozó feszültség vagy 120 V egyenáram az IEC 60479-1 szabványban meghatározott hosszan tartó érintkezés esetén. Ha ezt a küszöbértéket túllépik, az emberi testen átfolyó áram — különösen miután áthalad 30 mA — kamrafibrillációt okozhat, amely az áramütéses balesetekben a halál fő oka.
Funkcionális földelés, a második feladat pedig biztosítja a berendezések megfelelő működését. Az érzékeny elektronikai alkatrészeknek stabil feszültségreferenciára van szükségük. A motoroknak és a hajtásoknak szivárgási áramok elvezetésére szolgáló útvonalra van szükségük. A kommunikációs rendszereknek pedig elektromágneses kompatibilitásra van szükségük. Megfelelően megtervezett földelőrendszer nélkül ezek a funkciók romlanak – vagy egyenesen meghibásodnak.
A cikk lényege: ha egy adott telepítéshez nem a megfelelő típusú földelőrendszert választják ki, az nem csupán nem optimális megoldás. Ez azt eredményezheti, hogy az épület védelme éppen akkor nem működik, amikor a legnagyobb szükség lenne rá – a megszakítók nem kapcsolnak ki, a burkolatok feszültség alatt maradnak, és senki sem veszi észre a problémát, amíg már túl késő nem lesz. Az első lépés a nemzetközi szabványok által meghatározott öt rendszertípus megismerése.
Az IEC földelőrendszer-osztályozása — A betűkódok magyarázata
Minden földelőrendszer megnevezése — TT, TN-S, IT — egy kétbetűs névadási rendszerből áll, amelyet a következőképpen határoznak meg: IEC 60364-1, a kisfeszültségű villamos hálózatokra vonatkozó nemzetközi szabvány. Tanulja meg értelmezni a szabványt, és többé egyetlen földelési kialakítás sem fogja összezavarni.
A kód két pozícióból áll. Mindegyik pozíció egy-egy kérdésre ad választ:
| Levél | Pozíció | Jelentés |
|---|---|---|
| T (Terra) | Először is | Az áramforrás semlegespontja közvetlenül földelt |
| I (Elszigetelt) | Először is | Az áramforrás a következő: földtől elszigetelt, vagy nagy impedanciájú vezetéken keresztül csatlakoztatva |
| T (Terra) | Második | A szabadon álló vezető alkatrészek (berendezésházak) egy helyi, önálló földelőelektróda |
| N (Semleges) | Második | A szabadon álló vezető alkatrészek a az áramforrás földelt pontja — általában a transzformátor semlegespontja |
A TN-rendszerek esetében két további betű jelzi a semleges (N) és a védőföldelő (PE) vezetékek elrendezését:
- S (Külön): Az N és a PE vezetékek a rendszer egész területén külön, erre a célra kijelölt vezetékeken futnak.
- C (Összevonva): Az N és a PE vezetékek egy közös vezetéket használnak, amelyet PEN vezető (védőföldelés + nullavezeték).
Öt betű — T, I, N, C, S — kombinációjával az IEC-szabványok által elismert valamennyi földelőrendszer-konfiguráció létrehozható. Ne feledje, hogy az első betű a a forrásból a földbe kapcsolatot, a második pedig a berendezés–föld kapcsolat, és neked van a kulcsod az egész osztályozáshoz.
Ne feledje: az első betű a forrás–föld kapcsolatot, a második betű a berendezés–föld kapcsolatot jelöli. Öt betű – T, I, N, C, S – határozza meg minden földelési konfigurációt.
Az ötféle földelőrendszer-típus
TN-S rendszer (külön semlegesvezető és védőföldelés)
A TN-S konfiguráció a TN-család legbiztonságosabb tagja — és az a megoldás, amelyet minden olyan telepítéshez ajánlunk, ahol a biztonság és az elektromágneses összeférhetőség kiemelt fontosságú. Egy TN-S rendszerben a transzformátor semlegesvezetékét a forrásnál közvetlenül földelik, és egy külön védőföldelő vezeték fut a semlegesvezetékétől elkülönítve egészen a transzformátortól a rendszer minden egyes fogyasztójáig.
