PN-EN 62561-2:2012 Instalacje uziemiające i odprowadzające

Jednym z najbardziej istotnych elementów niemal każdego urządzenia elektrycznego (niezależnie od poziomu napięcia roboczego) jest uziemienie lub zespół elementów funkcjonalnych pozwalających przyłączyć to urządzenie do instalacji uziemienia. Można także powiedzieć, że istnienie dobrze wykonanych instalacji uziemienia warunkuje nie tylko poprawną pracę urządzeń, ale również bezpieczeństwo eksploatacji, w tym czynnik najważniejszy – ochronę życia ludzi bezpośrednio stykających się z urządzeniami elektrycznymi. Zatem wszędzie tam, gdzie mówimy o bezpiecznych warunkach pracy urządzeń lub z urządzeniami, nie można pominąć uziemienia.

Warto więc na początku zdefiniować pojęcie uziemienia. Jest co najmniej kilka definicji, owszem podobnie brzmiących, ale kładących nacisk na szczególne cechy danej instalacji. Na potrzeby tego artykułu przyjmijmy następującą:

• Uziemienie jest połączeniem części uziemianych (części czynnej, części przewodzącej dostępnej, części obcej) z ziemią. Uziemieniem nazywa się także instalację zapewniającą połączenie części uziemianej z ziemią.

Skoro definicja mówi o występowaniu połączeń, istnieniu instalacji niezbędnej do tych połączeń, znaczy to, że celem stosowania uziemienia (instalacji uziemienia) jest doprowadzenie potencjału ziemi do części uziemianej, a jeśli przewiduje się, że instalacja (uziemienie) będzie drogą przepływu prądu, np. prądu piorunowego, ważne, by połączenia i cała budowana instalacja zapewniała możliwie niską rezystancję (precyzyjniej mówiąc: impedancję) instalacji uziemienia. Wymagana wartość rezystancji jest oczywiście elementem wyliczanym w trakcie prac projektowych lub przyjmowanym na podstawie wymagań normy. Do problemu rezystancji uziemienia wrócimy w dalszej części artykułu.

Instalacja uziemienia w najprostszym ujęciu składać się będzie z uziomu, tj. metalowego elementu lub zespołu elementów umieszczonych bezpośrednio w gruncie. W niektórych przypadkach uziomem będzie także metalowy przedmiot lub zespół takich przedmiotów zalanych betonem i dopiero tak wykonany układ funkcjonalny umieszczony w gruncie.

Kolejnym elementem jest przewód uziemiający służący połączeniu uziemianego przedmiotu z uziomem. Przewód uziemiający zostaje połączony z uziemianym przedmiotem za pomocą zacisków i połączeń. Wyróżnia się połączenia rozłączne wykonywane z użyciem odpowiednio skonstruowanych złącz oraz połączenia nierozłączne wykonywane za pomocą procesu spawania.

Podstawowym warunkiem istnienia uziemienia jest zapewnienie połączenia galwanicznego uziomu z gruntem. Wymienione pojęcia nie opisują oczywiście wszystkich elementów, które mogą występować w rzeczywistej instalacji uziemienia. W miarę dalszego toku wywodu pojęcia takie będą przywoływane i objaśniane. 

Pora teraz ustalić, jaki jest podział funkcjonalny uziemień. Wydaje się, że jest to najprostsze i najpełniejsze ujęcie:

• uziemienie ochronne – odnosi się do części niebędących w normalnym stanie pod napięciem, stosowane jest w celu niedopuszczenia do wzrostu na nich napięcia do wartości grożącej porażeniem ludzi i zwierząt,
• uziemienie robocze – odnosi się określonego punktu obwodu elektrycznego, stosowane jest w celu zapewnienie prawidłowej pracy urządzenia (najbardziej znanym przykładem jest uziemienie punktu zerowego transformatora),
• uziemienie odgromowe – dotyczy urządzeń piorunochronnych, stosowane jest w celu bezpiecznego odprowadzenia prądu piorunowego do ziemi,
• pomocnicze – dotyczy niewymienionych wyżej przypadków, a stosuje się je do wyrównania potencjału lub przeprowadzenia pomiaru.

