Co je umělá zemnící elektroda?

Kovové konstrukce speciálně vyrobené pro zemnící obvody jsou charakterizovány jako umělý zemnící vodič. Tento typ elektrod se používá v následujících případech:

• nemožnost použití přírodních uzemňovacích prvků;
• indikátory nadměrného proudu přípustného zatížení na přirozené zemnící elektrodě.

Takový konstrukční uzemňovací prvek má určitou konfiguraci (materiál, počet prvků, délka, umístění elektrod).

Co funguje jako umělý zemnící vodič

Zemnicí prvek je vyroben ve formě vodiče (elektrody) z určitého materiálu, který je uložen v zemi. V některých případech je instalováno několik podobných zemnících vodičů.

Určení situace, kdy je nutné nainstalovat skupinu umělých tyčí, se provádí pomocí speciálních výpočtů. Výsledek výpočtu odůvodňuje volbu konfigurace elektrody ve vztahu k jejímu odporu – hlavnímu indikátoru, který určuje kvalitu uzemnění.

Důležité! Sada propojených umělých tyčí, zapuštěných do země a spojených s elektrickým zařízením pomocí vodiče, tvoří zemnící smyčku.

Umělá zemnící elektroda je vyrobena z následujících materiálů:

1. Poměděná ocel. Spojení mezi mědí a ocelí má dobrou přilnavost. Pruty jsou odolné a mají výborný kontakt s jakýmkoliv materiálem. Díky svým chemickým vlastnostem má slitina vynikající elektrickou vodivost. Elektrochemická aktivita mědi a oceli je nevýznamná, normální provoz zemních elektrod vyrobených z takového kovu může dosáhnout více než sto let.
2. Cink Steel. Výhody: korozní odolnost materiálu, nízká odolnost, elektrody jsou odolné vůči kyselému prostředí.
3. Černé kovy. Nevýhoda: rychlá destrukce v agresivní půdě (vzniká koroze a rez). Vysoká pevnost materiálu zvyšuje odolnost proti šíření proudu, což je pro člověka extrémně nebezpečné.

Umělé zemnící elektrody se kromě materiálu liší tvarem a umístěním v půdě (hluboký vertikální a rozšířený horizontální typ).

Jaký je rozdíl mezi vertikálními a horizontálními uzemňovacími vodiči?

Mezi těmito typy elektrod není žádný zvláštní funkční rozdíl. Při instalaci vertikálních i horizontálních prvků je důležitá pouze hloubka jejich zapuštění.

Standardní indikátory hloubky:

1. Horní konec zemnících prvků uložených svisle v zemi je prohlouben o 0,7 m. Jsou uloženy vodorovně na dně, po obvodu základu. Průměr elektrod je od deseti do šestnácti mm, délka do 5m.
2. Vodorovné prvky uzemňovacího zařízení zasahují do země 0,5 m. Je-li půda orná, musí být položena do hloubky minimálně 1 m. Racionalita jejich použití je opodstatněná pouze tehdy, má-li vrchní vrstva zeminy dobré el. vodivost. Tento typ elektrod lze použít pro připojení vertikálních zemnících prvků. Spoje se provádějí svařováním. Používá se buď zaoblená ocel o průměru větším než 10 mm, nebo ocelové pásy o tloušťce větší než 4 mm.

Poznámka! Praktičtější je použít svislé zemnící vodiče. Vodorovné uzemňovací prvky se extrémně obtížně zakopávají do půdy do požadované hloubky. V malých hloubkách v takových uzemňovacích vodičích se hlavní charakteristický indikátor začíná zhoršovat – zvyšuje se odpor.

Neexistuje žádný specifický požadavek na profil, který by reguloval instalaci zemnících vodičů přísně ve svislé poloze (pouze poradní charakter). Vertikální elektrodu je možné instalovat pod mírným úhlem. Tento faktor neovlivňuje funkčnost zemnící elektrody.

Funkce umělého uzemňovacího prvku

Podle článku PUE 1.7.28 musí být uzemnění organizováno pro všechny typy průmyslových a domácích elektrických instalací. Potřeba instalace je odůvodněna praktickým významem funkcí systému. Každá část uzemňovacího zařízení má svůj vlastní úkol.