A biztonsági elv egyszerű: a PE-vezető egy különálló, rendkívül alacsony impedanciájú fémút – jellemzően jóval 0,5 Ω — így bármilyen fázis–ház közötti hiba nagy, azonnali hibaáramot eredményez. Ez az áram milliszekundumok alatt kioldja a túláram-védelmi eszközt (MCB vagy MCCB), így elhárítva a veszélyt, mielőtt bárki hozzáérhetne a feszültség alatt álló házhoz.
Van egy kevésbé nyilvánvaló, de ugyanolyan fontos előnye is: a terhelés visszatérő áramai a semleges vezetőn maradnak, és soha nem jelennek meg a berendezések burkolatain. Ez az elválasztás teszi a TN-S rendszert az elsődleges földelési rendszerré az adatközpontokban, kórházakban és ipari üzemekben, ahol az elektromágneses interferencia megronthatja az érzékeny méréseket vagy megzavarhatja a kommunikációs hálózatokat.
A BS 7671, azaz az egyesült királyságbeli villamos hálózati előírások kifejezetten előírják, hogy miután a bejövő tápfeszültséget a hálózati csatlakozási ponton N és PE vezetékekre választották szét, a PEN vezető soha nem jelenhet meg újra a fogyasztói hálózatban. A gyakorlatban az Egyesült Királyságban és Európa nagy részén a legtöbb kereskedelmi és ipari épület belső hálózata TN-S rendszer szerint működik.
TN-C rendszer (kombinált PEN-vezető)
A TN-C az a rendszer, amelyet a biztonsági szabványok – jó okkal – már nagyrészt elavultnak tekintenek. A TN-C-kialakításban a semleges- és a védőföldelési funkciók az áramkör teljes hosszán – a transzformátortól minden fogyasztóig – egyetlen PEN-vezetékbe vannak összevonva. Sehol sincs külön PE-vezeték.
A költségelőny kétségtelen: egy vezetővel kevesebb a teljes szakaszon alacsonyabb anyag- és szerelési költségeket jelent. A kockázati profil azonban komoly. Ha ez az egyetlen PEN-vezető a törésponttól felfelé bármely ponton megszakad, a törésponttól lefelé minden fémház feszültség alá kerül fázisfeszültség — akár 230 V. Aki egyszerre érint meg egy földelt készüléket és egy valódi földelést, az potenciálisan halálos áramütést szenvedhet, és a túláramvédő eszközök nem lépnek működésbe, mivel a hibaáram-hurok megszakad.
Ráadásul, a maradékáram-védelmi készülékek (RCD-k) nem működnek egy tisztán TN-C rendszerben. Az RCD úgy működik, hogy összehasonlítja a fázis- és a nullavezetéken folyó áramokat — de külön PE-vezeték hiányában nincs mit összehasonlítani. Az IEC 60364 szabvány és a legtöbb nemzeti villamos hálózati előírás ma már tiltsák meg a TN-C rendszer használatát az épületeken belül. A régebbi elosztóhálózatokban még mindig találkozhatunk vele, de az új telepítéseknél már a TN-C-S váltotta fel.
TN-C-S rendszer (többszörös védőföldelés / PME)
A TN-C-S – amelyet az Egyesült Királyságban „Protective Multiple Earthing” (PME) néven, Ausztráliában és Új-Zélandon „Multiple Earth Neutral” (MEN) néven, Észak-Amerikában pedig „Multi-Grounded Neutral” néven is emlegetnek – a világon a legelterjedtebb földelőrendszer. Ötvözi a TN-C rendszer ellátási oldali költséghatékonyságát az épületen belüli TN-S rendszer biztonságával.
Így működik: az áramszolgáltató egy kombinált PEN-vezetéken keresztül szállítja az áramot az alállomástól az Ön házának bevezetőpontjáig. A főelosztószekrényben ez a PEN-vezeték két különálló gyűjtősínre ágazik szét – az egyik a semlegesvezető, a másik a védőföldelés számára. Ettől az elágazási ponttól kezdve a rendszer teljes értékű TN-S rendszerként működik, az N és a PE vezetékek soha nem kapcsolódnak újra egymáshoz. A legfontosabb biztonsági intézkedés az, hogy a PEN vezetéket az elosztási útvonal mentén több ponton földelik – általában legfeljebb 200 méter — így még abban az esetben is, ha a rendszer felsőbb szakaszában PEN-megszakadás következik be, a szabadon álló fémalkatrészeken fellépő feszültségnövekedést a fennmaradó földelőkapcsolatok korlátozzák.