Uzupełnieniem wyliczonych wcześniej rodzajów uziemienia jest jeszcze tzw. uziemienie miejscowe lub dedykowane, niektórzy specjaliści używają również pojęcia: uziemienie funkcjonalne, którego celem stosowania staje się zapewnienie właściwej wartości rezystancji uziemienia dla czułych urządzeń elektronicznych, pomiarowych, urządzeń telekomunikacyjnych lub innych o podobnej specyfice. Najczęściej w takich przypadkach uziemienia wykonywane są jako odrębny układ uziomowy przeznaczony do pracy tylko na potrzeby danego urządzenia lub zespołu urządzeń. Cechą charakterystyczną takich układów uziomowych jest najczęściej bardzo niska wartość rezystancji uziemienia i wymagana stabilność parametrów układu uziomowego.

Skoro już wiadomo, jakie funkcje spełniają uziemienia, warto zapoznać się z podstawowym podziałem uziomów wprowadzonym ze względu na ich budowę.

Podstawowy podział to uziomy naturalne i uziomy sztuczne. Obydwie kategorie są oczywiście niezwykle pojemne. Warto zacząć więc od podstawowych cech każdej z tych kategorii, co powinno w praktyce ułatwić właściwą kwalifikację układów uziomowych.

Uziomy naturalne to takie, które zostały umieszczone w gruncie, spełniają wymagania opisane wcześniej, ale podstawowym powodem, dla którego zostały umieszczone w gruncie, nie jest uziemienie. Do takich uziomów zalicza się rurociągi, pod warunkiem że nie będą izolowane od ziemi, żelbetowe fundamenty lub inne podziemne części konstrukcyjne chronionych obiektów, z zastrzeżeniem, że nie będą izolowane od ziemi, powłoki metalowe, pancerze kabli telekomunikacyjnych i elektroenergetycznych, podziemne części masztów lub elementy wsporcze studni kablowych.

Do uziomów naturalnych zalicza się także uziomy sąsiednich obiektów, pod warunkiem że znajdują się w odległości nie większej niż 10 m od obiektu chronionego. Tu jednak konieczne jest spełnienie warunku formalnego polegającego na uzyskaniu zgody jednostki eksploatującej te obiekty. W praktyce rozwiązanie spotykane niezwykle rzadko.

Uziomy sztuczne to elementy, których celem umieszczenia w gruncie było wyłącznie zapewnienie właściwego uziemienia dla obiektu chronionego. Uziomy sztuczne to najczęściej taśmy metalowe, ale także pręty, rzadziej płyty, niejednokrotnie rozmaite układy budowane z tych elementów. Wyróżnić tu można uziomy pionowe, poziome, dwu- lub wieloramienne, pierścieniowe, kratowe i wiele innych, o których wykonaniu decyduje projektant na podstawie zestawienia wymagań, jakie stawiane są układowi uziomowemu dla danego obiektu z cechami funkcjonalnymi i parametrami danego rodzaju uziomu.

Rodzajów uziomów sztucznych i zależności opisujących parametry tych uziomów jest naprawdę bardzo dużo i nie ma potrzeby, by opisywać tu wszystkie mniej lub bardziej skomplikowane przypadki. Wielu wybitnych naukowców dokonało już takiego usystematyzowania i opisu matematycznego. Czytelnik zainteresowany zgłębianiem wiedzy w tym zakresie może sięgnąć do różnych pozycji książkowych i zdobyć bardzo szczegółowe informacje. 

W tej części artykułu zajmiemy się opisaniem podstawowych parametrów technicznych uziemienia oraz kłopotami, które mogą występować z uzyskaniem tych parametrów na etapie wykonawstwa. Wspomnimy również o najczęściej popełnianych błędach w praktycznym podejściu do wykonania uziemienia.

