INSTALATII DE LEGARE LA PAMANT - BAZELE TEORETICE PENTRU CALCUL SIARE

INSTALATII DE LEGARE LA PAMANT - BAZELE TEORETICE PENTRU CALCUL SI PROIECTARE

1. Introducere

Instalatia de legare la pamant (ILP), numita cateodata mai simplu "pamantare", reprezinta totalitatea masurilor adoptate pentru conectarea la pamant a componentelor electrice conductoare. Aceasta instalatie este o componenta importanta a retelelor de alimentare cu energie electrica, atat la nivelul de MT cat si la JT. O buna instalatie de legare la pamant este necesara pentru:

protectia cladirilor si instalatiilor impotriva loviturilor de trasnet;

securitatea vietii oamenilor si animalelor prin limitarea tensiunilor de atingere si tensiunilor de pas la valori de siguranta;

asigurarea compatibilitatii electromagnetice (CEM), respectiv limitarea perturbatiilor electromagnetice;

functionarea corecta a retelei de alimentare cu energie electrica si asigurarea unei calitati corespunzatoare a energiei furnizate.

Toate aceste functiuni sunt asigurate de o instalatie unica de legare la pamant care trebuie proiectata pentru a indeplini toate cerintele. Anumite elemente ale acestei instalatii pot fi dedicate satisfacerii unor cerinte specifice dar ele sunt totusi parte a unei unice instalatii de legare la pamant. Standardele impun ca toate masurile privind legarea la pamant dintr-o instalatie sa fie interconectate, formand un sistem unic.

Instalatiile de legare la pamint sint:

v      De protectie (pamintul este legat la unele elemente metalice ale instalatiei, fara a face parte insa din circuitele normale ale acesteia, figura 4, legatura putand fi definitiva sau provizorie si,

v      De exploatare, cind legaturile la pamint se executa in scopul de a asigura functionarea normala a instalatiei (legarea la pamint a punctului neutru, legarea la pamint a unei faze cu sistemul "doua conductoare pamint', legarea la pamint a descarcatoarelor (figura 5) si a altor instalatii de protectie impotriva supratensiunilor atmosferice).

Instalatiile de legare la pamint de protectie au rolul de a reduce la maximum tensiunea de atingere si tensiunea de pas, astfel ca marimea curentului ce poate strabate corpul omenesc in cazul unui accident de electrocutare, sa fie sub valorile periculoase (<50 mA).

In acest sens tensiunea de atingere U_at, a carei marime depinde in mod substantial de rezistenta instalatiei de pamintare R_p si a curentului de punere la pamint I_P, nu trebuie sa depaseasca valorile indicate in tabelul din    Anexa 1

2. Definitii de baza

Sistemul sau instalatia de legare la pamant reprezinta totalitatea mijloacelor si masurilor prin care parti ale unui circuit electric, parti conductoare care pot fi accesibile ale unui echipament electric (parti conductoare expuse) sau partile conductoare din vecinatatea unei instalatii electrice (parti conductoare externe) sunt conectate la pamant.

Priza de pamant este un conductor metalic sau un ansamblu de conductoare metalice interconectate sau alte parti metalice actionand in aceeasi maniera, ingropate in pamant si conectate electric la acesta sau introduse in beton care are o suprafata mare in contact cu pamantul (de exemplu, fundatia unei cladiri).

Prizele de pamint pot fi :

Naturale, alcatuite din parti metalice introduse in pamint pentru alte scopuri (conducte apa, canale, conducte gaze, mantale metalice ale retelei de cable subterane, etc.) ;

Artificiale, instalate special pentru scopuri de protectie, cu electrozi din tevi sau profile de otel si benzi de otel ;

Mixte, compuse din prize naturale completate cu prize artificiale.