Ez a rendszer az Egyesült Királyságban, Európa nagy részén, Ausztráliában és számos ázsiai országban az alapértelmezett lakossági és kereskedelmi áramellátási rendszer. Bizonyos helyeken azonban kifejezetten tilos a BS 7671 szabvány szerinti PME használatától: építkezések ideiglenes ellátórendszerei, kikötők, lakókocsi-parkok és benzinkutak. A közös tényező a talaj potenciálkülönbsége — ezekben a környezetekben egy PEN-zavar veszélyes feszültségeket juttathat át nagy területeken, ahol az emberek érintkezésbe kerülnek a valódi földdel.
TT-rendszer (helyi földelőelektróda)
A TT-rendszer a tartalék megoldás – és számos vidéki területen az egyetlen lehetőség. Mind a forrásoldali, mind a fogyasztói berendezésházak egymástól függetlenül vannak földelve, mindegyik a saját, erre a célra kijelölt földelőelektródán keresztül. Az ellátó transzformátortól az épületig nem fut fém PE-vezető.
Ez a függetlenség egyben a TT-rendszer legfőbb kihívását is jelenti: fázis–ház közötti hiba esetén a hibaáramnak a berendezéstől indulva a helyi földelőelektródán, a talajon, az áramellátó oldali földelőelektródán keresztül, majd vissza a transzformátor semlegespontjához kell haladnia. Az ezen az útvonalon található talaj gyakorlatilag nem vezető – a TT-rendszerben a földzárlati hurok impedanciája általában 10 Ω-tól 100 Ω-ig, a talajviszonyoktól és az elektródák minőségétől függően.
230 V-os feszültség és 10 Ω-os ellenállás mellett a hibaáram pontosan 23 A — ez messze nem elegendő ahhoz, hogy akár egy szerény 63 A-es MCB-t is biztonságos időn belül kioldjon. Éppen ezért Az RCD-k használata kötelező a TT-rendszerekben ez nem opcionális. A meghatározó biztonsági egyenlet a következő:
RA × IΔn ≤ 50 V
Ahol RA a földelőelektróda ellenállása, és IΔn ez az RCD névleges maradék működési árama. Egy 30 mA-es RCD esetén a földelőelektróda ellenállása elméletileg akár 1 667 Ω is lehet, de a gyakorlatban a legtöbb mérnök a következő értékre tervez: 10 Ω vagy annál kevesebb hogy minden körülmények között megbízható kioldást biztosítson.
További követelmény: amennyiben a hálózati oldali és a fogyasztói oldali földelőelektródák közötti távolság meghaladja 15 méter, túlfeszültség-védelmi eszközöket (SPD-ket) kell felszerelni annak érdekében, hogy kezelni lehessen azt a feszültségkülönbséget, amelyet a villámcsapás okozta túlfeszültségek két egymástól elektromosan független földelési pont között okozhatnak.
IT-rendszer (izolált vagy impedanciával földelt forrás)
Az informatikai rendszert nem általános használatra tervezték. Egyetlen konkrét célra szolgál: annak biztosítására, hogy az áramellátás akkor is fennmaradjon, ha valami probléma adódik.
Egy IT-konfigurációban a forrás semlegesvezetékét vagy teljesen elszigetelik a földtől, vagy olyan nagy impedanciájú vezetékkel csatlakoztatják, amely a hibaáramot elhanyagolható értékre korlátozza. A berendezések burkolatait helyileg földelik. Amikor az első szigetelési hiba bekövetkezik – azaz egy feszültség alatt álló vezető érintkezik a burkolattal –, a hibaáram legfeljebb néhány milliampere, és csak a rendszervezetők és a föld közötti apró kapacitív kapcsolaton keresztül folyik. Nincs alacsony impedanciájú hurok, amely veszélyes áramot vezetne, így az áramkör nem kapcsol ki. A rendszer továbbra is normálisan működik, és senki sem sérül meg.
Ez ideálisnak tűnik — de ehhez szigorú működési követelmény társul: egy Szigetelésfigyelő készülék (IMD) folyamatosan csatlakoztatva kell lennie a rendszerhez. Az IMD folyamatosan méri a szigetelési ellenállást az összes feszültség alatt álló vezető és a föld között. Az első hiba bekövetkezésekor hang- és fényjelzést vált ki, így a karbantartó személyzetnek ideje marad a hiba felkutatására és kijavítására, mielőtt egy másik fázison bekövetkező második hiba teljes rövidzárlatot okozna.
