Uziemienia aktywne w elektroenergetyce

Uziemienie to chyba jedyny rutynowo wręcz lekceważony niezbędny element każdej struktury elektroenergetycznej. Instalacje uziemiające objęte są jak wiele innych inwestycji i remontów kryterium najniższej ceny. Uziemienie w kosztach inwestycji stanowi zwykle ułamek procenta. Jednak jego niesprawność często może zabić, częściej spowodować straty materialne wielokrotnie większe niż ten niecały procent.

Rzeczywistość

Nieporozumieniem jest najniższa cena projektu, materiałów, robocizny i pomiarów równocześnie. Problem polega na tym, że o odbudowie, remoncie poprawie decydują pomiary kontrolne. Skazani jesteśmy na tanie pod każdym względem pomiary niskoprądowe metodą dwucęgową, która pozwala na pomiar bez rozłączania złącza kontrolnego, prądem pomiarowym rzędu 200mA. Załóżmy,że pomierzona taką metodą rezystancja jest na wymaganym poziomie na prawdę oznacza to że instalacja nadaje się do eksploatacji przez następne 5 lat?

Uziemienie służy bezpiecznemu i skutecznemu odprowadzeniu prądów zwarciowych, a to oznacza, że instalacja musi mieć skuteczną wartość rezystancji i wymaganą wytrzymałość prądową. „I” oznacza, iż oba wymagania spełnione muszą być równocześnie. Przy prądzie pomiarowym ≈ 200mA tylko instalacja przerdzewiała i przynajmniej lokalnie nieciągła, będzie miała wartość rezystancji wyższą od pomierzonej poprzednio.

Materiały

Grunt to elektrolit, w nim o szybkości korozji decyduje dysocjacja elektrochemiczna i różnica potencjałów. Dysocjacja to rozpad cząsteczek na jony pod wpływem wody. Rezystywność gruntu, woda i korozja są ze sobą ściśle powiązane, choć akurat więcej wody niekoniecznie oznacza przyspieszoną korozję i lepszą przewodność. Jednak niska rezystywność to zawsze przyspieszona korozja, dlatego akurat w gruntach dobrze przewodzących potrzebne są rzeczywiście nie tylko marketingowo bardzo dobre materiały i szczególnie staranne wykonanie. Jeżeli użyjemy miedzi lub dobrze przewodzącej (co najmniej na poziomie stali zwykłej) stali nierdzewnej to już po pomiarze rezystancji metodą niskoprądową możemy z pełną odpowiedzialnością napisać, że instalacja nadaje się do eksploatacji. Nie można tego zrobić w przypadku instalacji wykonanych ze stali powlekanej i na pewno tych pokrytych miedzią. Powłoka miedziana to klasyczna ochrona katodowa, gdzie w miejscach uszkodzeń powłoki szybkiemu rozpuszczeniu ulega żelazo odpowiedzialne za bezpieczne odprowadzanie prądów zwarciowych. Bliskie sąsiedztwu miedzi, cynku i stali (<5cm) w gruncie to rosyjska ruletka. Uszkodzona powłoka miedziana prędzej czy później zostanie zdegradowana do postaci proszku. Sproszkowany metal ciężki w tym także miedź to ogromne zagrożenie dla środowiska. Uszkodzona powłoka z cynku to w najgorszym przypadku korozja na poziomie stali czarnej, miedziana to zawsze wielokrotnie szybsza, dodatkowo wgłębna.

Cynk jest nieodporny na kwasy. W gruncie o odczynie kwaśnym stal ocynkowana skoroduje szybciej niż w gruncie o odczynie zasadowym lub zasolonym co ujęto na wykresie nr 1.

Wykres 1

Wykres sporządzono na podstawie stanu remontowanych około 400 instalacji. Wiek ustalono na podstawie daty protokołu odbioru.

Uziom EASY to zawsze miedź i bezpieczne elektrochemicznie połączenia i przyłącza. W naszym rozwiązaniu stal zwykła w kombinacji z miedzią to wykorzystanie ich konfliktu elektrochemicznego w celu trwałego, ciągle postępującego, całkowicie bezpiecznego dla środowiska poprawiania rezystywności gruntu dodatkowo w najbardziej korzystnych obszarach. W EASY koroduje osłona, a miedź rozładowuje prądy zwarciowe.