Rezistenta totala de trecere la pamant a instalatiei de legare la pamint trebuie sa fie mai mica de 4 Ω. Aceasta valoare se obtine prin alegerea unui numar de n prize de pamint verticale, legate intre ele cu elemente de platbanda (ce constituie o priza orizontala cu rezistenta de trecere la pamint rb

Conductorul de legare la pamant este un conductor care asigura conectarea la priza de pamant a unei parti a unei instalatii electrice, a elementelor conductoare expuse sau parti conductoare externe sau interconecteaza electrozi ai prizei de pamant. Conductorul de legare la pamant este montat in aer sau, daca este ingropat in sol, se izoleaza fata de acesta.

Pamantul de referinta (zona de potential nul) este o parte a solului, in particular la suprafata acestuia, localizata in afara sferei de influenta a prizei de pamant considerate, adica zona in care intre doua puncte arbitrare nu exista o diferenta de potential perceptibila, rezultata in urma trecerii prin priza a unui curent de punere la pamant. Potentialul pamantului de referinta este intotdeauna presupus a fi egal cu zero.

Potentialul prizei de pamant V_E este diferenta de potential care apare intre priza de pamant si zona de potential nul la o valoare data a curentului de trecere prin acea instalatie de legare la pamant.

Rezistivitatea solului (rezistenta specifica a solului ) este rezistenta, masurata intre doua fete opuse ale unui metru cub de pamant (figura 6). Rezistenta specifica este data in m.

Potentialul suprafetei solului V_x este diferenta de potential dintre un punct x de pe suprafata solului si pamantul de referinta.

3. Proprietatile electrice ale solului

Proprietatile electrice ale solului sunt caracterizate prin rezistivitatea a acestuia. In ciuda definitiei relativ simple a rezistivitatii , prezentata anterior, determinarea valorii acesteia este adesea dificila din doua motive:

solul nu are o structura omogena ci este format din straturi de materiale diferite;

rezistivitatea unui anumit sol variaza in limite largi (tabelul 1) si este puternic dependenta de gradul de umiditate.

Calcularea rezistentei solului presupune o buna cunoastere a proprietatilor acestuia, in particular a rezistivitatii. Ca urmare, variatia in limite largi a rezistivitatii constituie o mare problema. In multe situatii practice se accepta o structura omogena a solului, cu o valoare medie a rezistivitatii , aceasta fiind estimata pe baza unor analize ale solului sau a unor masuratori. Exista tehnici elaborate pentru masurarea rezistivitatii solului. Un aspect important este ca distributia curentului in straturile de sol, existenta in timpul masuratorilor, sa o simuleze cat mai fidel pe cea a instalatiei finale. In consecinta, rezultatele masuratorilor trebuie intotdeauna interpretate cu precautie. Daca nu se dispune de informatii reale asupra valorii lui , se accepta valoarea prezumata m. Totusi, asa cum se indica in tabelul 1, valorile reale pot fi foarte diferite, astfel incat trebuie avute in vedere teste de verificare in instalatia finala, impreuna cu o estimare a variatiilor posibile determinate de conditiile climatice si de uzura in timp.

Tabelul 1 - Rezistivitatea solului pentru diferite tipuri de sol si beton

O alta problema la determinarea rezistivitatii solului o reprezinta continutul de umiditate care se poate schimba in limite largi, depinzand de amplasarea geografica si de conditiile atmosferice, de la o valoare nesemnificativa a umiditatii, pentru regiunile desertice pana la valori de circa 80 % pentru regiunile mlastinoase. Rezistivitatea solului depinde in mod semnificativ de acest parametru. In figura 7 este indicata dependenta dintre rezistivitate si umiditate pentru argila. Se poate observa aici ca, pentru valori ale umiditatii mai mari de 30 %, modificarile rezistivitatii sunt foarte lente si practic nesemnificative. Totusi, cand solul este uscat, respectiv valori ale umiditatii relative h mai mici de 20 %, rezistivitatea creste foarte rapid.

4. Proprietatile electrice ale instalatiei de legare la pamant

Proprietatile electrice ale instalatiei de legare la pamant depind in mod esential de doi parametri:

rezistenta prizei de pamant;

configuratia prizei de pamant.