Az informatikai rendszerek ott találhatók, ahol egy nem tervezett áramkimaradás katasztrofális következményekkel járna: kórházi műtőtermekben, intenzív osztályokon, földalatti bányákban, tengeren közlekedő hajókon és folyamatos üzemmódú vegyipari üzemekben. A kompromisszum kézzelfogható: nagyobb tervezési komplexitás, kötelező felügyeleti berendezések, valamint olyan karbantartó csapat, amelynek azonnal reagálnia kell az IMD-riasztásokra. A legtöbb kereskedelmi és lakossági létesítmény esetében az IT felesleges – de a kritikus létesítmények esetében pótolhatatlan.
Földelőrendszerek összehasonlítása — egymás mellett
Ha az öt rendszertípust külön-külön ismerjük meg, az elősegíti a megértést. Ha viszont egymás mellett látjuk őket, az segít a megfelelő döntés meghozatalában. Az alábbi összehasonlító táblázat azokat a paramétereket tartalmazza, amelyek a legfontosabbak az egyes rendszerek egymáshoz viszonyított értékelésekor.
| Paraméter | TT | IT | TN-S | TN-C | TN-C-S |
|---|---|---|---|---|---|
| Földzárlati hurokimpedancia | Magas (10–100+ Ω) | Rendkívül magas (>1000 Ω az első hiba esetén) | Alacsony (<0,5 Ω) | Alacsony (<0,5 Ω) | Alacsony (<0,5 Ω) |
| Szükséges-e az RCD? | Igen — kötelező | Nem (ehelyett IMD szükséges) | Opcionális (kiegészítő) | Nem — az RCD-k hatástalanok | Opcionális |
| Helyszíni földelőelektróda? | Igen | Igen | Nem (az áramellátás biztosítja a földelést) | Nem | Opcionális (ajánlott) |
| Biztonság (1 = a legbiztonságosabb) | 3 | 2 (ha az IMD-t fenntartják) | 1 | 5 (a legkevésbé biztonságos) | 2 |
| EMC-teljesítmény | Jó | Jó | Kiváló | Gyenge (terhelési áramok a PEN-en) | Jó (belső) |
| A szolgáltatás folytonossága az első meghibásodás esetén | Nem (RCD-n keresztüli kioldások) | Igen (nem kapcsol ki) | Nem | Nem | Nem |
| Tipikus alkalmazás | Vidéki/távoli épületek | Kórházak, bányák, hajók | Kereskedelmi, ipari, adatközpontok | Kizárólag hagyományos használatra — épületekben tilos | Lakossági, kereskedelmi |
A tendencia egyértelmű: a TN-S a legbiztonságosabb rendszer általános használatra, de a vezetőanyag-költségek tekintetében a legdrágább. A TN-C-S szinte azonos szintű biztonságot nyújt alacsonyabb telepítési költségek mellett, és világszerte a városi és elővárosi áramelosztás alapértelmezett megoldásává vált. A TT az a gyakorlati megoldás, ahol nincs közműföldelés, de teljes mértékben függ az RCD megbízhatóságától és a talaj minőségétől. Az IT a speciális rendszer – a szolgáltatás folytonosságát tekintve verhetetlen, de tervezése és karbantartása igényes. A TN-C már a történelemkönyvekbe tartozik.
Hogyan válasszuk ki a megfelelő földelőrendszert?
A földelőrendszer kiválasztása nem esztétikai kérdés. Ez egy háromlépcsős kizárási folyamat: a válaszokat a villamosenergia-szolgáltatótól, az épület típusától, valamint egy végső ellenőrző listából kapjuk meg. Ha nem a megfelelő sorrendben hajtja végre ezeket a lépéseket, akkor kockáztatja, hogy olyan rendszert határoz meg, amelyet valójában nem lehet megépíteni.
Kezdje azzal, amit a hálózat biztosít
Mielőtt bármilyen döntést hozna, derítse ki, hogy az áramszolgáltatója milyen feltételekkel biztosítja az áramellátást a telekhatárig. A világ legtöbb országában a válasz a következő három eset egyikébe sorolható:
- Városi vagy külvárosi, föld alatti vagy modern felsővezetékes áramellátással: A segédprogram szinte biztosan biztosít egy TN-C-S (PME) csatlakozás. Az Ön feladata, hogy a főelosztótáblánál a bejövő PEN vezetéket külön N és PE vezetékekre ossza szét, és az egész épület belső hálózatát TN-S rendszerben vezesse – pontosan úgy, ahogyan azt a BS 7671 szabvány és a legtöbb európai nemzeti szabályozás előírja.