Rezystancja uziemienia – parametr rozpoznawany przez wszystkich i intuicyjnie kojarzony zwykle z jak najmniejszą wartością wyrażoną w Ω. Właściwie nie ma w tym rozumowaniu błędu, trzeba tylko umiejętnie zdefiniować, kiedy dana wartość uziemienia będzie mała, kiedy na tyle duża, że nie jest możliwa do zaakceptowania. Ten problem był już wspomniany na początku artykułu i tak jak zaznaczono wyżej, trzeba powtórzyć teraz, że o takiej wielkości decydują wskazania normatywne lub obliczenia wykonane przez projektanta. Kiedy decydujemy o bezpiecznej i stabilnej pracy stacji transformatorowej, rezystancja uziemienia – wspólnego dla układu nN i SN – będzie z reguły oscylować wokół wartości 1 Ω, często poniżej tej wartości. Kiedy jednak chodzi o uziom współpracujący z instalacją odgromową, wymagana wartość wynosi 10 Ω. Jeśli zaś będziemy rozpatrywać uziemienia w sieciach rozdzielczych i instalacjach niskiego napięcia pracujących w układach TN, rozpiętość wartości będzie między 5 ≥ RB ≤ 30 Ω dodatkowo uzależniona od rezystywności gruntu. Z przytoczonego wyliczenia widać wyraźnie, że nie ma jednej uniwersalnej wartości, którą da się zastosować do każdego chronionego układu, by zachować zarówno poprawność techniczną, jak i kompromis techniczno-ekonomiczny. Wartość rezystancji uziemienia zależy od dwóch najważniejszych czynników, tzn. od rezystywności gruntu, w jakim uziom będzie pracował, i rodzaju tego uziomu. Rodzaj uziomu to z kolei jego konfiguracja i rozmiar fizyczny.

Do udowodnienia tej tezy rozpatrzmy prosty przypadek wykonania uziomu sztucznego dla obiektu o wymiarach 10 × 10 m. Powiedzmy, że projektant zdecydował się na zastosowanie uziomu otokowego, jednocześnie założył, że uziom będzie pracował w gruncie o rezystywności ρ = 500 Ωm. Uziom będzie stosowany ze względu na zapewnienie właściwych warunków ochrony przeciwporażeniowej oraz odgromowej. Ze wskazań normatywnych wynika, że wartość rezystancji uziemienia dla urządzenia odgromowego powinna wynosić nie więcej jak 10 Ω.

Z uproszczonej zależności matematycznej opisującej ten rodzaj uziomu:

RB = 0,6 ρ/A (1)

gdzie:

ρ – rezystywność gruntu,

A – powierzchnia terenu zajętego przez uziom,

otrzymujemy wartość RB = 30 Ω.

Na podstawie wcześniejszych założeń projektowych można przyjąć, że wartość rezystancji jest zbyt duża, żeby spełnić wymagania instalacji odgromowej. W takiej sytuacji projektant będzie szukał innych rozwiązań konstrukcyjnych, być może zdecyduje się na rozwiązanie mieszane, tj. np. uziom otokowy wspomagany uziomami pionowymi. Wszystko to będzie oczywiście wymagało dalszych obliczeń. W tabeli poniżej zaprezentowano przykładowe zależności matematyczne pozwalające obliczyć rezystancję uziemienia dla wybranego rodzaju uziomu. Dane w tabeli oczywiście nie wyczerpują wszystkich istniejących rodzajów uziomów ani tym samym ich obliczania – stanowią jednak ilustrację postawionej wyżej tezy. 

Tabela 1. Obliczanie rezystancji uziemień

Dokładna lektura nawet tych uproszczonych zależności potwierdza, że wartość rezystancji uziemienia zależy od warunków glebowych, w których będzie pracował, oraz od jego konstrukcji, rozmiarów. Warto tu wspomnieć o pewnym błędnym rozumowaniu, które zdarza się nader często nawet u doświadczonych elektryków. Czasem w obliczu złych wyników pomiarów gotowi są wprowadzać działanie naprawcze polegające na wymianie płaskownika typu FeZn30×4 na płaskownik np. FeZn50×6. Przedstawiony wcześniej przykład obliczeniowy oraz zaprezentowane wzory jasno wskazują, że przekrój taśmy, z jakiej wykonany będzie otok, nie wpłynie na zmniejszenie wartości rezystancji uziemienia. Spośród dwóch czynników, które wpływają na omawiany parametr, mamy zazwyczaj wpływ tylko na jeden z nich, tj. na konstrukcję uziemienia. Wartość rezystywności gruntu zależy od właściwości gleby na danym terenie, ukształtowania terenu, a czasem nawet jego historii (np. budowa nowych budowli na gruzach budynków zniszczonych). Przekrój taśmy, z jakiej wykonany zostanie uziom, ma wpływ na jego wytrzymałość antykorozyjną. Zatem wszędzie tam, gdzie istnieje podejrzenie, że warunki glebowe mogą w istotny sposób skrócić żywotność budowanego uziomu, warto zastosować bednarkę o większym przekroju.