Rezistenta prizei de pamant determina relatia dintre potentialul prizei V_E si valoarea curentului de punere la pamant. Configuratia prizei de pamant determina repartitia potentialului la suprafata solului, urmare a trecerii curentului spre pamant. Repartitia potentialului la suprafata solului reprezinta un element important in evaluarea gradului de protectie impotriva socurilor electrice, intrucat ea determina tensiunile de atingere si de pas

Rezistenta prizei de pamant are doua componente:

rezistenta de dispersie R_D, care este rezistenta solului intre priza de pamant si zona de potential nul.

rezistenta R_L a partilor metalice ale prizei de pamant si ale conductorului de nul de protectie.

Rezistenta R_L este, in mod uzual, mult mai mica decat rezistenta de dispersie R_D. Ca urmare, rezistenta prizei de pamant este considerata a fi egala cu rezistenta de dispersie R_D. In literatura de specialitate, rezistenta prizei de pamant este denumita frecvent rezistenta de dispersie

Fiecare legare la pamant asigurata de furnizor apare ca fiind conectata in paralel cu prizele locale si se poate presupune cu siguranta ca va avea o impedanta mai mica pentru frecventa fundamentala si armonicile acesteia. Totusi, disponibilitatea si caracteristicile acestei cai sunt in afara controlului proiectantilor si, ca urmare, ea nu va fi luata in considerare in proiectarea instalatiei de legare la pamant care trebuie sa corespunda cerintelor impuse prin caracteristicile proprii.

5. Rezistenta prizei de pamant si distributia potentialelor

In circuitele de tensiune alternativa trebuie considerata in principal impedanta de legare la pamant Z_E, care este impedanta dintre instalatia de legare la pamant si pamantul de referinta la frecventa de lucru data. Reactanta instalatiei de legare la pamant este data de reactanta conductorului de legare la pamant si a partilor metalice ale prizei de pamant. La frecvente mici - frecventa retelei si armonicile asociate - reactanta este, de obicei, neglijabila in comparatie cu rezistenta prizei de pamant, dar ea trebuie luata in considerare la frecvente ridicate, asa cum este cazul regimului tranzitoriu determinat de o lovitura de trasnet. Astfel, pentru frecvente mici, se considera ca impedanta de legare la pamant Z_E este egala cu rezistenta de dispersie R_D care, la randul ei, este presupusa a fi egala cu rezistenta prizei de pamant, R

Z_E R _D R

Rezistenta R a unei prize de pamant depinde de rezistivitatea solului precum si de configuratia prizei. Pentru a obtine valori scazute ale rezistentei R, densitatea curentului care se scurge de la electrozii metalici spre pamant trebuie sa fie redusa, adica volumul de pamant prin care se scurge acest curent trebuie sa fie cat mai mare posibil. Indata ce curentul trece de la metal la pamant el se disperseaza, reducand astfel densitatea de curent. Daca electrodul are dimensiuni mici, de exemplu este un punct, acest efect este semnificativ dar el se reduce foarte mult pentru un electrod tip placa unde disiparea este efectiva numai pe muchii. Aceasta inseamna ca electrozii realizati din tije, tevi sau conductoare au o rezistenta de dispersie mult mai mica decat, de exemplu, o placa avand aceeasi suprafata. In plus, este bine cunoscut din literatura de specialitate ca fenomenul de coroziune determinat de curentul alternativ sau continuu se intensifica odata cu cresterea densitatii de curent. Densitati mici de curent maresc durata de viata a electrozilor.

Calculul rezistentei prizei de pamant este realizat, uzual, pe baza presupunerii ca pamantul este infinit si cu o structura uniforma, avand o valoare data a rezistivitatii. Este posibila stabilirea unor relatii exacte pentru rezistenta prizei de pamant dar, in practica, utilitatea acestora este foarte limitata, in special in cazul prizelor complexe si de tip plasa unde expresiile matematice devin foarte complicate. Mai mult, chiar si o mica inexactitate in valoarea rezistivitatii are o influenta semnificativa asupra valorii reale a rezistentei prizelor complexe si adesea, determinarea rezistivitatii solului cu exactitatea impusa este foarte dificila. Din aceasta cauza, relatiile teoretice exacte ale rezistentei prizei de pamant sunt utilizate numai pentru structuri simple ale acesteia in scopul ilustrarii dependentei dintre tensiunea prizei, repartitia potentialului solului si curentul de punere la pamant. Pentru prize de suprafata mare si tip plasa, se utilizeaza relatii aproximative pentru determinarea rezistentei prizei.