- Vidéki vagy távoli területek, ahol kizárólag felsővezetékek vannak: A szolgáltató akár földelés nélkül is szállíthat áramot — csupán az oszlopokon lévő fázis- és nullavezetékek segítségével. Ebben az esetben, A TT az egyetlen lehetőséged. Helyi földelőelektródát kell felszerelni, amelynek méretét a telephely talajviszonyaihoz kell igazítani, és minden áramkört megfelelően összehangolt RCD-kkel kell védeni.
- Kiterjedt ipari telephely saját transzformátorral: Te irányítod a forrást. Tervezd meg a teljes rendszert úgy, hogy TN-S a transzformátor másodlagos tekercséről, így a lehető legjobb biztonságot és EMC-teljesítményt biztosíthatja magának anélkül, hogy a közüzemi földelési gyakorlatoktól függne.
Ha az Ön országában érvényes szabványos ellátási rendszer eltér ezektől a mintáktól, az elv továbbra is érvényes: a közüzemi szolgáltató határozza meg a keretfeltételeket, és a rendszertervezésnek ezeken belül kell megvalósulnia.
Válassza ki a létesítmény típusához illő rendszert
Miután tisztában van azzal, hogy mit biztosít a hálózat, az épület tényleges igényeihez igazítsa a földelőrendszert. A különböző típusú létesítmények alapvetően eltérő követelményeket támasztanak a biztonság, az áramellátás folytonossága és az elektromágneses összeférhetőség tekintetében.
| Létesítmény típusa | Ajánlott rendszerkonfiguráció | Miért? |
|---|---|---|
| Családi ház | TN-C-S (PME) | Költséghatékony, megfelelő biztonság kiegészítő RCD-kkel a konnektoros áramkörökön |
| Lakóház | TN-C-S rendszer TN-S elosztással | PME a főbemenetnél, TN-S emelőcsövek az egyes egységekhez |
| Üzleti iroda | TN-S (a PME-ből elágazó) | Az informatikai berendezések, a szervertermek és a strukturált kábelezés mindegyike tiszta EMC-t igényel — a TN-S ezt biztosítja |
| Ipari üzem | TN-S | A motorterhelésekből származó nagy hibaáramokat azonnal el kell vezetni; a frekvenciaváltóknak és a PLC-knek elektromágneses kompatibilitási integritással kell rendelkezniük |
| Kórház | IT (műtők, intenzív osztály) + TN-S (általános területek) | Az életfenntartó áramkörök soha nem kapcsolhatnak ki az első hiba esetén; az általános területeken a szabványos TN-S biztonsági rendszert kell alkalmazni |
| Adatközpont | TN-S rendszer az egész hálózatban | A szerver tápegységeinek szivárgási áramai összeadódnak — a TN-C-S vagy TT rendszerekben ez a feszültségvédő téves kioldásához vezethet |
| Távoli szivattyútelep / távközlési torony | TT | Nincs rendelkezésre álló segédföldelés; a helyi elektróda és az RCD az egyetlen megvalósítható konfiguráció |
| Elektromos jármű-töltőállomás / kikötő / benzinkút | TT | A BS 7671 szabvány értelmében ezeken a helyszíneken kifejezetten tilos a PME alkalmazása – a talajban fennálló potenciálkülönbségek helyszínen belüli áramütésveszélyt jelentenek |
A táblázat nem jelent szigorú korlátot — a nagy létesítményekben gyakran keverednek a rendszerek. Az alapszabály az, hogy minden rendszernek elektromosan zártnak kell lennie a saját zónáján belül, és egyetlen áramkör sem terjedhet ki két különböző földelési konfigurációra.
Ellenőrizze a választását — Gyakorlati ellenőrzőlista
A specifikáció elkészült. Mielőtt végleges formát öltene, végezze el az alábbi hat ellenőrzést:
- ✓ A telephely határán található ellátási típus valóban támogatja-e az Ön által megadott rendszert?
- ✓ Kizárólag TT-rendszerek: Ellenőrizték-e a földelőelektróda ellenállását (RA × IΔn ≤ 50 V), és ezt az év legszárazabb időszakában mérik, nem pedig eső után?