Innym istotnym błędem popełnianym przez praktyków jest głębokie przekonanie, że wykonanie kilku układów uziomowych obok siebie i połączenie ich w jeden system spowoduje, że rezystancja uziemienia będzie wypadkową mniejszą niż rezystancja pojedynczego uziomu. Innymi słowy, zakładają, że w ten sposób zbudowany układ uziomowy zachowa się jak równoległe połączenie rezystorów. Niestety rozumowanie okazuje się błędne. Oczywiście zastosowanie większej liczby pojedynczych uziomów, – np. uziomów pionowych, jest możliwe i może przynieść oczekiwane rezultaty, ale z pewnością nie przy tak prostym postępowaniu. Gdyby wypowiadający takie sądy mieli choć trochę wiedzy teoretycznej, wiedzieliby z pewnością, że wokół każdego z układów uziomowych występuje tzw. strefa prądowa, a strefy prądowe każdego z układów uziomowych oddziałują na siebie i ostatecznie powodują, że rezystancja wypadkowa zbudowanego układu uziomowego może być większa, niż wynikałoby to z zależności na równoległe połączenie rezystorów.

Jaka jest wartość takiego układu uziomowego? Odpowiedź na to pytanie jest dość skomplikowana i wychodzi poza ramy artykułu mającego przybliżyć podstawy związane z budową uziemień. Wyliczenia wymagają wielu skomplikowanych obliczeń. Jednak w naszym tekście nie to jest najważniejsze – chodzi bowiem o to, by każdy, kto zetknie się z tego rodzaju problemem, nie próbował rozwiązywać go w prosty i niewłaściwy sposób.

Opisana wcześniej rezystancja uziemienia i sposób jej wyznaczania określana jest jako rezystancja statyczna. Rozległe układy uziomowe, w szczególności takie, które przeznaczone są przede wszystkim do odprowadzania prądów piorunowych o dużych wartościach, charakteryzują się jeszcze parametrem zwanym rezystancją udarową. Prąd udarowy o dużym natężeniu i krótkim czasie narastania powoduje, że w układach uziomowych zaczynają dominować tzw. zjawiska falowe. W uproszczeniu oznacza to, że ten duży prąd wpływający do układu uziomowego „widzi” niejako tylko część uziomu, zatem jedynie ograniczony fragment całego rozległego układu będzie skuteczny z punktu widzenia odprowadzenia prądu piorunowego. Oznacza to, że rezystancja układu uziomowego wyliczona na podstawie wzorów statycznych nie będzie mogła być tu wzięta pod uwagę. Wyliczenie rezystancji dynamicznej układu uziomowego jest procesem złożonym i nie ma powodu, by wyprowadzać skomplikowane matematycznie zależności.

Najczęściej można to sprowadzić do prostej zależności:

Ru = kRstat (2)

gdzie:

RU – wartość rezystancji dynamicznej uziomu,

k – współczynnik uwzględniający wszystkie czynniki,

Rstat – wartość statyczna rezystancji dynamicznej.

Wzór ma naturalnie charakter pierwotny i pozwala na dalsze ustalanie zależności matematycznych dla różnych rodzajów układów uziomowych. Współczynnik występujący we wzorze jest wielkością uwzględniającą wszystkie czynniki, które mogą mieć udział w powstawaniu wartości udarowej rezystancji. Uwzględnione są zatem warunki glebowe, konstrukcja uziomu, wartości prądu udarowego i innych czynników, które są brane są pod uwagę przy omawianiu tego parametru instalacji uziomowej. Praktycy zajmujący się na co dzień wykonywaniem instalacji uziemienia być może nie muszą mieć szczegółowej wiedzy pozwalającej na wyznaczenie wartości udarowej rezystancji uziemienia, muszą jednak bezwzględnie zdawać sobie sprawę, jakie zjawiska występują w pracy układu uziomowego i jak należy je interpretować. Tu pojawia się od razu bardzo ważne pojęcie w procesie wykonawczym, a mianowicie świadome wykonywanie danego rodzaju pracy. Tylko świadomość zjawisk zachodzących w pracującym układzie uziomowym może wpływać pozytywnie na jakość wykonywanych prac. W układach uziomowych przez jakość rozumie się przede wszystkim staranność wykonanej pracy.