Vodivý prvek nebo soubor vzájemně propojených obdobných prvků uzemňovacího zařízení hraje důležitou roli ve správném provozu celého uzemňovacího systému objektu.

Existují dvě hlavní funkce uzemnění, které jsou realizovány pomocí umělé zemnící elektrody:

1. Zajištění elektrické bezpečnosti pro uživatele elektroinstalací. Hlavními úkoly ochranné funkce je snížení potenciálového rozdílu a odstranění bludných proudů. Svodový proud vzniká, když zemnící objekt interaguje s fázovým kabelem.
2. Podporuje efektivní a nepřetržitý provoz jak elektrického zařízení, tak celé elektroinstalace.

Důležité! Uzemnění je účinnější, když je elektrický systém objektu vybaven proudovým chráničem (RCD) nebo podobnými ochrannými zařízeními. Taková zařízení okamžitě reagují na únik proudu.

Umělý uzemňovací systém má řadu požadavků, jejichž implementace umožní dosáhnout správného výsledku plnění jeho funkcí. Základem je spolehlivá montáž a optimální umístění zemnícího prvku v zemi.

Jak nainstalovat umělou elektrodu do země

Během výrobního procesu je umělý zemnící vodič opakovaně testován na shodu se všemi parametry regulačních požadavků. Obdobná je situace s jeho instalací a umístěním v zemi. Shrneme-li data, můžeme zdůraznit hlavní body výroby takové elektroinstalace:

1. Proces instalace je téměř zcela mechanizován.
2. Pokud jsou k dispozici dva prodloužené (vodorovné) paprsky, elektrody se pokládají z uzemněné části elektroinstalace v opačných směrech. Za předpokladu, že existují více než dvě zemnící elektrody, jsou nosníky položeny pod úhlem (úhel 120° – 90°). Toto umístění je způsobeno zlepšením indikátoru odporu.
3. Při instalaci zemnící elektrody často dochází k distribuci potenciálu. Rozdíl potenciálu na povrchu půdy (nad zemní elektrodou) a kolem prvku (uvnitř půdy) způsobuje vznik nebezpečných napětí. Pro vyrovnání potenciálů v takových případech je umělá zemnící elektroda vyrobena ve formě mřížky. Vodorovné elektrody jsou položeny podél i napříč oblasti elektroinstalace. Spojení na křižovatkách se provádí svařováním.

Důležité! Když jsou elektrody tohoto typu umístěny blízko sebe, dochází ke stínění. Jejich účinnost klesá.

Konečnou fází uzemnění bude nutně práce na měření parametrů zemního odporu.

Jak určit odpor

Podle regulační dokumentace je tento indikátor považován za hlavní pro určení kvality uzemňovacího zařízení. Odpor reguluje spolehlivost výroby hlavních funkcí uzemňovacích prvků.

Faktory, které mají primární vliv na ukazatel:

1. Plocha (S) zemnících elektrod s půdou („odvádění“ proudu).
2. Elektrický odpor zeminy (R).

Existují standardní indikátory odolnosti proti šíření, které zajišťují efektivní provoz uzemňovacího systému. Určuje se úroveň proudové vodivosti zařízením.

Poznámka! U elektrické instalace s napětím 380 V by hodnota odporu neměla překročit 30 Ohmů. Video monitorovací systémy, serverové jednotky a lékařské vybavení jsou uzemněny s odporem zemnících prvků 0,5–1 Ohm.

Stanovení takového indikátoru vodivosti není jediným doporučením. Existuje také řada obecně povinných požadavků na konstrukci a instalaci takového uzemňovacího prvku.

Základní požadavky

Většina příslušných doporučení a pravidel upravuje návrh a umístění takové součásti uzemňovacího systému. Požadavky, které musí splňovat systém umělého uzemnění:

1. Pro aridní oblasti existuje samostatná technologie pro uzemnění pomocí železobetonových konstrukcí.
2. Umělý zemnící vodič nelze natírat. To se vysvětluje skutečností, že jakékoli zbarvení působí jako izolant. Izolace zabrání protékání proudu do půdy. Umělý zemnící vodič musí mít přirozenou barvu.
3. Svarové švy (spojení vodičů) musí být natřeny. Natřeno bitumenovou barvou, zabrání se předčasnému zničení spojovacích prvků.
4. Nestandardní (snížené) hodnoty elektrod se používají výhradně při instalaci dočasných elektrických instalací.

