Instalacje uziemiające – zalecenia norm, cz. I

Wybór nieodpo­wiednich materiałów może prowadzić do przyspieszonej korozji uziomów i w rezultacie do szybkiej degradacji ich parametrów elektrycznych. Uziom fundamentowy stanowi w wielu przy­padkach skuteczne rozwiązanie dla uziemienia instalacji elektrycznych lub odgromowych, w związku z czym jest on obecnie wymagany jako uziom podstawowy dla obiektów budow­lanych, w tym również dla obiektów energetycznych, takich jak: konte­nerowe stacje elektroenergetyczne niskiego napięcia, stacje elektroener­getyczne wysokiego napięcia oraz li­nie elektroenergetyczne wysokiego, średniego i niskiego napięcia. Często jednak taki uziom wymaga uzupełnie­nia o dodatkowe zewnętrzne uzio­my sztuczne umożliwiające uzyska­nie dostatecznie małej rezystancji uziemienia lub spełnienie wymagań normatywnych odnoszących się do wymiarów geometrycznych uziomu. Zgodnie z wymaganiami norm [1] pogrążane bezpośrednio w gruncie metalowe elementy uziomu sztucz­nego, łączonego z uziomem funda­mentowym, powinny być wykonywane wyłącznie z miedzi, stali nierdzewnej lub stali pomiedziowanej. Stosowanie w tym celu stali ocynkowanej jest niedopuszczalne ze względu na zbyt dużą różnicę potencjałów elektro­chemicznych między stalą ocynkowa­ną w ziemi a żelbetem, co stwarza warunki sprzyjające przyspieszonej korozji uziomu zewnętrznego (stali ocynkowanej). Aktualnie obowiązu­jące zasady prawidłowego projek­towania systemów uziemiających w fundamencie i uziomów sztucznych instalowanych wokół obiektu budowla­nego są w szczegółowy sposób opisa­ne w normie PN-EN 62305-3:2009, przywołanej w rozporządzeniu Mini­stra Infrastruktury w sprawie wa­runków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [2, 3]. Norma ta z chwilą jej przywo­łania przez ministra uzyskała status obowiązkowego stosowania, w związ­ku z czym, zgodnie z zawartymi w niej zaleceniami, powinny być wykonywane również uziomy fundamentowe i jego połączenia z uziomami dodatkowymi (sztucznymi).

Rys. 1 Typy uziomów według PN-EN 62305-3

Uziom obiektu budowlanego

Uziemienie obiektu budowlanego ma na celu spełnienie wymagań ochrony przeciwporażeniowej, a także wy­magań funkcjonalnych w stosunku do instalacji elektrycznej [4, 5] oraz instalacji odgromowej [1]. Stosowa­nie uziomów ma przede wszystkim na celu:

– zapewnienie poprawnej pracy insta­lacji elektrycznej,

– spełnienie wymagań odnośnie do bezpieczeństwa życia ludzi (dla za­pewnienia prawidłowego funkcjono­wania ochrony przeciwporażeniowej instalacji elektrycznych),

– skuteczne wyrównanie potencjałów instalacji obiektu i odprowadzenia energii przepięć występujących w sieciach energetycznych lub powstających na skutek oddziaływania wyładowań atmosferycznych,

– odprowadzenie prądów zwarcio­wych doziemnych i prądów upły­wowych,

– bezpieczne rozproszenie w zie­mi prądu pioruna odprowadzonego z instalacji odgromowej (LPS).

Zasady projektowania uziomów dla celów instalacji odgromowej zawarto w normie PN-EN 62305-3:2009 [1], w której wyróżniono dwa typy uziomów (rys. 1):

– układ typu A: złożony z uziomów po­ziomych i pionowych instalowanych na zewnątrz obiektu budowlanego;

– układ typu B: w postaci uziomu otokowego, kratowego lub funda­mentowego.

