Uziemienia

Wstęp

Uziemienie to część instalacji elektrycznej łączącą wszystkie części przewodzące w domu z uziomem na zewnątrz budynku. Potencjał ziemi przyjmowany jest z dużym przybliżeniem za równy 0V. Połączenie np. metalowej obudowy lampy dodatkowym przewodem bezpośrednio z ziemią powoduje, że jakikolwiek prąd pojawiający się na obudowie (np. wskutek przebicia) spływa od razu do ziemi i nie stanowi zagrożenia dla użytkownika. Dotknięcie takiej obudowy nie grozi porażeniem, bo potencjał na niej wynosi 0V. My również mamy w tym momencie 0V, więc prąd przez nas nie popłynie. Brak instalacji uziemiającej, wywołuje sytuację odwrotną. Na obudowie pojawia się napięcie 230V, a my z zerowym potencjałem dotykając jej powodujemy powstanie różnicy potencjałów i przepływ prądu bezpośrednio przez ciało. To bardzo lakoniczne, ale dość obrazowe wytłumaczenie roli instalacji uziemiającej. W praktyce uziemienie nie może stanowić podstawowej metody ochrony przed porażeniem prądem. Ta należy do wyłączników różnicowoprądowych. Uziemienie jest tylko jej uzupełnieniem i jednocześnie podstawą prawidłowego działania.

Poniżej o budowie instalacji uziemiającej w budynku i sposobach wykonania uziomu.

Rola przewodu ochronnego PE

Każdy z nas zna z wyglądu żółto-zielony kabel w instalacji trójżyłowej. W gniazdkach łączymy go z bolcem ochronnym, w lampach z obudową, w innych urządzeniach miejsce podłączenia przewodu PE oznacza często producent. Przez przewód ten przy prawidłowo działającej instalacji nie płynie żaden prąd, można powiedzieć że jest „martwy” i najlepiej jakby tak już został na zawsze. Przewody PE prowadzimy w całej instalacji łącząc je tylko ze sobą i sprowadzając ostatecznie do tablicy rozdzielczej, do listwy zaciskowej PE, a stąd do tzw. głównej szyny wyrównawczej GSW

Fot. Fragment tablicy rozdzielczej z listwą PE. Ilość kabli może być imponująca. Po lewej widoczny kabel o większej średnicy odchodzący do GSW (fot. elektrykapradnietyka.com)

Przekroje kabli PE od rozdzielni do szyny, dobierane są w zależności od wielkości możliwego do przepływu prądu. W małych instalacjach będzie to minimum 4mm², w większych 6-10mm². Jeśli listwa w rozdzielni nie pozwala na zamocowanie dużej średnicy kabla, można połączenie z GSW poprowadzić przy użyciu dwóch kabli mniejszej średnicy. Zwykle kable o średnicach >4mm2 są już linkami, stąd tulejki na połączeniu z listwą (fot. u góry). Główna szyna wyrównawcza wykonywana jest w pobliżu uziomu, którym zwykle jest:

– bednarka na zewnątrz budynku biegnąca obok fundamentu (tzw. uziom otokowy)

– zbrojenie fundamentu (uziom fundamentowy)

Odległość pomiędzy szyną wyrównawczą, a uziomem powinna być jak najkrótsza, dlatego szyny wykonywane są w przyziemiu, nisko nad podłogą

Fot. Główna szyna wyrównawcza w budynku. Z lewej strony podpięta bednarka uziomu otokowego.

Do szyn takich podłącza się też inne elementy przewodzące w budynku nie związane z instalacją elektryczną, ale mogące spowodować porażenie prądem. Elementy takie łączy się z szyną GSW za pomocą połączeń wyrównawczych.

Rys. Przykład podłączenia do GSW połączeń wyrównawczych od innych instalacji (rys. Edward Musiał)

Przewody wyrównawcze usankcjonowane są obecnie przez normy. Głównym celem ich stosowania jest zwiększenie niezawodności ochrony przeciwporażeniowej, są w pierwszym rzędzie połączeniami wyrównawczymi ochronnymi, chociaż mogą ubocznie służyć też do innych celów (ochrona odgromowa i przeciwprzepięciowa). Powinny one obejmować (rys. powyżej):

– przewód ochronny PE (PEN) linii zasilającej budynek i wszelkie inne wprowadzone do budynku przewody (żyły) ochronne i uziemiające,

– metalowe powłoki bądź ekrany wprowadzonych do budynku przewodów telekomunikacyjnych, w tym Internetu oraz telewizji i radiofonii przewodowej oraz przewody uziemiające lokalnych instalacji antenowych,