Jeżeli przy pomiarze kontrolnym pomierzona wartość rezystancji przekroczy wymaganą, remontuje się instalację dobudowując nowe fragmenty z uziomami pionowymi. To rutyna, a przecież tego się nie da zrobić na bazie uziomów pionowych, nie znając lokalizacji pierwotnej. Pierwsza zasada pogrążania uziomów pionowych definiuje minimalną odległość między sąsiadującymi sondami. Nie może być ona mniejsza od długości tej sąsiedniej głębiej pogrążonej. Druga zasada mówi, że uziomy muszą być co najmniej dwa. Trzecia wynikająca z granicy przemarzania (przesuszania) dotyczy minimalnej głębokości pogrążenia = 3m. (Rysunek 1)

Rysunek 1

Za bliskie pogrążanie może powodować nie tylko bardzo niekorzystny rozkład potencjałów na powierzchni, ale dodatkowo zmienną w czasie, skokową zmianę wartości rezystancji. Oba te zdarzenia powodują znaczny wzrost wartości napięć rażenia, a nakładając się mogą przynieść katastrofalne skutki.

Wielu inwestorom, projektantom i wykonawcom wydaje się, że znacznie trudniejsze w wykonaniu ze względu na niską wymaganą wartość rezystancji jest uziemienie ochronne lub robocze, odgromowe (dodatkowo niesłusznie najbardziej lekceważone) to „żaden problem”. Niezupełnie. Na ziemiach rezystywnych zawsze jest niestety odwrotnie,

bo w przypadku dwóch pierwszych praktycznie mamy niewielkie ograniczenia obszaru zajmowanego przez taką instalację w trzecim tak. Ograniczenie obszaru zajmowanego przez odgromową instalację uziemiającą wynika ze specyfiki fali prądu udarowego pioruna o wartości nawet kilkuset kiloamper, stromym czole (prawie 90°) i krótkim czasie rozładowania ≈ 0,024 sek. Czoło takiej fali udarowej „widzi” tylko rezystancję na drodze ≈11m (niektóre źródła tylko 9m inne 19m) liczonej od styku fundamentu z ziemią. Osiągnięta poza tą granicą wartość rezystancji w takim rozładowaniu nie ma żadnego znaczenia.

Można wyciągnąć wnioski i budować nowe instalacje wielofunkcyjne jak na rysunku 2:

Rysunek 2

Uniwersalnie, prosto, bezpiecznie i wcale nie drożej

Uziom pionowy EASY ułatwia budowę takiej instalacji dodatkowo praktycznie z bardzo niskim dotykowym i krokowym napięciem rażenia.

Wracając do remontów to kolejny powód, że na słupach np. WN tego się nie da zrobić, tym bardziej, że nie możemy mieć żadnej wiedzy kiedy i w jakich fragmentach stara struktura ulegnie dalszej degradacji, a tu prądy zwarciowe mogą przekroczyć nawet 50kA. Taki sposób remontu instalacji uziemiającej (głównie na liniach WN) to także możliwość oszustwa, które ułatwi sposób ochrony linii za pomocą linki odgromowej. Zdarza się, że w protokołach z pomiarów rezystancji słupów WN zdarza się, że w protokołach jest napisane tak jak słup 111 - 4,5Ω, 112 - 4,7Ω, 113 – 4,6Ω. Jeżeli już taka wola i niestety idea poprawy rezystancji, a argumenty nie przekonują to raczej należy zlecać instalację uzupełniającą o wartości dającej po połączeniu z istniejącą wypadkową zapewniającą żądaną wartość. Oczywiście należy je łączyć dopiero po oddzielnym pomierzeniu części dobudowanej i istniejącej tak jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3
  

Po zakończeniu robót należy zmierzyć też wypadkową z linką odgromową instalacja jednak i tak nie będzie wystarczająco bezpieczna z powodów wcześniej przedstawionych.

Technologia EASY SYSTEM ułatwia remonty (nawet te ryzykowne) poprzez zajęcie wielokrotnie mniejszego obszaru dodatkowo na powierzchni na pewno dziewiczej (np. wewnątrz słupa kratowego WN). Następny taki remont na bazie EASY to po całkowitym odcięciu pozostałości instalacji pierwotnej ostatnim. Wystarczą oględziny i pomiar.