O skuteczności systemu uziomowego decyduje jego rezystancja uziemienia. W ogólnym przypadku, jeżeli nie zostały sprecyzowane specjalne wytyczne, dla obiektów budowlanych zaleca się, aby nie przekraczała ona wartości 10 Ω. Aby spełnić wymagania aktualnych norm odgromowych [1], wystarczy określić minimalną długość uziomu l₁ zgodnie z rys. 2, przy czym kryterium konkretnej wartości 10 Ω, o czym wspomniano wcześniej, uznano za „ogólnie zalecane”. Z rys. 2 wynika, że wartość minimalna l₁ jest zależna od rezystywności gruntu p oraz od klasy projektowanej instalacji odgro­mowej LPS. Długości l1 mogą zostać jednak pominięte jako kryterium, jeżeli uzyskana została rezystancja uzie­mienia mniejsza niż 10 Ω.

W przypadku obiektów specjalnych, takich jak stacje transformatorowe, dla celów ochrony przeciwporażenio­wej mogą być wymagane mniejsze wartości rezystancji. Przykładowo, w serii norm PN-HD 60364 doty­czących instalacji elektrycznych nis­kiego napięcia pojawia się zalecenie, aby rezystancja uziemienia części przewodzących dostępnych w stacji transformatorowej nie przekraczała 10[4].

Biorąc pod uwagę tylko kryterium długości uziomu zgodnie z wykresami przedstawionymi na rys. 2, w układach uziomowych typu A minimalna długość każdego uziomu od podstawy przewodu odprowadzającego powinna być równa:

–  l₁ dla uziomów poziomych lub

– 0,5 l₁ dla uziomów pionowych lub nachylonych.

Przy stosowaniu uziomów złożonych (poziomych i pionowych) należy brać pod uwagę ich sumaryczną długość. Całkowita liczba uziomów nie powinna być mniejsza niż 2.

W układach typu B jako kryterium długości uziomu rozpatruje się średni promień r_e obszaru objętego uziomem otokowym lub uziomem fundamento­wym, który nie powinien być mniej­szy niż minimalna wymagana długość uziomu: r_e ≥ l₁. Jeżeli warunek ten nie jest spełniony (r_e < l₁), należy sto­sować dodatkowe uziomy poziome lub pionowe o długościach: l_r = l₁ – r_e

dla dodatkowych uziomów poziomych lub

l_r = (l₁ – r_e )/2

dla dodatkowych uziomów piono­wych. Uziomy dodatkowe należy rozmieszczać w punktach, w któ­rych przyłączone są przewody od­prowadzające instalacji odgromowej i w miarę możliwości w jednakowych odległościach wzdłuż obwodu uzio­mu typu B.

W praktyce rozbudowywanie syste­mu uziomowego o dodatkowe uziomy poziome i pionowe jest także często stosowane do uzyskania odpowiednio małej – wymaganej zgodnie z projek­tem – rezystancji uziemienia. Uzy­skuje się to również przez pogrąża­nie uziomów pionowych na większe głębokości.

Uziom otokowy, jako odmiana uziomu typu B, powinien być zakopany na głę­bokości co najmniej 0,5 m w odległo­ści ok. 1 m od zewnętrznych ścian obiektu. Podobnie pozostałe typy uziomów (typu A) powinny być insta­lowane przy usytuowaniu ich górnych części na głębokości nie mniejszej niż 0,5 m. Z tego względu jedyną meto­dą oceny ciągłości połączeń uziomu z instalacją odgromową lub szyną wy­równawczą jest pomiar elektryczny. W tym celu wykonywane są zaciski probiercze zwane potocznie złączami kontrolno-pomiarowymi (ZKP). Zaciski probiercze lokalizowane są w miejscu połączenia przewodów odprowadzają­cych instalacji odgromowej z przewo­dami uziemiającymi lub w specjalnych skrzynkach pomiarowych umieszcza­nych w gruncie.