– uziom fundamentowy budynku i/lub inne sztuczne bądź naturalne uziomy przy ·budynku, jeśli występują, – wszelkie rozprowadzone w budynku metalowe przewody wodne, kanalizacyjne, gazowe, spalinowe, ogrzewnicze, klimatyzacyjne i inne,

-rozległe metalowe części konstrukcji budynku, o ile są dostępne: stalową konstrukcję szkieletową budynku, dźwigary stalowe, prowadnice dźwigów, zbrojenie betonu, metalowe elewacje budynku (ściany osłonowe) i metalowe pokrycia dachowe.

Główna szyna wyrównawcza (GSW) powinna spełniać wymagania normy DIN VDE 0618-1. Dobiera się ją stosownie do liczby oraz profilu i pola przekroju poprzecznego przyłączanych przewodów i przykładowo powinna ona umożliwiać przyłączenie:

– 1 płaskownika 30×4 mm lub pręta Ø10 mm (od uziomu fundamentowego),

– 1 przewodu o przekroju 50 mm² (od złącza elektroenergetycznego),

– 6 przewodów o przekroju od 6 do 25 mm² ,

– 6 przewodów o przekroju od 2,5 mm² do co najmniej 6 mm² .

Najmniejszy przekrój przewodów wyrównawczych powinien wynosić:

– 6mm² w przypadku przewodów miedzianych

– 16mm² w przypadku przewodów aluminiowych

Pozostawmy jednak ten temat i skupmy sie na samych uziemieniach.

Uziomy

Starsi monterzy pamiętają na pewno uziemienia przyłączone do przewodów wodociągowych. Wszystkie przewody ochronne w budynku były sprowadzane w pierwszej kolejności do szachtu, gdzie poprzez metalowe złącze opaskowe, elektryk przymocowywał je do pionu wodociągowego. W dawnych instalacjach wodociągi wykonywane były z rur stalowych ocynkowanych, biegły one w ziemi na dużej głębokości, w strefie wilgotnej o znikomym oporze elektrycznym, a ich długość była ogromna. Uziemienie tego typu zapewniało więc bezpieczny rozpływ nawet bardzo dużych prądów. W takiej instalacji na wodomierzu wykonywano specjalne zabezpieczenie przeciwporażeniowe dla montera, w postaci opaski z bednarki stalowej, aby na czas prac remontowych i przypadkowego przebicia w instalacji, przepływ prądu przez rury nie spowodował porażenia.

Obecnie rozwiązanie to jest zabronione. Wodociągi wykonywane są z tworzyw sztucznych i takie „naturalne uziomy” są wykluczone. Uziemienia wykonywane są więc jako osobne instalacje, przy czym ze względu na rozwiązania techniczne można je dalej dzielić na:

– uziomy poziome, zwane też otokowymi, lub typu B

– uziomy pionowe, zwane też szpilkowymi, lub typu A

– uziomy fundamentowe, które z punktu widzenia rodzaju uziomów również zaliczają się do typu B

Materiałem na uziemienia mogą być: druty, taśmy, płyty, kraty, wykonane głównie z miedzi gołej lub cynowanej, a także stali cynkowanej ogniowo, stali nierdzewnej oraz stali miedziowanej elektrolitycznie.

Uziom otokowy

To obecnie rzadko stosowane rozwiązanie dla budynków mieszkalnych, spotykane głównie w budynkach już istniejących, jak też jako uziemienia stacji trafo, wież wiatrowych, słupów itp.. Polega na wykonaniu wokół budynku specjalnej opaski, najczęściej z bednarki stalowej ocynkowanej o przekroju minimum 90mm2 (30x3mm) układanej w odległości około metra od ściany fundamentowej i na głębokości zapewniającej niską oporność (najczęściej od 0,5-1,0m) . Ten ostatni aspekt jest kluczowy. Grunty suche nie nadają się do tego typu uziemienia, bo posiadają zbyt duży opór. Poniżej w tabeli podaję przykładowe wartości oporności różnych gruntów, a także wymiary i rodzaje materiałów do uziomów sztucznych.

TABELA1. Najmniejsze dopuszczalne wymiary poprzeczne uziomów sztucznych umieszczonych w ziemi (BEZEL)

TABELA 2. Wartości rezystywności gruntu.