Za optimální volbu zemnícího materiálu se považuje kruhová výztuž. Odůvodnění této priority:

Kromě požadavků na profil je doporučená standardizace parametrů (rozměrů) použitého materiálu pro vytvoření umělého zemnicího prvku.

Jak se volí velikosti umělých elektrod

Všechny parametry základní konfigurace vodičů musí nutně odpovídat regulačním požadavkům profilové dokumentace, zejména GOST R 50571.5.54-2013.

1. Ocelová tyč musí mít průměr větší než 10 mm.
2. Pozinkovaná armovací tyč musí mít průměr 6 mm nebo více.
3. Dodržujte tloušťku stěny v rozích – přes 4 mm.
4. Používají se zemnící vodiče ochrany před bleskem s průřezem nad 155 mm².
5. Stěny vyřazených trubek jsou namontovány o tloušťce nad 3,5 mm.
6. Tloušťka stěny vyřazených trubek je minimálně 3,5 mm.

Správně zvolené materiály a velikosti elektrod, použití optimálních variací při výrobě takových elektroinstalací jsou hlavními provozními aspekty uzemnění, které ovlivňují kvalitu zemnící elektrody.

Umělá elektroda má důležitou provozní výhodu díky principu instalace. Tento typ se často instaluje hluboko do země. Vlivem spodní vody klesá měrný odpor materiálu. Výsledkem je implementace optimální charakteristiky a stability konečného odporu zemnící elektrody.

Zemnící elektroda je hlavním prvkem uzemňovacího zařízení. Zemnící elektroda je jedna zemnící elektroda nebo skupina elektrod (zemní smyčka), která je v elektrickém kontaktu se zemí.

Funkčnost zemnící elektrody je dána především zemním odporem, který musí být minimálně nízký. K tomu se používají různé metody, včetně hlubokého uzemnění.

Hluboká zemnící elektroda

Použití hluboké zemnící elektrody může výrazně snížit plochu, kterou zabírá zemnící elektroda na povrchu, a také zvýšit její účinnost (snížit odpor uzemnění), protože elektroda (elektrody) takové zemnící elektrody je umístěna ve vrstvách půdy s nižší měrný odpor než v povrchových vrstvách (kvůli vyšší vlhkosti a hustotě půdy).

Tento způsob konstrukce zemnící elektrody nebyl v minulosti často používán pro složitost instalace, která vyžadovala použití speciálního stavebního zařízení – vrtné soupravy.

V dnešní době, s rozšířeným používáním modulárního uzemnění, se instalace hlubinných zemnících elektrod stala jednoduchou a rychlou bez použití speciálního vybavení. Jednoduchost umožňuje práci ve sklepech.

Přirozené uzemnění

Přirozené uzemňovací elektrody jsou kovové konstrukce, které mají kontakt se zemí a lze je použít k uzemnění.
Jako přirozené uzemňovací vodiče se používají například následující:

• kovové konstrukce a armování železobetonových konstrukcí budov a konstrukcí v kontaktu se zemí
• potrubí podzemní vody a jiných kovových potrubí, jakož i plášťové trubky

Přirozené zemnící vodiče musí být spojeny s objektem alespoň dvěma zemnicími vodiči připojenými k takovému uzemňovacímu vodiči v různých místech.

Jako přirozené uzemňovací vodiče nelze použít následující:

• potrubí pro hořlavé kapaliny, hořlavé nebo výbušné plyny
• potrubí potažené izolací na ochranu proti korozi
• rozvody kanalizace a ústředního topení

V případech, kdy přirozené zemnící vodiče chybí nebo mají příliš vysoký zemnící odpor, se používají umělé zemnící vodiče.

Umělá zemnící elektroda

Umělé zemnící elektrody jsou kovové konstrukce instalované v zemi, speciálně navržené pro účely uzemnění.