Rys. 2 Minimalna długość l1 każdego uziomu zgodnie z klasą LPS [1]

Wymagania dla elementów uziemiających

Na uziomy sztuczne montowane bez­pośrednio w gruncie stosuje się: dru­ty, linki, taśmy, pręty, lite płyty lub kratownice. Wymagania, jakie powin­ny one spełniać, zawarte są między innymi w najnowszych normach doty­czących instalacji elektrycznych:

– niskiego napięcia: PN-HD 60364- 5-54:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część 5-54: Do­bór i montaż wyposażenia elektrycz­nego. Układy uziemiające i przewody ochronne (oryg.) [5];

– o napięciu powyżej 1 kV: PN-EN 50522:2011 Uziemienie instalacji elektroenergetycznych prądu prze­miennego o napięciu wyższym od 1 kV (oryg.) [9], oraz w normach odgromowych, dotyczących:

– projektowania ochrony odgromowej: PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgromowa – Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektów i zagrożenie życia (oryg.) [1];

– elementów instalacji piorunochronnych: PN-EN 62561-2:2012 Ele­menty urządzenia piorunochronne- go (LPSC) – Część 2: Wymagania dotyczące przewodów i uziomów (oryg.) [8] (wcześniej jako PN-EN 50164-2:2010).

Zamieszczono tam wymagania doty­czące dopuszczanych do stosowania materiałów, rodzajów powłok oraz wymiarów elementów. Zalecenia zawarte w normach [5], [1] i [8] są w du­żym stopniu spójne, a wymagania normy PN-EN 50522:2011, pomimo jej za­twierdzenia przez CENELC jako nor­my europejskiej w zbliżonym okresie, w pewnym jej zakresie odbiegają od postanowień pozostałych norm. W tablicy zamieszczono i porówna­no wymagania dotyczące elementów uziemiających zebrane z powyższych norm. Kolorem czerwonym zaznaczo­no wartości różniące się między po­szczególnymi dokumentami.

Fot. 1 Uziomy pionowe pomiedziowane Galmar: a) gwintowany, b) kuty z powłoką Cu 250 µ m

Materiały na uziomy

We wszystkich wymienionych normach jako materiały stosowane do produk­cji elementów uziemiających zaleca się stosowanie miedzi: gołej lub cyno­wanej, oraz stali: ocynkowanej na go­rąco, nierdzewnej lub pomiedziowanej elektrolitycznie. Normy elektryczne (zarówno PN-HD 60364-5-54:2011, jak i PN-EN 50522:2011) dopuszcza­ją do stosowania także stal pokrytą powłoką miedzi o grubości 1000  µm, jednak taki materiał podatny jest na odwarstwianie powłoki Cu pod wpły­wem narażeń mechanicznych. Z tego względu normy odgromowe dopusz­czają już jedynie stal pomiedziowaną elektrolitycznie, która dzięki opraco­wanej technologii zapewnia znacznie trwalszy kontakt obu warstw nawet przy znacznie mniejszej grubości po­włoki Cu.

Norma PN-EN 50522 jako jedyna z wymienionych dopuszcza do stoso­wania takie materiały, jak stal i miedź z powłokami z ołowiu. Ze względu na szkodliwe właściwości ołowiu takie materiały nie powinny być obecnie do­puszczane do stosowania.

Pewne rozbieżności pomiędzy zalece­niami poszczególnych norm dotyczą co­raz popularniejszej w ostatnich latach stali pomiedziowanej elektrolitycznie. W normie PN-EN 50522 jest mowa jedynie o prętach wykonanych z takiego materiału, przy czym pozostałe normy dopuszczają także druty i taśmy (bed­narki). Błędna wydaje się podana w tej normie minimalna grubość powłoki mie­dzi dla prętów pionowych – 90  µm. Zarówno normy odgromowe, jak i norma dotycząca instalacji niskiego napięcia wymagają, aby grubość tej warstwy wynosiła co najmniej 250  µm, ponieważ powłoka o grubości 90  µm może być zbyt mało odporna na narażenia mecha­niczne, jakim poddawane są pręty przy pogrążaniu w ziemi. Cieńsze grubości warstw dopuszczalne są natomiast w przypadku drutów i bednarek, które są układane poziomo w wykopach i przysypywane ziemią, przez co w znacznie mniejszym stopniu narażone są na uszkodzenia. Nie wydaje się ponadto logiczne, aby większe obostrzenia były stawiane instalacjom niskiego napięcia (dla których także wymagana jest gru­bość warstwy 250  µm) niż dla instalacji o napięciu powyżej 1 kV Obecnie niewie­lu producentów spełnia te wymagania. Na przykład na rynku dostępne są prę­ty stalowe pomiedziowane o powłoce Cu 240 µm – różnica, choć niewielka, powoduje, że dany produkt nie spełnia wymagań normatywnych. Przykłady uziomów pionowych pomiedziowanych spełniających wymagania wymienionych norm przedstawiono na fot. 1.

