Proč je zemný vodič tenčí než fázový vodič?

Rozhodovací faktory pro výběr průřezu zemnícího vodiče

Průřez zemnícího vodiče nemusí nutně odpovídat průřezu vodiče fáze (fázového nebo horkého vodiče). Jeho rozměry musí přesně odpovídat předpisům uvedeným v elektrotechnických normách, jako je například National Electrical Code (NEC) ve Spojených státech. Několik klíčových faktorů ovlivňuje vhodný výběr průřezu zemnících vodičů:

Ačkoli se to nestává často, v situacích s dlouhými vedeními nebo obvody, kde je důležité minimalizovat impedanci, může být třeba zvětšit průřez zemnícího vodiče. Dlouhý zemnící vodič může totiž zažít významný spád napětí, což zase zvyšuje odpor zemnící cesty. Aby byla tato problém řešena a zajistila bezpečnost a spolehlivost elektrického systému, může být zemnící vodič vybrán tak, aby odpovídal průřezu fázového vodiče.

V konkrétních elektrických instalacích mohou inženýři zvolit stejný průřez zemnícího vodiče jako u fázového vodiče jako dodatečnou bezpečnostní opatření. Tento postup je zejména běžný v kritických systémech, kde by mohly elektrické selhání mít vážné následky, nebo v oblastech, kde místní elektrotechnické předpisy upravují přísnější požadavky. Použitím většího zemnícího vodiče může systém lépe zvládnout poruchové proudy, snižuje se tak riziko elektrického šoku a poškození zařízení.

Porozumění výběru průřezu zemnícího vodiče v elektrických obvodech

Když je průřez zemnícího vodiče menší než průřez fázového vodiče

V mnoha elektrických obvodech je průřez zemnícího (neboli zemnícího) vodiče obvykle menší než průřez fázového (horkého) a neutrálního vodiče, a tento návrh je založen na několika klíčových faktorech:

Funkce jednotlivých typů vodičů

• Fázový vodič: Tento vodič nese plný pracovní proud během normálního chodu obvodu. Dodává elektrickou energii připojeným zařízením a spotřebičům.

• Neutrální vodič: Slouží jako cesta pro návrat proudu, nese stejný objem proudu jako fázový vodič zpět k zdroji energie.

Zemnící vodič: Jeho hlavní úlohou je poskytnout bezpečnou cestu pro poruchové proudy, jako jsou ty generované při krátkých spojeních nebo elektrických úniku. Odkládáním těchto neobvyklých proudů chrání zařízení a ochraňuje personál před elektrickým šokem. Zásadní je, že zemnící vodič není zapojen do normálního přenosu proudu v obvodu.

Požadavky na přenos proudu

Jelikož zemnící vodič vede proud pouze během poruchových stavů, není třeba, aby zvládl kontinuální pracovní proudy jako fázový vodič. Poruchové proudy obvykle plynou jen velmi krátkou dobu, typicky dokud přetížovací ochranné zařízení, jako je spínač nebo pojistka, nespustí a přeruší obvod. Jako důsledek lze zemnící vodič navrhnout tak, aby odolal těmto krátkým výkyvům bez přehřevu. Jeho návrh umožňuje vést poruchové proudy dostatečně dlouho, aby ochranné zařízení mohlo obvod odpojit, a krátká doba trvání poruchy minimalizuje riziko výrazného teplotního nárůstu. To umožňuje použití menšího průřezu vodiče, což snižuje náklady a spotřebu materiálů, aniž by byla kompromitována zásadní bezpečnost a výkonnost. Příliš velký zemnící vodič by způsobil zbytečné náklady bez podstatných dodatečných bezpečnostních výhod.

Uvažování o spádu napětí

Spád napětí není hlavním problémem při návrhu zemnících vodičů, jelikož neprovádí proud kontinuálně. Kromě toho jsou zemnící vodiče často instalovány v relativně krátkých délkách. Tato krátká délka umožňuje, aby poruchové proudy byly rychle vedeny k zemi, což aktivuje spínač k odpojení bez přehřevu vodiče. V důsledku toho lze použít menší průřez zemnícího vodiče bez kompromitace výkonu obvodu.

Normy pro určování průřezu na základě předpisů

National Electrical Code (NEC): NEC poskytuje detailní směrnice v tabulce 250.122, které stanovují minimální průřez zemnícího vodiče (EGC). Tyto požadavky jsou založeny na hodnocení ochranného zařízení proti přetížení, jako je spínač nebo pojistka, které chrání obvod.

Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC): Podobně jako NEC, IEC standardy definují minimální průřez zemnících vodičů. Avšak IEC směrnice obvykle berou v úvahu faktory jako průřez fázových vodičů a maximální očekávaný poruchový proud. Tyto předpisy zajišťují, že zemnící vodiče jsou vhodně rozměrovány - ani příliš malé, což by mohlo vést k selhání během poruch, ani příliš velké, což by bylo marné.