Jako umělé uzemňovací vodiče se používají:

• vertikálně uložené ocelové trubky, úhlová ocel, kovové tyče atd.
• vodorovně položené ocelové pásy v zemi, kruhová ocel atd.

K ochraně zemnící elektrody před korozí se používají elektrody pozinkované nebo poměděné (lépe). Příkladem systému umělého uzemnění na bázi poměděných elektrod je modulární uzemnění ZANDZ.

Potřeba elektrického propojení zemnící smyčky ochrany před bleskem instalované přímo na budově se zemnící smyčkou pro elektroinstalace je předepsána v aktuálních regulačních dokumentech (PUE). Citujeme doslovně: „Uzemňovací zařízení pro ochranné uzemnění elektrických instalací budov a staveb a ochranu před bleskem kategorie 2 a 3 těchto budov a staveb by měla být zpravidla společná.“ Nejběžnější jsou 2. a 3. kategorie, do 1. kategorie patří výbušné předměty, na které jsou kladeny zvýšené požadavky na ochranu před bleskem. Přítomnost fráze „zpravidla“ však implikuje možnost výjimek.

Moderní kancelářské a nyní obytné budovy obsahují mnoho systémů podpory života. Je obtížné si představit absenci ventilačních systémů, hasicích systémů, video dohledu, kontroly přístupu atd. Návrháři takových systémů se přirozeně obávají, že „jemná“ elektronika selže v důsledku blesku. Zároveň mezi odborníky vyvstávají určité pochybnosti o proveditelnosti spojení obrysů dvou typů uzemnění a vyvstává touha „v mezích zákona“ navrhnout elektricky nepropojené uzemnění. Je tento přístup možný a skutečně zlepší bezpečnost elektronických zařízení?

Proč je nutné kombinovat zemní smyčky?

Při úderu blesku do hromosvodu dojde ke krátkému elektrickému impulsu o napětí až stovek kilovoltů. Při takto vysokém napětí může dojít k průrazu mezery mezi hromosvodem a kovovými konstrukcemi domu včetně elektrických kabelů. Důsledkem toho bude vznik nekontrolovatelných proudů, které mohou vést k požáru, selhání elektroniky a dokonce i zničení prvků infrastruktury (např. plastového vodovodního potrubí). Zkušení elektrikáři říkají: “Dej blesku cestu, jinak si ho najde sám.” Proto je povinné elektrické uzemnění.

Ze stejného důvodu PUE doporučuje elektricky kombinovat nejen uzemnění umístěná ve stejné budově, ale také uzemnění geograficky blízkých objektů. Tento koncept se týká objektů, jejichž uzemnění je tak blízko, že mezi nimi není žádná zóna nulového potenciálu. Spojení několika uzemnění do jednoho se provádí v souladu s normami PUE-7, bod 1.7.55, spojením zemnících vodičů s elektrickými vodiči v počtu nejméně dvou kusů. Kromě toho mohou být vodiče buď přirozené (například kovové prvky konstrukce budovy) nebo umělé (dráty, pevné přípojnice atd.).

Jedno společné nebo samostatné uzemňovací zařízení?

Zemnící vodiče pro elektroinstalace a ochranu před bleskem mají různé požadavky a tato okolnost může způsobit určité problémy. Zemnící elektroda pro ochranu před bleskem musí v krátké době vybít do země velký elektrický náboj. Současně je podle „Pokynů k ochraně před bleskem RD 34.21.122-87“ konstrukce zemnící elektrody standardizována. Pro hromosvod jsou podle tohoto návodu nutné minimálně dva svislé nebo radiálně vodorovné zemnící vodiče, s výjimkou hromosvodu kategorie 1, kdy jsou potřeba tři takové kolíky. Proto jsou nejběžnější možností uzemnění hromosvodu dva nebo tři kolíky, každý o délce asi 3 m, spojené kovovým pásem zapuštěným alespoň 50 cm do země. Při použití dílů vyráběných společností ZANDZ je taková zemnící elektroda odolná a snadno se instaluje.

