Néhány szó a földelésről

2005/1-2. lapszám | Dr. Fodor István |  68 075 |

Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

Néhány szó a földelésrőlBár a földelésnek szinte minden villamos szakágban, minden eszközben vitathatatlanul fontos szerepe van, mégis mostohagyerekként kezeljük: felületesen ismerjük, s néha úgy tűnik, csak a baj van vele. Talán segít eligazodni a k...

Néhány szó a földelésről
Bár a földelésnek szinte minden villamos szakágban, minden eszközben vitathatatlanul fontos szerepe van, mégis mostohagyerekként kezeljük: felületesen ismerjük, s néha úgy tűnik, csak a baj van vele. Talán segít eligazodni a kérdésben e rövid, áttekintést nyújtó cikk, amely mintegy kiegészítése a korábban megjelent EMC sorozatnak.

A különböző célú villamos hálózatok és rendszerek szinte mindegyikében szerepet kap a földelés, mint eljárás, de szinte minden esetben más a cél és más az eszköz. Attól függően, hogy milyen rendszerben és milyen céllal alkalmazzuk, jelentős eltérések adódhatnak a földelések között. A mindennapi gyakorlatban a következő rendeltetésű földelések a leggyakoribbak:

• üzemi földelések,

• érintésvédelmi (védő) földelések,

• villámvédelmi földelések,

• túlfeszültség-védelmi földelések,

• elektrosztatikai földelések,

• zavarvédelmi földelések,

• technikai földelések.

A földelési eljárások mindegyike két elemre támaszkodik: a földelő hálózatra és a földelőre. Mindkettő kivitelét alapvetően meghatározza létesítési célja.

Az üzemi földelések célja az áramszolgáltató hálózatán belül a megfelelő üzemi viszonyok kialakítása és a hálózati feszültség földpotenciálhoz való rögzítése. E földelések lehetnek közvetlenek (merevek) vagy közvetettek, azaz megfelelően méretezett impedancián keresztül földeltek (hosszú földelés). Hazánkban a kisfeszültségű fogyasztói hálózatok - néhány ritka kivételtől eltekintve - mereven földeltek, s az üzemi földelő (általában igen jó minőségű, kis ellenállású) a táptranszformátor csillagpontjánál helyezkedik el.

Az érintésvédelmi (védő) földelések célja a villamos fogyasztó-berendezések biztonságos használatának elősegítése. A földelő ez esetben a fogyasztói csatlakozásnál helyezkedik el, és feladata egyfelől az ún. érintési feszültség megfelelő szintű korlátozása, másfelől a testzárlat adott időn belüli megszüntetése. (Ezek aránya az érintésvédelem módjától függ.)

A villámvédelmi földelések célja a villámhárító berendezést érő becsapás áramának a földbe való elvezetése minél rövidebb úton, minél kisebb veszélyt és potenciál-emelkedést okozva.

A túlfeszültség-védelmi földelések a villamos berendezést érő légköri vagy kapcsolási eredetű túlfeszültségek elleni védelmül szolgálnak, biztosítva a (kvázi) egyenpotenciálra hozás lehetőségét a tranziens túlfeszültségek időtartományában is.

Az elektrosztatikus földelés nagymértékben különbözik a többi földeléstől. Speciális, paramétereiben az összes többi földeléstől eltérő, az elektrosztatikus eredetű túlfeszültségek és kisülések elleni földelés, amelyről elmondható, hogy feladatát szinte az összes egyéb célú földelő el tudja látni. (Fordítva nem igaz!)

A zavarvédelmi földelések elsődleges célja a rendszerbe sugárzásos, vezetéses, induktív vagy kapacitív úton bejutó rádiófrekvenciás - bizonyos esetekben kisfrekvenciás - zavarjelek becsatolásának csökkentése, elvezetési lehetőségének javítása, s ez által a zavart berendezés működőképességének megőrzése. Idetartoznak a speciális érzékeny mérőeszközök nem érintésvédelmi célú földelései is.

A technikai földelések célja valamilyen, a fentiektől eltérő speciális cél elérése: ilyen lehet például az aktív korrózióvédelemhez tartozó földelés, a rádióadók földelése stb. (Sok esetben technikai földelőnek hívják -helytelenül - a zavarvédelmi célból létrehozott földeléseket is.)

Földelési ellenállás
A fenti felsorolás jól mutatja, hogy az energiarendszerektől az érzékeny elektronikus műszereken át az orvostechnikai készülékekig a - különböző célú - eltérő kivitelű földeléseket mindenhol megtaláljuk.

Jóllehet felépítésük, hálózati kialakításuk rendkívül eltérő lehet, két fő vonásukban meglehetősen hasonlítanak egymásra.

1. A földelő hálózat vezetékrendszerének kialakításánál szinte mindig törekedni kell a legkisebb impedanciájú vezetékrendszer megvalósítására.

2. A földelők telepítésénél célként kell kitűzni a reálisan és gazdaságosan elérhető legkisebb szétterjedési ellenállást.

(Ez utóbbi fogalmat segít értelmezni az 1. ábra: egy félgömb alakú földelő áramlási terét és a kialakuló ekvipotenciális felületeket mutatja be a baloldali részen, az ábra jobb oldalán pedig az ún. potenciáltölcsér látható.)