Praktické příklady

• Pro obvod chráněný spínačem o nominální hodnotě 15 A je fázový vodič obvykle #12 AWG, a zemnící vodič musí být alespoň #14 AWG měď.

• S spínačem o nominální hodnotě 20 A je fázový vodič 10 AWG, a zemnící vodič by měl být alespoň #12 AWG měď.

• V případě spínače o nominální hodnotě 50 A je fázový vodič #6 AWG, a minimální průřez zemnícího vodiče je 10 AWG měď.

• Pro spínač a panel o nominální hodnotě 100 A, kde je služební kabel #4 AWG, musí být zemnící vodič alespoň #8 AWG měď.

• Pro službu 200 A jsou fázové vodiče alespoň #3/0 AWG, a zemnící vodič by měl být #4 AWG.

• Obvody s velmi velkými spínači, jako jsou ty s nominální hodnotou 600 A, vyžadují zemnící vodiče rozměrované proporcionálně k tomu, aby zvládly potenciální poruchové proudy.

I když je průřez zemnícího vodiče většinou menší než průřez fázového vodiče, existují výjimky.

Když odpovídá průřez zemnícího vodiče průřezu fázového vodiče

Existují specifické situace, kdy musí mít zemnící vodič stejný průřez jako fázový vodič:

Spojovací vodiče

Když jsou zemnící vodiče používány pro spojovací účely, jako je spojení kovových částí elektrického zařízení se zemnícím systémem, mohou být stejného průřezu jako fázový vodič. To zajišťuje, že mohou efektivně vést poruchové proudy a udržovat integritu spojovacího spojení, poskytují tak spolehlivou ochranu před elektrickými nebezpečími.

Velké průřezy vodičů

Pro obvody, které využívají vodiče s velkým průřezem (např. 3/0 AWG nebo větší), NEC požaduje proporcionalně větší zemnící vodiče. To je k tomu, aby zemnící systém mohl zvládnout vysoké poruchové proudy spojené s obvody s vysokou kapacitou a udržoval bezpečnost elektrické instalace.

Speciální aplikace zařízení

Některé druhy citlivého nebo vysokokapacitního zařízení, jako jsou fotovoltaické (PV) instalace, mohou vyžadovat zemnící vodiče rozměrované tak, aby odpovídaly fázovým vodičům. Toto rozměrování je nezbytné pro zajištění efektivního toku poruchových proudů a minimalizaci impedancí, což zlepšuje celkovou bezpečnost a výkon zařízení a elektrického systému.

Důsledky nesprávného rozměrování zemnícího vodiče

Průřez zemnícího vodiče v elektrickém systému nemusí vždy odpovídat průřezu fázového nebo neutrálního vodiče; může být buď mírně větší, nebo menší. Pokud jde o použití většího zemnícího vodiče, i když pro elektrický systém nezpůsobuje žádné riziko, přináší zvýšené náklady kvůli dodatečnému materiálu. V situacích, kdy je potřeba další délka, lze použít distribuční skříň pro rozšíření vodiče bez kompromitace integrity zemnícího systému.

Ve skutečnosti nabízí větší zemnící vodič několik výhod a může být zejména užitečný v některých scénářích. S nižším odporom efektivně snižuje spád napětí, což zajišťuje stabilnější elektrické spojení. Toto se stává zejména důležité v systémech, které vyžadují vyšší kapacitu přenosu proudu. Minimalizací ztrát napětí pomáhá větší zemnící vodič udržovat konzistentní elektrický výkon, což zlepšuje spolehlivost a bezpečnost celého systému.

Naopak použití zemnícího vodiče, který je příliš malý, může vést k vážným problémům. Menší vodiče mají vyšší elektrický odpor, což může rušit správnou funkci magnetického mechanismu spínacího příčině spínače. To znamená, že spínač možná nebude tripat tak rychle, jak by měl v případě poruchy, což umožní, aby skrz systém protekly potenciálně nebezpečné úrovně proudu. Kromě toho mohou menší zemnící vodiče nezvládnout nadměrné poruchové proudy, což vede k přehřevu. V extrémních případech může tento přehřev způsobit, že vodič roztaje, což vytvoří značné požární riziko a ohrožuje majetek a lidské životy.

Aby byla zajistěna bezpečnost a optimální funkce elektrického systému, je nezbytné použít zemnící vodič vhodného průřezu. Například v běžné službě 100 A s vedením o délce 150 stop se obvykle doporučuje zemnící vodič 8 AWG (American Wire Gauge). Dodržováním těchto rozměrových pokynů se brání elektrickým nebezpečím a zajišťuje, že zemnící systém funguje efektivně, poskytující spolehlivou ochranu v případě poruchy.