Projekt

Często starannie rozrysowany i policzony nawet z solidnym pomiarem rezystywności gruntu, projekt instalacji uziemiającej np. stacji WN/SN to otok 25m±10m z czterema do 8 uziomami pionowymi po 8-15m, co przypadku minimum oznacza mniej więcej, że rezystywność gruntu wynosi = 100Ωm. Okazuje się wcale niewyjątkowo , że uziomy pionowe można wbić jedynie na 4m, a rezystywność w takim sześcianie to już 600Ωm, a to przekłada się na ≈ 32 uziomy po 4m i 120m otoku, a kosztorys przewiduje ≈ 2,500zł. Instalacja uziemiająca tej stacji to ≈ 100 tys. Rozwiązanie EASY daje znacznie pewniejsze oszacowanie kosztów budowy instalacji uziemiającej. Godne uwagi są nie pozostawiające efektu ingerencji w wierzchnią warstwę terenu sondy próbne EASY TEST składające się z obudowy uziomu EASY i polepszacza. Wykorzystując EASY TEST projektant bez wykopu pogrąża uziom na możliwą lub tylko wystarczającą, wynikającą ze struktury gruntu głębokość. (Rysunek 4)

Rysunek 4

Dokonuje pomiarów rezystancji i wie z minimalnym błędem ile klasycznych uziomów pionowych potrzeba pogrążyć i jaki obszar zajmie zbudowana na ich podstawie instalacja dodając polepszacza i mierząc i po 15 minutach ponownie. Wie z jeszcze dokładniejszym przybliżeniu ile potrzeba uziomów EASY i o ile zmniejszy się zajęty przez instalację obszar. Wyciąga ostatni 1 metrowy człon EASY TEST. W terenie nie ma śladu i skutków ingerencji.

Uziemienia służą skutecznemu i bezpiecznemu rozładowaniu prądów zwarciowych. Niestety nie zawsze uziemienie skuteczne jest także równie bezpieczne. Winne temu są potencjały pojawiające się na powierzchni w czasie rozładowywania się prądów zwarciowych w gruncie. Różnice tych potencjałów mogą być niebezpieczne i dlatego nazwano je napięciami rażenia, a umownie w zależności od odległości od obiektu chronionego i sposobu pomiaru podzielono je na dotykowe i krokowe. Ich wartość zależy od wielu czynników, niestety jeszcze powiązanych ze sobą skomplikowaną siecią zależności. Niektóre możemy zmieniać prosto, choć niekoniecznie tanio, inne trudno lub wcale. Dotąd najczęściej stosowane metody na zbudowanie niejako równoległych przesuniętych w pionie i poziomie kilku otoków ich neutralizacji lub obniżenia ich wartości polegają na ułożeniu na powierzchni obszaru chronionego blachy i połączeniu jej z uziemieniem i obiektem chronionym lub wybraniu ponad siatkę uziemienia (przyjęto 0,4m) gruntu rodzimego i zastąpienie go znacznie bardziej rezystywnym (np. tłuczniem). Takie metody mają pewne wady, gdyż nie załatwiają problemu do końca i praktycznie mniej lub bardziej miejscowo lub lokalnie. Znane są problemy związane z pojawianiem się napięć na stacjach WN/SN na warstwie tłucznia. Ekstremalne zmiany klimatyczne, gwałtowne opady nanoszące muł czy silne wiatry przenoszące znaczne ilości kurzu tylko powiększą problemy.

