Koji su prednosti korištenja zajedničkog sustava zemljanja u distribuciji struje te kakve opreme treba počiniti?

Što je zajedničko zemljenje?

Zajedničko zemljenje odnosi se na praksu u kojoj funkcijsko (radno) zemljenje sustava, zaštitno zemljenje opreme i zemljenje za zaštitu od munja koriste jedan zemljeni elektrod. Alternativno, može to značiti da su vodovi zemljenja s više električnih uređaja povezani zajedno i spojeni s jednim ili više zajedničkih zemljenih elektroda.

1. Prednosti zajedničkog zemljenja

• Jednostavniji sustav s manje vodova zemljenja, što olakšava održavanje i inspekciju.

• Ekvivalentni otpor zemljenja više zemljenih elektroda povezanih paralelno je niži od ukupnog otpora odvojenih, neovisnih sustava zemljenja. Kada se konstrukcijska čelika zgrade ili armatura koristi kao zajednički zemljeni elektrod—zbog njegovog prirodnog niskog otpora—prednosti zajedničkog zemljenja postaju još izraženije.

• Povećana pouzdanost: ako jedan zemljeni elektrod ne uspije, drugi mogu nadoknaditi.

• Smanjen broj zemljenih elektroda, smanjuje troškove instalacije i materijala.

• U slučaju kvarne izolacije koja uzrokuje kratak spoj između faze i oklopa, teče veći strujni kvar, što osigurava brzu radnju zaštitnih uređaja. To također smanjuje naponsku razliku pri dodiru osoba nepouzdane opreme.

• Smanjuje opasnosti od previsokih napona uzrokovanih munjom.

Teoretski, kako bi se spriječilo povratno iskrcivanje uzrokovano munjom, zemljenje za zaštitu od munja trebalo bi biti na sigurnoj udaljenosti od građevinskih konstrukcija, električne opreme i njihovih sustava zemljenja. Međutim, u stvarnom inženjerskom rješenju, to je često nemoguće. Zgrade obično imaju mnogo ulaznih utilitetskih linija (struja, podaci, voda itd.) raspršenih na velikom području. Posebno kada se armatura od armiranog betona koristi kao skriveni vod za zaštitu od munja, postaje praktično nemoguće električki izolirati sustav za zaštitu od munja od zgradskih cjevovoda, oklopova opreme ili zemljenja električnih sustava.

U takvim slučajevima, preporučuje se zajedničko zemljenje—spajanje neutrala transformatora, svih funkcijskih i zaštitnih zemljena električne opreme, te sustava za zaštitu od munja na isti mrežni sustav zemljenja. Na primjer, u visokim zgradama, integracija električnog zemljenja s sustavom za zaštitu od munja efektivno formira Faradayevu kletvu koristeći unutarnji čelični okvir zgrade. Sva unutarnja električna oprema i vodiči vezani za tu kletvu su time zaštićeni od potencijalnih razlika i povratnog iskrcivanja uzrokovanih munjom.

Stoga, kada se koristi metalna struktura zgrade za zemljenje, zajedničko zemljenje više sustava nije samo moguće, već i prednost, uz uvjet da se ukupni otpor zemljenja održava ispod 1 Ω.

2. Ključne razmatranje za zajedničko zemljenje

Priroda struja zemljenja:
Rizik vezan uz porast zemljenog potencijala (GPR) ovisi o magnitudi, trajanju i frekvenciji struja zemljenja. Na primjer, zaštitni uređaji od munje ili štapići mogu nositi vrlo visoke struje tijekom udara, ali ti događaji su kratki i rijetki—stoga rezultirajući GPR predstavlja ograničeni rizik.

Međutim, zajednički otpor zemljenja mora zadovoljavati najstrožu preporuku među svim povezanim sustavima, idealno ≤1 Ω.

U niskonaponskim distribucijskim sustavima s čvrsto zemljenim neutralima, zajednički zemljeni elektrod može nositi kontinuirane struje curenja s svih povezanih opterećenja, formirajući cirkulacijske zemljene struje. Ako se otpor zemljenja pomakne iznad sigurnih granica, to može opasno utjecati na opremu i osobe.