Un model de baza pentru configuratia unei prize de pamant, utilizat in scopul punerii in evidenta a proprietatilor electrice fundamentale, il reprezinta o semisfera ingropata la suprafata solului (figura 8). Curentul de punere la pamant care apare intr-un astfel de electrod se presupune a trece radial spre zonele inconjuratoare. Suprafata semisferei, ca si o sectiune transversala semisferica dx prin pamant, se presupun a fi echipotentiale si prin urmare, liniile de curent sunt perpendiculare pe aceste suprafete. In aceste conditii, rezistenta elementului semisferic de grosime dx se exprima prin relatia (in ipoteza ca este constant):

Rezistenta electrodului semisferic este data de relatia:

Rezistenta prizei de pamant depinde in mod semnificativ de adancimea de ingropare a electrodului. Aceasta deoarece continutul de umiditate este mai mare si mai stabil pentru straturile mai adanci decat pentru cele superficiale. Straturile din apropierea suprafetei sunt influentate mai puternic de variatiile meteorologice sezoniere si pe termen scurt si pot fi supuse inghetului.

Figura 8.- Ilustrarea notiunii de electrod de pamant semisferic, cu indicarea parametrilor necesari pentru calculul rezistentei prizei de pamant si repartitia potentialului la suprafata solului cu (ρ=const.)

Unde:

r- raza electrodului;

x- distanta de la centrul electrodului;

a_T, a_S -distantele de atingere si respectiv de pas;

V^* -valoarea relativa a repartitiei de potential;

V^*_T    V^*_S -tensiunea de atingere si respectiv de pas.

Se pot deosebi mai multe tipuri de prize de pamant, printre care:

prize simple de suprafata prize simple orizontale) realizate din benzi sau conductoare plasate orizontal sub forma de fasii sau inel;

priza orizontala realizata ca o plasa amplasata la mica adancime;

cabluri cu manta metalica neprotejata sau armaturi care se comporta ca o priza simpla orizontala;

prize naturale formate din partile de structura conductoare continute in betonul fundatiei si care asigura o suprafata mare de contact cu solul;

prize tija constand din tevi, bare etc. si care sunt instalate sau ingropate la o adancime mai mare de 1 m, uzual intre (3 30) m sau chiar mai mult.

6. Potentialul prizei de pamant si repartitia potentialului la suprafata solului

Potentialul prizei de pamant, precum si repartitia potentialului la suprafata solului in timpul trecerii curentului prin instalatia de legare la pamant, sunt parametri importanti pentru protectia contra socurilor electrice. Relatiile de baza vor fi prezentate cu ajutorul modelului pamantului prezentat in figura 8.

Potentialul oricarui punct situat la distanta x de centrul electrodului prin care trece curentul I_E poate fi calculat cu relatia:

iar valoarea relativa este:

in care V_E este potentialul prizei de pamant, presupunand ca potentialul pamantului de referinta este egal cu zero.

Potentialul prizei de pamant poate fi descris ca:

Diferenta de potential dintre doua puncte de pe suprafata solului, unul situat la distanta x, iar celalalt la x + a_S, in care a_S se considera a fi egala cu 1 m, corespunde tensiunii de pas V_S, adica diferenta de potential existenta intre doua picioare, cand o persoana sta in acel loc pe suprafata pamantului:

iar valoarea relativa este:

in care x > r.