Do budowy uziomów poziomych otokowych stosuje się:

a) przewody miedziane,

b) taśmy stalowe cynkowane lub miedziowane,

c) przewody stalowe ocynkowane.

d) taśmy ze stali nierdzewnej

Wymaga się, aby uziomy poziome otokowe były ułożone:

a) na głębokości poniżej poziomu zamarzania gruntu, otoczone lekko zagęszczoną zasypką,

b) w gruncie, który nie działa korozyjnie na metal.

Wartość rezystancji uziemienia możemy obliczyć ze wzoru:

Gdzie:

ρ – rezystywność gruntu, w Ωm,

l – długość przewodu ułożonego w rowie kablowym, w m.

Dopuszczalna wartość rezystancji jest podawana różnie w mediach. Generalnie możemy spotkać dwie wartości:

≤ 10Ω jeśli instalacja posiada ochronę przeciwporażeniową i uziemienie ma pełnić rolę upływową prądów z wyładowań atmosferycznych

≤ 30Ω w pozostałych przypadkach dla uziomów otokowych.

W sieci można jednak znaleźć tabelę, gdzie jest nieco inna teoria uwzględniająca rodzaj gruntu

Z powyższego wynika, że najbezpieczniejsza wartość rezystancji uziemienia powinna wynosić <10Ω.

Rys. Uziom otokowy. Ozn. 1. Pręt wlotowy uziemienia

2. Przewód okrągły

3. Złącze krzyżowe

4. Taśma antykorozyjna

5. Płaskownik (bednarka)

Uziom otokowy powinien mieć bezpośredni kontakt z ziemią na co najmniej 80% swojej długości.

Uziomy pionowe wbijane

Wykonywane są za pomocą prętów (szpilek) wbitych pionowo w ziemię na głębokość zapewniającą trwałą wilgotność. Idealna głębokość wynosi tutaj 9m. Zwykle uzyskanie takiej głębokości jest trudne, dlatego długości prętów wynoszą najczęściej 4-5m. Pomiar rezystancji można prowadzić podczas wbijania pręta, jeśli jest <10 Ω, to można wykonać mniejsze długości pionowe. Zwykle jeden pręt jest niewystarczająca ochroną dla budynku, dlatego wykonuje się ich kilka w minimalnej odległości od siebie równej ich długości.

Fot. Uziom wbijany ozn. 1. Taśma antykorozyjna, 2. Złącze krzyżowe, 3. Przewód okrągły, 4. Złącze uziomu pionowego, 5. Uziom pionowy (wbijany) (rys. OBO Bettermann)

Wbijanie odbywa się najczęściej przy użyciu narzędzi udarowych (wiertarki, młoty udarowe), dlatego pręty mają specjalnie wyprofilowane końcówki pasujące do młotów. Pojedynczy pręt ma długość 1-1,5m, pręty łączy się między sobą przez połączenia skręcane.

Fot. Uziom wbijany w grunt.(elementy)

Połączenie uziomu pionowego z instalacją uziemiającą w budynku powinno być wykonane w sposób umożliwiający wykonanie pomiarów. Konieczne jest więc zamocowanie na szpilce w miejscu podłączenia instalacji wewnętrznej tzw. złącza kontrolno-pomiarowego ZKP.

Fot. Wykonanie złącza kontrolno-pomiarowego ZKP w studzience na zewnątrz budynku. Główna linka przewodu PE z szyny GSW mocowana jest na zacisku.

Przy uziomach otokowych złącze takie wykonuje się na ogół na ścianie budynku w puszce. Przy uziomach pionowych wygodniej jest użyć do tego celu studzienki z tworzywa sztucznego, wycinając w niej dno, dla przepuszczenia szpilki i patrona od kabla. Sam kabel od PE od głównej szyny w budynku mocujemy na zacisku złącza. Studzienkę taką można potem zlicować z opaską wokół budynku i przykryć szczelnym włazem. Z uwagi na możliwość dostawania się do ZKP usytuowanego w ziemi wody gruntowej i korozji złącza, zaleca się całe złącze zabezpieczyć specjalną taśmą izolacyjną. Taśmą taką powinniśmy zabezpieczać wszystkie złącza krzyżowe w ziemi. Przy braku taśmy, można wykorzystać smar (np. towot) zabezpieczając na grubo złącze i owijając je streczem.