- ✓ Kizárólag TN-C-S rendszerek: Egyértelműen jelölve van-e a PEN elágazási pontja, azaz az N és a PE gyűjtősínek véglegesen el vannak-e választva egymástól, és nincs-e lefelé irányuló újracsatlakozás?
- ✓ Kizárólag informatikai rendszerek: Meghatározták-e olyan IMD-t, amely hang- és vizuális riasztással is rendelkezik, és létezik-e dokumentált eljárás az első hiba jelzésére vonatkozó riasztásra való reagálásra?
- ✓ Meghatározták-e a PE-vezető folytonosságának ellenőrzését minden elosztótábla és minden végfelhasználói áramkör között?
- ✓ Ha az épületben informatikai, távközlési vagy érzékeny elektronikus berendezések találhatók, akkor a belső elosztás valóban TN-S típusú-e (azaz az N és a PE vezetékek a főbevezetés után elkülönülnek egymástól)?
Földelőrendszer tervezése — Fontos gyakorlati szempontok
A besorolási útmutató segít kiválasztani a megfelelő rendszert. A tervezési útmutató pedig azt mutatja meg, hogy a rendszer a gyakorlatban valóban működni fog-e. A földelőrendszer valós teljesítményét három tényező határozza meg, és ezek közül egyet sem lehet a szabványokból kikövetkeztetni.
A talaj ellenállása és a földelőelektróda tervezése
Az épület alatt található talaj nem egyenletes vezetőképességű. Az ohm-méterben (Ω·m) mért fajlagos ellenállása nagyságrendekkel változik attól függően, hogy milyen anyagból áll a talaj, és milyen nedves.
| Talajtípus | Jellemző fajlagos ellenállás (Ω·m) |
|---|---|
| Nedves agyag, kerti talaj, vályog | 5–100 |
| Homokos agyag, nedves kavics | 100–500 |
| Kréta | 100–300 |
| Száraz homok, laterit | 500–2 000 |
| Köves talaj | 1 500–3 000 |
| Mészkő | 1 000–5 000 |
| Gránit, homokkő | 1 500–10 000+ |
Ezek a számok nem csupán elméleti jellegűek. Egy olyan telephely esetében, ahol a talaj száraz és homokos, és az ellenállása 1 000 Ω·m, nagyjából százszor jelentősebb mint a nedves agyagba épített, 10 Ω·m-es – azonos célellenállás mellett. A méréseket mindig a helyszínen kell elvégezni a Wenner-féle négypontos módszerrel, és a tervezést mindig a legszárazabb szezonális körülményekhez kell igazítani. Az 1 méter mélységben mért talajellenállás akár három az egyhez a csapadékos tél és a száraz nyár között.
Egyetlen, egyenletes talajba vert függőleges földelőrúd esetében az ellenállás a következő:
R = (ρ / 2πL) × [ln(8L/d) − 1]
Ahol ρ a talaj ellenállása (Ω·m), L a mérőrúd hossza (m), d pedig a mérőrúd átmérője (m). A képlet egy olyan felismerést tár fel, amely pénzt takarít meg: Az ellenállás javulását a mélység határozza meg, nem az átmérő. A rúd átmérőjének megduplázása legfeljebb néhány százalékkal változtatja meg az ellenállást. A behatolási mélység megduplázásával az ellenállás közel felére csökkenthető. Ha egy rúd nem elegendő, tegyen hozzá többet — de legalább egy rúd hosszúságnyi távolságot tartson közöttük. Ha túl közel helyezi őket egymáshoz, a “ellenállási zónáik” átfedik egymást, ami miatt a második rúd hatékonysága jelentősen csökken az elsőhöz képest.
Szabványok, tesztelés és ellenőrzés
Az a földelési megoldás, amely papíron helyesnek tűnik, de a gyakorlatban nem működik, nem helyes. A tesztelés zárja le a kört.
A legfontosabb szabványok, amelyeket kéznél kell tartani: IEC 60364 kisfeszültségű berendezésekhez készült sorozat, IEEE 80. szabvány a középfeszültségű alállomások földelési tervezése esetében, BS 7430 a földelés kivitelezésével kapcsolatos gyakorlati útmutatásért, valamint IEC 62305 a villámvédelmi földelési követelmények tekintetében.