Također, s širokom upotrebom računala i osjetljive elektroničke opreme, često je potrebno filtrirano zemljenje. Veliki filtri EMI/RFI line-to-ground uvode značajne kapacitivne struje curenja u zemlju, koje također doprinose ukupnoj zemljenoj strujnoj.

Utjecaj porasta zemljenog potencijala na povezanu opremu:
Kao primjer, promatrajmo kompaktnu unutarnju pretvorbu. Tradicionalno, neutral transformatora, metalni oklop i oklop opterećenja su bili povezani sa zajedničkim zemljenjem. Uz to, zaštitni uređaji od munje često su dobivali zasebno zemljenje kako bi se izbjegao opasan porast potencijala tijekom iskrcivanja.

Međutim, ako se opterećeni uređaj poštiti izolacijskim kvarom i počne cijediti struju, cijela struja kvarnog petlje teče kroz zajednički zemljeni elektrod, povećavajući lokalni zemljeni potencijal—i, posljedično, naponsku razliku oklopa prekidnika. Ako osoba održavanja otvori vrata ormarića u ovim uvjetima, izlagaju se opasnosti električnog udara. Takvi incidenti su se ponavljali više puta.

Stoga, savremenom praksom se često izolira funkcijsko zemljenje (npr. neutral transformatora) od zaštitnog i zemljenja od munje u unutarnjim pretvorama—iako to povećava složenost instalacije.

3. Relevantni standardi i propisi (Kina)

• Prema trenutnim kineskim standardima elektroprivrede:

• Za B klasu električnih instalacija, ako distribucijski transformator nije smješten u zgradi s B klasom opreme, a njegova visokonaponska strana radi u sustavu bez zemljenja, Petersenovo zavojnico (zavojnica za potiskivanje lukova) zemljenja ili visokoodpornom zemljenju, onda se radno zemljenje niskonaponskog sustava može dijeliti s istim zemljenim elektrodima kao zaštitno zemljenje transformatora, pod uvjetom da se otpor zemljenja zadovoljava R ≤ 50/I (Ω) i R ≤ 4 Ω.

• Za A klasu električnih instalacija koje operiraju u učinkovito zemljenim sustavima, radno zemljenje transformatora mora biti smješteno izvan mreže zaštitnog zemljenja—dakle, zajedničko zemljenje nije dozvoljeno.

• Ako je distribucijski transformator instaliran unutar zgrade s B klasom električnih instalacija, a njegova visokonaponska strana koristi niskoodorno zemljenje, onda se niskonaponsko radno zemljenje može dijeliti s zaštitnim zemljenjem ako:

• Otpor zemljenja zadovoljava R ≤ 2000/I (Ω), i

• Zgrada implementira glavni sistem ekvipozicione veze (MEB).

• Dodatno, za sustave iznad 1 kV klasificirane kao velike sustave zemljenja kratkog spoja, zajedničko zemljenje je dopušteno ako je brzo otklanjanje kvara osigurano, ali otpor zemljenja mora biti < 1 Ω.

• Zaštitno zemljenje distribucijskih transformatora u A klasama instalacija može dijeliti isti zemljeni elektrod s pridruženim zemljenjem zaštitnog uređaja od munje.

4. Zaključak

Praktični iskustvi pokazuju da u javnim niskonaponskim distribucijskim sustavima, gdje je potpuna separacija sustava zemljenja često neizvodivo, zajedničko zemljenje—koje kombinira radno, zaštitno i zemljenje od munje—je sigurnije, ekonomičnije, jednostavnije za instalaciju i lakše za održavanje.

Da bi se smanjili potencijalni rizici zajedničkog zemljenja, inženjeri bi trebali:

• Potpuno iskoristiti konstrukcijsku čeliku zgrade kao prirodni zemljeni elektrod,

• Održavati ukupni otpor zemljenja ispod 1 Ω, i

• Implementirati sveobuhvatnu ekvipozicionu vezu tijekom cjelokupne lokacije.

Ove mjere efektivno minimaliziraju opasnosti i osiguravaju siguran i pouzdan rad modernih električnih instalacija.