W przypadku bednarek pomiedziowanych elektrolitycznie wymagania znacznie cieńszej warstwy powło­ki miedzianej wynikają z mniejszego ryzyka uszkodzenia powłoki uziomu. Bednarki układane w wykopach i za­sypywane ziemią nie podlegają istot­nym narażeniom mechanicznym, stąd w ich przypadku wymagana jest powłoka miedzi o grubości jedynie 70  µm. Bednarka pomiedziowana musi być jednak wystarczająco odporna na wyginanie, a takie narażenie nie może powodować odwarstwiania się mie­dzianej powłoki ochronnej.

W najnowszych normach odgromo­wych w ogóle nie określono wymagań dotyczących grubości powłok cynku, chociaż takie informacje podane były we wcześniejszej wersji normy PN-EN 62305-3 z 2009 r. Były tam sprecy­zowane wymagania, które mówiły, że powłoka cynku powinna być gładka, ciągła i wolna od plam, a jej minimalna grubość powinna wynosić 50  µm dla elementów okrągłych (druty i pręty) oraz 70 µm dla materiałów płaskich (bednarki). Wśród najnowszych norm wymagania te zamieszczone są jedy­nie w normach dotyczących instalacji elektrycznych. Należy jednak zwrócić uwagę, że wartości te podane w nor­mach PN-EN 50522:2011 i PN-HD 60364-5-54:2011 są różne. W zależności od kształtu elementu za­lecane minimalne grubości powłok wahają się od 45 do 63 gm. Norma PN-EN 62561-2:2012 stawia z ko­lei wymagania dotyczące gramatury powłoki cynku, która powinna wynosić 350 g/m² dla elementów okrągłych i 500 g/m² dla elementów płaskich. Takie sformułowanie wymagań jest bardziej uzasadnione, ponieważ na­wet wtedy, gdy przerwana zostanie ciągłość powłoki cynku, w pierwszej kolejności korodować będzie cynk, a dopiero później pokryta nim stal. Żadna z norm nie wymienia wśród ma­teriałów dopuszczanych do stosowania stali ocynkowanej galwanicznie.

Tabl. Materiały dopuszczone do stosowania na uziomy w gruncie, ich konfiguracja oraz minimalne wymiary, a także grubości powłok ochronnych

1) wartości w nawiasach dotyczą uziomów przeznaczonych jedynie do celów ochrony przeciwporażeniowej

2) średnica podana dla pojedynczego drutu

3) dla płyt i krat podane wymiary to powierzchnia/grubość

4) kratownica skonstruowana z przewodu o długości co najmniej 4,8 m

5) zbudowana z taśmy o przekroju 25 x 2 mm lub drutu o średnicy 8 mm

6) zbudowana z taśmy o przekroju 30 x 3 mm lub drutu o średnicy 10 mm

7) wartość średnia

Minimalne wymiary elementów

W normie dotyczącej instalacji nis­kiego napięcia PN-HD 60364-5-54 dla wybranych elementów (druty, linki i pręty miedziane) podano dwa wymiary odpowiednio dla przypadku, gdy instalacja uziemiająca jest prze­znaczona jedynie do celów ochrony przeciwporażeniowej oraz gdy instalacja ma być wykorzystana również do celów ochrony odgromowej. Wy­miary elementów uziemień, np. mini­malne średnice prętów lub przekroje drutów, mogą być mniejsze, w przy­padku gdy uziom nie jest narażony na oddziaływanie prądów piorunowych. Wymiary zalecane w PN-EN 50522 pokrywają się z wartościami poda­nymi w PN-HD 60364-5-54 właśnie dla tego przypadku. W związku z tym należy rozumieć, że wymiary podane w PN-EN 50522 dotyczą jedynie za­stosowań do celów ochrony przeciw­porażeniowej, natomiast jeżeli uziom ma za zadanie także rozproszenie prądu pioruna w ziemi, to należy sto­sować się do bardziej rygorystycz­nych wymagań norm PN-EN 62305-3:2011 i PN-EN 62561-2:2012.