A leggyakrabban alkalmazott vizsgálati módszer a potenciálcsökkenéses (hárompontos) módszer. Az áramérzékelőt a vizsgált földelőrendszer átlójának legalább ötszörös távolságra kell a talajba szúrni. Egy feszültségérzékelőt helyezünk el az áramérzékelő és az elektróda közé. Először a feszültségérzékelőt a középpontban tartva végezzük el a méréseket, majd ±10% távolságra mozgatjuk el; ha mindhárom mérési eredmény szűk tűréshatáron belül egyezik, akkor az átlagérték adja az elektróda ellenállását. Ha az eredmények eltérnek egymástól, az áramérzékelő túl közel van – növelje a távolságot, és ismételje meg a mérést.
Egyenletes talaj esetén a 62% szabály Van egy gyors megoldás: helyezze a potenciálmérőt a vizsgált elektróda és az árammérő közötti távolság 62%-es pontjára, ne pedig az 50%-esre. Pontosan 62%-nél a mérő a valódi nulla-potenciálú ponton helyezkedik el, így már az első próbálkozáskor helyes mérési értéket ad.
A célellenállási értékeket az alkalmazás határozza meg, nem pedig egy általános érték: ≤ 1 Ω nagy alállomások és ipari létesítmények esetében, ≤ 5 Ω kereskedelmi épületek esetében, valamint ≤ 10 Ω villámvédelmi rendszerek esetében. Ha a telephelyen ismert, hogy szezonális ingadozások lépnek fel, az üzembe helyezés után hat hónappal végezzen újabb vizsgálatot, hogy a másik szélsőséges állapotot is figyelembe vegye.
Földelés és túlfeszültség-védelem — A figyelmen kívül hagyott összefüggés
A rosszul földelt rendszerre felszerelt túlfeszültség-védelmi eszköz csupán drága dísz. Az SPD-k úgy működnek, hogy a túlfeszültség-energiát – akár villámcsapásból, akár kapcsolási eseményekből származó – a földbe vezetik el. A földelőútvonal minden ohmnyi impedanciája további feszültségesést okoz, amely a berendezés kapcsain jelentkezik. Egy 8/20 μs-os túlfeszültség-hullámforma esetén minden további méter földelővezeték nagyjából 1 kV induktív feszültségesés kilóamperenként a túlfeszültségi áram. Egy 3 méteres földelővezetéken átfolyó 10 kA-es túlfeszültség akár 30 kV-val is megnövelheti azt a feszültséget, amelyet az SPD-nek le kellett volna korlátoznia — és ez az a feszültség, amelyet a berendezés ténylegesen érzékel.
A földelőrendszer típusa közvetlenül befolyásolja az SPD-kre vonatkozó követelményeket. Egy TT-rendszerben, ahol a hálózati oldali és a fogyasztói oldali földelőelektródák közötti távolság meghaladja a 15 métert, a villámcsapás okozta feszültségkülönbségek miatt a résen át történő ívhúzás megelőzése érdekében mindkét oldalon kötelező az SPD-k felszerelése. Még a TN-rendszerekben is, ha egy kiegészítő helyi földelőelektródát a főelektródától több mint 15 méterre helyeznek el, a túlfeszültség-védelemnek össze kell kötnie a két földelési pontot.
A gyakorlati tanulság: a földelőrendszer tervezését és a túlfeszültség-védelem specifikációjának kidolgozását ugyanabban a tervezési fázisban kell elvégezni, nem pedig egymást követő lépésekben. A két rendszer elektromosan összekapcsolódik, és teljesítményük elválaszthatatlan egymástól. Az SPD-k kiválasztásakor a mérnököknek ellenőrizniük kell, hogy az eszközök rendelkeznek-e elismert, harmadik fél által kiadott tanúsítvánnyal, amely kiterjed mind a termékbiztonságra, mind az IEC/EN 61643 szabványok szerinti teljesítményre – ez biztosítja, hogy a földelőelektródától a berendezés csatlakozójáig tartó védelmi lánc hibahelyzetben is sértetlen maradjon. Azoknál a telepítéseknél, amelyeknél a teljes túlfeszültség-védelmi eszköz (SPD) termékcsaládra kiterjedő, teljes TUV, CB és CE tanúsítvánnyal rendelkező túlfeszültség-védelmi alkatrészekre van szükség, az LSP műszaki csapata mérnöki támogatást és dokumentációt nyújt a lsp.global.