Innym parametrem istotnym z punktu widzenia skuteczności działania uziemienia jest stabilność parametrów zbudowanego uziomu. Jak zostało zaznaczone wcześniej, istotną wielkością wpływającą na wartość rezystancji uziemienia jest rezystywność gruntu. Nad tą wielkością trzeba się zatrzymać nieco dłużej. Otóż wartość rezystywności gruntu nie jest wielkością stałą nawet dla danego terenu i będzie się zmieniać w zależności od wilgotności gleby, temperatury otoczenia i kilku innych uwarunkowań. Wystarczy jednak świadomość, że jest to parametr zmienny w czasie. Oczywiście trzeba uściślić, że zmienność rezystywności nie waha się nigdy w granicach setek procent, niemniej jednak zmiany, które występują (szczególnie do kilkudziesięciu centymetrów w głąb gruntu), mogą wpływać na wartość rezystancji układu uziomowego. Od razu trzeba też dodać, że im głębiej, tym wahania stają się mniejsze. Ustalono granicę, dla której wszystkie wzory na wartość rezystancji statycznej uziemienia można uznać za poprawne niezależnie od pory roku. Najczęściej autorzy podają, że wzory zachowują słuszność przy głębokościach ok. 0,8 m, niektórzy specjaliści podają zaś przedział 0,5 ÷ 1m. W praktyce utrwaliło się wykonywanie uziomów na głębokości nie mniejszej niż 1 m. Jednocześnie trzeba zaznaczyć, że dalsze zagłębianie uziomu nie jest sensowne, podnosi bowiem koszty, a nie powoduje już istotnych zmian w zakresie stabilności parametrów układu uziomowego.

Wydawać by się mogło, że opisane wcześniej zagadnienie to sprawa całkiem oczywista. Okazuje się jednak, że podczas współpracy z dużą liczbą różnych wykonawców autor tekstu spotykał się często z pytaniem, czy można zmniejszyć zagłębienie uziomu. Najbardziej odważna propozycja, jak padła, to 20 cm od poziomu gruntu. Na pytanie, skąd przekonanie, że tak zbudowany uziom będzie pracował poprawnie, wykonawca zwykle odpowiadał, że wystarczy położyć bednarkę w ziemi, reszta to tylko zbędny koszt. Miejmy nadzieję, że to wyjaśnienie przybliży nieco problem wszystkim amatorom płytkich uziomów.

Na zakończenie tej części artykułu warto jeszcze wspomnieć o uziomie fundamentowym sztucznym i jego właściwym wykonaniu. We wcześniejszej części artykułu wspomniano o możliwości wykorzystania konstrukcji żelbetowych jako uziomu naturalnego. W praktyce częstym rozwiązaniem jest uziom fundamentowy sztuczny. Jeżeli na etapie zbrojenia fundamentu bądź płyty fundamentowej wprowadzimy do niego płaskownik będący przewodem uziomowym, to uzyskamy sztuczny uziom fundamentowy. Żeby jednak w ten sposób wykonana konstrukcja mogła być uznana za sztuczny uziom fundamentowy, trzeba spełnić kilka istotnych warunków:

• na uziom zalewany betonem należy używać płaskowników lub drutów wykonanych ze stali węglowej gołej, najlepiej z takiej samej, z jakiej wykonywane jest zbrojenie. Zastosowanie stali ocynkowanej spowoduje powstanie ogniw galwanicznych typu cynk/żelazo i w konsekwencji degradację powłoki cynkowej, proces sam w sobie nie jest groźny, dowodzi tylko braku potrzeby stosowania takiej powłoki,
• stalowe elementy uziomu fundamentowego powinny być zalane betonem tak, żeby otaczająca je warstwa betonu ze wszystkich stron wynosiła minimum 5 cm. Sposób zalewania, ale i sam sposób montażu powinny gwarantować, że beton będzie dobrze przylegał do elementów uziomu,
• połączenia elementów uziomu i zbrojenia powinny gwarantować przede wszystkim niewielką rezystancję połączenia i bardzo dużą wytrzymałość mechaniczną. W tym przypadku wykluczone jest stosowanie połączeń z drutu wiązałkowego (jak do prętów zbrojeniowych) oraz złączek z mocowaniem zakleszczającym. Dopuszczalnym sposobem jest stosowanie złącz śrubowych, ale tylko takich, które producent dopuszcza do stosowania w betonie,
• po zakończeniu połączeń przewodów uziomowych z elementami zbrojenia powinna zostać wykonana dokumentacja fotograficzna, która potem zostanie dołączona do dokumentacji powykonawczej.

Wszystkie układy uziomowe powinny zostać szczegółowo pomierzone. Jest kilka metod pomiarowych, których stosowanie determinują warunki pomiarowe.