EASY SYSTEM ma zupełnie inną filozofię polegającą na usuwaniu nie tylko skutków ale głównie przyczyn. Skutki to prądy i napięcia, a energia fali napięciowej to przyczyna. Takie możliwości dają nam zastrzeżone konstrukcje aktywnego miedzianego uziomu pionowego EASY II, oraz zastrzeżonej szyny EASY. Testy wykazały, że zastosowanie systemu EASY pozwala obniżyć napięcia rażenia nawet o 60% w stosunku do klasycznych uziemień pionowych. Szyna EASY także redukuje energię fali przepięciowej dodatkowo pozwala bez żadnych skutków ubocznych na bardzo bliskie pogrążanie uziomów EASY, co ekstremalnie redukuje obszar zajmowany przez instalację. Praktycznie mierzy się tylko napięcie dotykowe, to co z tym już krokowym choćby tylko między blachą czy tłuczniem, a gruntem na granicach ich obszarów? Za śmierć ludzi i zwierząt w większości przypadków porażeń także piorunem odpowiada napięcie krokowe, a nie kontakt bezpośredni. Mając pecha można zginąć będąc nawet będąc ponad 100 metrów od miejsca doziemienia. Jak od pioruna to też od doziemienia na linii WN? Napięć krokowych praktycznie nie mierzymy. Czy słusznie nie wykonuje się tego na osiedlach, placach w centrach miast w sąsiedztwie budynków użyteczności publicznej czy w okolicy sklepów? Zagrożenie rośnie, bo w wyniku ocieplenia klimatu rośnie gwałtowność i energia zjawisk. W latach 70-tych największy zmierzony prąd udarowy pioruna miał tylko 90kA, a te mierzone współcześnie notują wartości przekraczają 500kA.

Rysunek 5

Aby zapobiec wynoszeniu potencjałów poza teren chroniony tłuczniem, siatka uziemiająca stacji zakończona jest obniżonym otokiem odsuniętym od niej o kilkadziesiąt centymetrów. Podobnie (czasem nawet za pomocą 3 otoków) niejako równoległych, przesuniętych w pionie i poziomie zaczęto obniżać napięcia rażenia wokół słupów WN. Warunkiem powodzenia mierzonego poziomem tych napięć jest korzystny naturalny układ warstw gruntu,

a taki to ten gdzie kolejne głębsze mają rezystywność niższą od poprzedzających je, tych bliższych powierzchni. Taki układ to ideał, niestety w miastach (rysunek 5) i na wsiach, gdzie je najczęściej budujemy warstwa powierzchniowa często jest mniej rezystywna, co najmniej okresowo choćby z powodu nawożenia lub zasolenia solą używaną do walki ze śniegiem i gołoledzią. Instalacja z obniżonymi napięciami rażenia musi być droższa. Zajmuje większy obszar, a nawierzchnię trzeba rozebrać i odbudować.

Nasza instalacja oparta na technologii EASY nie, ponieważ zawsze ogranicza napięcia rażenia, a zajmuje ekstremalnie ograniczony obszar. Parkingi wielkopowierzchniowe, mikrodziałki, wszystko zabrukowane, zaasfaltowane i odwodnione. To dość wyraźnie i trwale zmienia stosunki wodne w gruncie. Uziemienia trzeba będzie nie tylko remontować ale także rozbudowywać. Koszty remontów wzrosną o kolejne nakłady na rozbiórki i odbudowy nawierzchni. Rosną koszty wejścia na teren. Trzeba budować szczególnie na gruntach dobrze przewodzących z bardzo dobrych materiałów by zminimalizować koszty. Wiele obiektów infrastruktury elektroenergetycznej jest budowanych na polach uprawnych (rysunek 6), część w wyciętych pasach leśnych. Tam wkroczyły nowe techniki agrarne - głęboka orka lub spulchnianie głęboszami (groźniejsze, bo zniszczenia są niewidoczne) to nowe zagrożenia.

Rysunek 6

Głębokie spulchnianie to uszkodzenia instalacji i znaczniejsza okresowa zmiana rezystywności głębszych warstw gruntu. Rodzi się pytanie kiedy mierzyć, kiedy budować czy i jak remontować? Prawdopodobieństwo o wiele większe instalacji pozbawionych napięć rażenia w przypadku żądania poziomu tych napięć np. przy częstych w takiej lokalizacji odłącznikach SN. Tu trudno sobie choćby tylko wyobrazić dwa czy trzy przesunięte otoki, a ucieczka w głębsze warstwy gruntu to wyższe napięcia rażenia i koło się zamyka.

Technologia EASY eliminuje zupełnie wspomniane zagrożenia, bo ekstremalnie zredukowana co do zajętego obszaru instalacja zmieści się wewnątrz słupa WN czy też miedzy żerdziami stanowiska odłącznika SN.