W najnowszej normie odgromowej PN-EN 62305-3:2011 zamieszczono mniej szczegółowe w porównaniu do edycji z 2009 r. informacje dotyczą­ce uziomów. W stosunku do pierwszej edycji usunięto informacje dotyczące m.in. grubości bednarek, grubości po­włoki miedzi i cynku dla prętów stalo­wych, średnic drutów. Pozostawiono jedynie wymagania dotyczące średnic prętów, powierzchni przekroju dru­tów i bednarek oraz powierzchnie płyt i kratownic. Wszelkie szczegółowe za­lecenia przeniesione zostały do normy PN-EN 62561-2:2012 – poza wyma­ganiami dotyczącymi grubości warstw cynku, które obecnie nie są zawarte w żadnej z norm odgromowych. Warto także wspomnieć, że pręty pomiedziowane elektrolitycznie były wymieniane już w normie PN-EN 50164-2:2003 dotyczącej przewodów i uziomów, a w normach odgromowych serii 62305 pojawiły się dopiero w 2011 r. Różnice można także zauważyć w mi­nimalnych średnicach prętów wykona­nych ze stali ocynkowanej oraz stali nierdzewnej, a także w wymiarach bednarek ze stali nierdzewnej. Nor­my elektryczne zalecają stosowanie prętów ze stali ocynkowanej na go­rąco i stali nierdzewnej o średnicach 16 mm, przy czym normy odgromowe dopuszczają mniejsze średnice o war­tościach odpowiednio 14 i 15 mm. Różnica ta w praktyce jest jednak mało znacząca, ponieważ większość produ­centów oferuje pręty stalowe o śred­nicach co najmniej 16 mm (typowe φ: 16 mm, 18 mm lub 20 mm), które spełniają wymagania zarówno norm odgromowych, jak i elektrycznych. Minimalna powierzchnia przekroju bednarek ze stali nierdzewnej wg PN-HD 60364-5-54 powinna wyno­sić 90 mm² przy ich grubości 3 mm, natomiast według norm odgromo­wych powinna wynosić co najmniej 100 mm² przy grubości 2 mm. Na rynku przeważnie oferowane są jed­nak bednarki ze stali nierdzewnej o przekroju 105 mm² (30 mm x 3,5 mm), co spełnia wymagania do­wolnej z norm zarówno w zakresie minimalnej powierzchni przekroju, jak i grubości materiału.

Uwaga: Tekst został zamieszczony za zgodą Centrum Ochrony Przed Prze­pięciami i Zakłóceniami Elektromagne­tycznymi w Białymstoku. Artykuł uka­zał się pierwotnie w miesięczniku INPE nr 184-185, styczeń-luty 2015 r.

Literatura

1.  PN-EN 62305-3:2011 Ochrona odgro­mowa. Część 3: Uszkodzenia fizyczne obiektu i zagrożenie życia.

2.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690).

3.  Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 10 grudnia 2010 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowia­dać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2010 r. Nr 239, poz. 1597).

4.  PN-HD 60364-4-442:2012 Instalacje elektryczne niskiego napięcia – Część

4-442: Ochrona dla zapewnienia bezpie­czeństwa – Ochrona instalacji niskiego napięcia przed przepięciami dorywczymi powstającymi wskutek zwarć doziem­nych w układach po stronie wysokiego i niskiego napięcia.

5.  PN-HD 60364-5-54:2011 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elek­trycznego. Uziemienia, przewody ochron­ne i przewody połączeń ochronnych.

6.  E. Musiał, Uziomy fundamentowe i parafundamentowe,miesięcznik SEP INPE „Informacje o normach i przepi­sach elektrycznych”, nr 143, s. 3-33, sierpień 2011.

7.  Ochrona elektrochemiczna przed koro­zją, Teoria i praktyka,praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1971.

8.  PN-EN 62561-2:2012 Elementy urządzenia piorunochronnego (LPSC) – Część 2: Wymagania dotyczące prze­wodów i uziomów.

9.  PN-EN 50522:2011 Uziemienie insta­lacji elektroenergetycznych prądu prze­miennego o napięciu wyższym od 1 kV (oryg.).