O relatie similara poate fi scrisa pentru orice alte distante x si a. In particular, pentru x = r si a = a_T = 1 m, relatia de mai sus permite calculul tensiunii de atingere, adica tensiunea dintre mana si piciorul unei persoane care atinge priza de pamant sau o parte metalica conectata la aceasta:

si a valorii sale relative:

7. Proprietatile legaturii la pamant pentru curenti mari de impuls

Pana acum, caracteristicile instalatiei de legare la pamant au fost discutate in ipoteza unor valori moderate ale curentului care circula in regim stationar la frecventa retelei. Diferentele dintre proprietatile in regim permanent si in regim de impuls ale instalatiei de legare la pamant sunt determinate in principal de:

aparitia unor curenti de valori ridicate, pana la cateva sute de kA;

pante foarte mari de crestere a curentului - loviturile de trasnet ating in mod curent cateva sute de kA/μs.

Valori extrem de ridicate ale densitatii de curent in sol, maresc intensitatea campului electric pana la valori ce determina descarcari electrice in micile spatii gazoase din pamant, cauzand scaderea rezistivitatii solului si a rezistentei prizei. Acest fenomen apare in special in apropierea electrozilor unde densitatea de curent este maxima, iar influenta mai importanta. Intensitatea acestui fenomen este deosebit de mare atunci cand solul este uscat sau de rezistivitate ridicata.

Inductivitatea partilor metalice ale prizei, care poate fi estimata la valoarea de 1 H/m, poate fi neglijata cand se considera impedanta prizei la frecventa retelei. Totusi, inductivitatea devine un parametru important daca viteza de crestere a curentului este ridicata, in domeniul catorva sute de kA/ s sau mai mult. Pe durata loviturilor de trasnet, caderea de tensiune inductiva (L*di/dt) atinge valori foarte ridicate. Ca urmare, electrozii mai indepartati joaca un rol redus in conducerea spre pamant a curentului.

Impedanta prizei de pamant in cazul curentilor de impuls creste in comparatie cu rezistenta acesteia in conditii statice. Astfel, prin cresterea lungimii electrozilor prizei peste asa numita "lungime critica" (figura 9), nu se obtine nici un efect de reducere a impedantei prizei la semnale tranzitorii.

Pe durata unei lovituri de trasnet, intervin ambele fenomene descrise anterior dar ele actioneaza in sensuri contrare. Valoarea ridicata a curentului descreste rezistenta prizei in timp ce frecventa ridicata a semnalului creste impedanta. Impedanta totala poate fi mai mare sau mai mica in functie de efectul care este dominant.

Figura 9. - Lungimea maxima l_max a electrozilor prizei de pamant pentru instalatia de paratrasnet in functie de rezistivitatea solului

Concluzii

Rezistenta prizei de pamant si repartitia potentialului la suprafata solului sunt parametrii principali care caracterizeaza proprietatile electrice ale instalatiei de legare la pamant.

Parametrii electrici ai instalatiei de legare la pamant depind atat de proprietatile solului cat si de configuratia geometrica a prizei.

Proprietatile solului sunt caracterizate prin rezistivitatea solului care variaza in limite largi, de la cativa m la cateva mii de m, depinzand de tipul si structura solului, ca si de umiditatea acestuia. Prin urmare, determinarea unei valori exacte a rezistentei prizei de pamant este dificila. Toate relatiile care stabilesc rezistenta prizei de pamant sunt obtinute pe baza ipotezei ca solul are o structura omogena si o rezistivitate constanta.

In mod ideal, potentialul la suprafata solului ar trebui sa fie aplatizat in zonele din jurul prizei. Aceasta este importanta pentru protectia impotriva socurilor electrice si este caracterizata prin tensiunile de atingere si de pas. Prizele tija/verticale au o repartitie mai nefavorabila a potentialului la suprafata solului in timp ce prizele plasa asigura o distributie mult mai plata.

Comportarea instalatiei de legare la pamant in cazul curentilor tranzitorii de mare intensitate trebuie de asemenea luata in considerare. Valori foarte ridicate ale curentilor reduc rezistenta prizei datorita campului electric intens dintre electrozii prizei si sol, in timp ce variatiile rapide de curent maresc impedanta prizei datorita inductivitatii electrozilor. Impedanta prizei este, in acest caz, o suprapunere a ambelor fenomene.