Uziomy fundamentowe

To najpowszechniej stosowane obecnie rozwiązanie dla budynków jednorodzinnych, wykonywane na etapie ich budowy. Fundamenty w zdecydowanej większości przypadków zbrojone są prętami stalowymi, przebywają w strefie wilgotnej o niskiej rezystancji, a ich powierzchnia jest ogromna. Wszystko to powoduje, że idealnie nadają się do instalacji uziemiających. W zależności od konstrukcji uziomy fundamentowe można dalej dzielić na:

– naturalne

– sztuczne

Uziomy fundamentowe naturalne – wykorzystują jako elementy uziemiające zbrojenie w postaci prętów stalowych. Dla zapewnienia niskiej rezystancji konieczne jest tutaj zapewnienie odpowiednio niskiej oporności połączeń pomiędzy prętami. W praktyce zaleca się połączenia spawane. Inne typy połączeń np. zaciskami gwintowymi powinny być przed zalaniem betonem sprawdzone przez elektryka. Jest to kłopotliwe, wymaga współpracy pomiędzy budowlańcami i elektrykami. Na budowach wszystkie połączenia zbrojeń wykonywane są zwykle tylko drutem wiązałkowym, co nie zapewnia odpowiedniego przewodnictwa. Generalnie uziomy fundamentowe naturalne mają rację bytu tylko w budynkach posadowionych na palach fundamentowych, lub o konstrukcji stalowej. Nie nadają się w budynkach na fundamentach płytowych.

Uziomy fundamentowe sztuczne – wykorzystują zbrojenie fundamentu lub samą ławę fundamentową do zamocowania elementów uziomu w postaci drutów, lub płaskowników stalowych. W przypadku fundamentów zbrojonych prętami, drut uziemiający (płaskownik) mocuje sie bezpośrednio do elementów zbrojenia.

Rys. Uziom fundamentowy sztuczny wykonany przy użyciu płaskownika (Rys. OBO Bettermann)

Przy braku zbrojenia uziomy fundamentowe układa się na wspornikach dystansowych i po przeprowadzeniu pomiarów rezystancji zalewa betonem. To tylko wstęp do tematu. Poniżej nieco więcej o planowaniu i zasadach montażu uziomów fundamentowych. Materiał powstał głównie na podstawie artykułu Edwarda Musiała „Uziomy fundamentowe i parafundamentowe”.

Ogólne zasady wykonania

Niezależnie od tego, jaki rodzaj fundamentu zastosowano w budynku (stopy, ławy czy płyty fundamentowe), uziomy mają swoją konfigurację zależną od kształtu budynku.

Rys. Uziom fundamentowy w budynku. Ozn. 1- uziom fundamentowy, 2- połączenie uziomu z główną szyną wyrównawczą w budynku GSW i wyprowadzenia na zewnątrz budynku do ewentualnych zwodów instalacji piorunochronnej, 3- pomieszczenie w budynku z GSW (pomieszczenie przyłączowe) (rys. Edward Musiał)

1. Uziom powinien mieć kształt otoku opasującego wszystkie ściany zewnętrzne, z tą różnicą, że nie jest wykonany obok tych ścian, tylko bezpośrednio pod nimi.

2. Jeśli wymiary takiego otoku (często posługujemy się tutaj określeniem „oczko”) przekraczają 20x20m, należy wykonać tez uziom pod ścianami wewnętrznymi w taki sposób, aby wymiary pojedynczego oczka nie przekraczały 20x20m.

Warto zwrócić tutaj uwagę, że nie bierzemy przy planowaniu uziomu powierzchni maksymalnej 400m², ale wymiar najdłuższego boku. Nie może on przekraczać 20m.

Wartość uzyskanej rezystancji uziemienia zależy przede wszystkim od wymiarów

części otokowej uziomu, ułożonej pod fundamentami ścian zewnętrznych. Natomiast rola elementów uziomu ułożonych pod fundamentami ścian wewnętrznych polega na doskonalszym wyrównaniu potencjałów w obrębie budynku, zwłaszcza na podłodze najniższej kondygnacji.

Rys. Uziom otokowy w budynku bez instalacji piorunochronnej z podziałem na kilka oczek. (rys. Edward Musiał)

Czy mam sens zagęszczania oczek i wykonywania kratownicy o mniejszych rozmiarach np. 10x10m? To zależy od rodzaju i wymagań instalacji w budynku, czułości poszczególnych urządzeń, stopnia ochrony przeciwporażeniowej. Jeśli budynek nie ma instalacji piorunochronnej wystarczą oczka 20x20m, przy instalacji piorunochronnej, dla zapewnienia lepszego rozpływu prądów piorunowych zaleca się wymiary 10x10m. Stosowanie jeszcze większego zagęszczania uziomu nie ma sensu. Ważniejsze jest, aby w miejscu rozpływu prądów (w miejscu przyłączania np. zwodów instalacji piorunochronnej) pojawił się węzeł takiej kratownicy. Prąd będzie się mógł wtedy rozpłynąć w kilku kierunkach, co ułatwi wyrównanie potencjału. W budynkach szeregowych instalacja uziemiająca może być wspólna dla kilku budynków, ale ze względów własnościowych, zwykle jest wykonywana indywidualnie dla każdego segmentu (rys. poniżej)