Uzemnění pro elektroinstalaci je úplně jiná věc. V normálním případě by neměla překročit 30 Ohmů a pro řadu aplikací popsaných v pokynech oddělení, například pro mobilní komunikační zařízení – 4 Ohmy nebo ještě méně. Takovými uzemňovacími elektrodami jsou kolíky dlouhé více než 10 m nebo i kovové desky umístěné ve velkých hloubkách (až 40 m), kde půda ani v zimě nezamrzá. Vytvořit takový hromosvod se dvěma nebo více prvky zakopanými v desítkách metrů je příliš nákladné.

Pokud parametry půdy a požadavky na odolnost umožňují jediné uzemnění v objektu pro hromosvody a uzemnění elektroinstalace, nic tomu nebrání. V ostatních případech se pro hromosvod a elektroinstalaci vyrábějí různé zemnící smyčky, které však musí být elektricky zapojeny, nejlépe v zemi. Výjimkou je použití některých speciálních zařízení, která jsou obzvláště citlivá na rušení. Například zařízení pro záznam zvuku. Takové zařízení vyžaduje samostatné, tzv. technologické uzemňovací zařízení, které je přímo uvedeno v návodu. V tomto případě je vyrobeno samostatné uzemňovací zařízení, které je připojeno k systému vyrovnání potenciálu budovy přes hlavní zemnící sběrnici. A pokud takové připojení není stanoveno v návodu k obsluze zařízení, jsou přijata zvláštní opatření, aby se zabránilo tomu, aby se lidé současně dotýkali uvedeného zařízení a kovových částí budovy.

Elektrické uzemnění

Obvod s několika elektricky propojenými zeměmi zajišťuje splnění různých, někdy protichůdných požadavků na uzemňovací zařízení. Podle PUE musí být uzemnění, stejně jako mnoho jiných kovových prvků budovy, stejně jako zařízení v ní instalované, spojeno systémem vyrovnání potenciálu. Vyrovnání potenciálu se týká elektrického spojení vodivých částí k dosažení stejného potenciálu. Existují hlavní a doplňkové systémy vyrovnání potenciálu. Zemnící spoje jsou připojeny k hlavnímu systému vyrovnání potenciálu, to znamená, že jsou vzájemně propojeny přes hlavní zemnící sběrnici. Vodiče připojující uzemnění k této sběrnici musí být zapojeny podle radiálního principu, to znamená, že jedna větev z uvedené sběrnice vede pouze k jedné zemi.

Pro zajištění bezpečného provozu celého systému je velmi důležité použít co nejspolehlivější spojení mezi uzemněním a hlavní zemnící sběrnicí, které nezničí blesk. Chcete-li to provést, musíte dodržovat normy PUE a GOST R 50571.5.54-2013 „Nízkonapěťové elektrické instalace. Část 5-54. Uzemňovací zařízení, ochranné vodiče a vodiče ochranného vyrovnání potenciálu“ s ohledem na průřez vodičů systému vyrovnání potenciálu a jejich vzájemné propojení.

Ani velmi kvalitní systém vyrovnání potenciálu však nemůže zaručit absenci napěťových rázů v síti při úderu blesku do budovy. Spolu s dobře navrženými zemnícími smyčkami vás tedy od problémů ušetří zařízení na ochranu proti přepětí (SPD). Taková ochrana je vícestupňová a selektivní povahy. To znamená, že na zařízení musí být instalována sada přepěťových ochran, jejichž výběr prvků není snadný úkol ani pro zkušeného odborníka. Naštěstí jsou k dispozici hotové sady SPD pro typické aplikace.

Závěry

Doporučení PUE o elektrickém připojení všech zemnících smyček v budově je oprávněné a při správné implementaci nejenže neohrožuje složitá elektronická zařízení, ale naopak je chrání. V případě, že je zařízení citlivé na rušení bleskem a vyžaduje vlastní samostatnou zemnící elektrodu, lze nainstalovat samostatné procesní uzemnění v souladu s manuálem dodaným se zařízením. Systém vyrovnání potenciálu, který kombinuje různé zemnící smyčky, musí zajistit spolehlivé elektrické připojení a do značné míry určuje celkovou úroveň elektrické bezpečnosti v zařízení, proto je třeba mu věnovat zvláštní pozornost.