Rys. Uziom fundamentowy w budynkach szeregowych. Ozn. 1-uziom fundamentowy, 2-połaczenia z GSW, 3-granice działek.

Jaki materiał?

Przyzwyczajeni jesteśmy stosować na uziomy bednarki stalowe ocynkowane. Rozwiązanie takie w przypadku uziomów fundamentowych jest kontrowersyjne. Zbrojenia fundamentu wykonywane są ze stali gołej (czarnej), połączenia obu gatunków stali w jeden szkielet i zalanie betonem powoduje, że w wilgotnym środowisku dochodzi do powstawania ogniw galwanicznych pomiędzy prętami zbrojenia, a stalą ocynkowaną. Dochodzi w ich wyniku do degradacji cynku. Zdania są tutaj podzielone, bo wielu budowlańców wskazuje na zasadowe pH betonu, jako środowisko nie sprzyjające korozji. W praktyce na same uziomy możemy stosować stal gołą. Natomiast w miejscach połączeń z GSW, albo na połączeniach uziomu z instalacją piorunochronną korzystniej jest stosować materiały odporne na czynniki atmosferyczne. Preferowane są w tym przypadku:

– stale nierdzewne o zawartości molibdenu > 2%, na przykład V4A, materiał o numerze 1.4571/1.4404, jako drut stalowy okrągły o średnicy 10 mm lub taśma stalowa o wymiarach minimalnych 30 mm x 3,5 mm,

– ocynkowany drut stalowy okrągły o średnicy 10 mm z płaszczem z tworzywa sztucznego,

– kabel miedziany NYY o przekroju co najmniej 50 mm²

– linka miedziana (goła lub ocynkowana), wielożyłowa, o przekroju minimalnym 50 mm²

. Przekroje materiałów na uziomy fundamentowe według norm wynoszą 90mm² w przypadku płaskownika i 10mm w przypadku pręta stalowego. Zasadniczo materiały przewodów i elementów łączeniowych powinny być dobierane zgodnie z normą PN-EN 62561-1, i DIN EN 62561-2, aby możliwe było ich późniejsze wykorzystanie w systemie ochrony odgromowej.

Wytyczne do montażu

Wszystkie elementy uziomy powinny być otulone betonem o minimalnej grubości 5cm. Zwykle wymaga to umieszczenia uziomu na górze zbrojenia ławy fundamentowej, lub nawet wewnątrz szkieletu zbrojenia (fot. poniżej)

W przypadku braku zbrojenia, uziom układa się na specjalnych wspornikach dystansowych wbitych w grunt.

Fot Uziom zamocowany na wspornikach dystansowych (fot. DEHN)

We wszystkich miejscach połączeń płaskowników czy prętów stalowych należy stosować zaciski krzyżowe, skręcane. Oczywiście, dla stali czarnej dopuszczalne jest spawanie ze sobą elementów. Pręty uziomowe powinno się spawać na zakładkę o długości minimum 30mm. Każdy taki spaw warto sfotografować dla późniejszej dokumentacji.

Jeśli w budynku występują dylatacje, to niedopuszczalne jest bezpośrednie przejście uziomu przez szczelinę dylatacyjną. Miejsce takie wymaga wykonania specjalnego wyprowadzenia uziomu. Po obu stronach szczeliny końcówki uziomu powinny być wyprowadzone do wnętrza budynku w celu ich połączenia tzw. mostkiem podatnym (elastycznym) w miejscu dostępnym do kontroli. (rys. obok 1- mostek podatny, 2-szczelina dylatacyjna)

Ten pobieżny tekst nie wyczerpuje wszystkich wymagań dotyczących uziomów fundamentowych, a jedynie pokazuje ich fragment. Jest jednak moim zdaniem wystarczający na potrzeby technika OZE, dlatego nie będę go rozwijał. Po więcej informacji odsyłam do specjalistycznych portali dla elektryków, czy materiałów firm OBO Bettermann, DEHN, CBM-Technology, itp.