1.ábra Az áram szétterjedése a talajban

A földeléseket általában akkor tekintik hatékonynak, ha kicsi a szétterjedési ellenállásuk, illetve kicsi a földelési ellenállásuk.

Ez általában akkor teljesül, ha elegendően nagy felülettel bír a földelő és megfelelően kicsi a talaj fajlagos ellenállása. Míg a földelő méreteit - bizonyos határok között - mi magunk választhatjuk meg, a talaj fajlagos ellenállása többé-kevésbé adott, melyet több tényező is befolyásol.

A talaj fajtája elsődlegesen meghatározza a fajlagos ellenállást: humusztól a márványig sorolva a talajokat 101-től a 106 ?m-ig terjed a skála. Jelentős mértékben függ minden esetben a talaj nedvességtartalmától a fajlagos ellenállás, melynek nem elhanyagolható a hőmérséklettől való függése sem.

Ezt mutatja a 2. ábra, melyen jól megfigyelhető, hogy a fagypont alatt jelentősen megnő a fajlagos ellenállás, rontva ezzel a földelés minőségét.

2.ábra A talaj fajlagos ellenállás hőfokfüggése

A földelők fajtái és anyagai
Elvileg rendkívül széles a földelők választéka, hiszen minden vezetőanyagból készült, talajjal érintkező tárgy földelőként viselkedik. A leggyakrabban alkalmazott földelők az alábbiak.

Rúdföldelők
A talajba függőlegesen elhelyezkedő, vezető anyagú, különböző alakú, illetve keresztmetszetű és felületű rudak, amelyeknek elsődlegesen a felülete és telepítési mélysége határozza meg hatékonyságát.

Szalagföldelők
A talajfelszínnel párhuzamosan, adott mélységben fektetett, jelentős hosszúságú, vezető anyagú, különböző alakú, illetve keresztmetszetű és felületű szalagszerű vagy körszelvényű anyagok.

Alapföldelők
Az épületek alapjául szolgáló vasbetonszerkezetek, amelyek egyfelől közvetlenül érintkeznek a talajjal, másfelől a bennük lévő vasalás villamos szempontból megbízhatóan folytonos.

A különböző földelőket együttesen alkalmazva hatásosan alakíthatjuk az áramlási teret, csökkentve például a veszélyes lépésfeszültséget.

3.ábra A lépésfeszültség csökkentése (Ronkay)

A földelők anyaga
A hagyományos földelők általában tüzihorganyzott vasból, korrózióálló acélból vagy rézből készülnek, illetve ezek kombinációjából. Fontos szempont az anyag választáskor a korrózió: célszerű a talajfajta ismeretében (agresszív, szennyezett stb.) megválasztani az anyagot.

A földelők telepítése
A telepítés módja természetesen függ a földelés típusától.

Kézi telepítés
A rövid rúdföldelők széles körben alkalmazott telepítési módja az, hogy a kialakított 1 m mély munkagödörből indított rudat kézi kalapáccsal leverik. Általában 2-3 m mélységig alkalmazható talajviszonyoktól függően

Gépi telepítés
A lesajtolás eszköze ebben az esetben gépi kalapács vagy cölöpverő. Ezzel a módszerrel megfelelő talajviszonyok esetén már 10-12m-es rúd is telepíthető.

Gyakori hibák

• A rúd nehezen megy le, berezeg, illetve kihajlik, s kiveri a talajt maga körül, csökkentve ezzel a hatásos érintkezési felületet.

• A rúd elakad (általában kőben), ezért le kell vágni, esetleg jelentősen csökkentve ezzel hosszát.

• Kis átmérőjű, s ezért kis felületű rúd alkalmazása (költségkímélés?!).

• Különböző anyagú földelők telepítése egy rendszeren belül.

Elsősorban a száraz, köves vagy sziklás talajokban rendkívül nehéz megfelelő földelési ellenállást elérni a hagyományos módon, még ha mellőzzük is a gazdaságosság szempontját.

Hatékonyság növelés
A száraz, sivatagos vagy sziklás területekkel bíró országokban jelentek meg először a különféle hatékonyságnövelő anyagok, eszközök, bár a bentonitot elterjedten használják szinte mindenütt. Manapság két megoldás, illetve ezek kombinációja használatos: az adalékanyagok használata vagy a vegyi anyaggal töltött földelőrudak telepítése.

Adalékanyagok
Az adalékanyagok általában két módon működnek: egyfelől jó vezetőképességüket és halmazállapotukat kihasználva mintegy megnövelik a földelő felületét, jó vezető kontaktust biztosítva a talajjal, másfelől ezen anyagok egy része szinte benyomul a talaj réseibe, kapillárisaiba, jól vezető áramutakat biztosítva. Az adalékanyagok döntő többségét iszap formájában juttatják a fúrt lyukba, de előfordul olyan megoldás is, ahol a fém földelő szondát gyárilag látják el vezetőképes, nagy felületű és egyben korrózióvédő bevonattal, s a telepítés után a talaj tömörítésével érik el a megfelelő kapcsolatot a talaj és a földelő burkolata között.

Az adalék anyagok önmagukban általában jó vezetőképességgel bírnak s a talajba kerülve nedvességet szívnak magukba. Összetételük változó, általában a gyártok csak a fontosabb komponenseket adják meg, az arányokat nem.

A ma is használatos és elfogadható anyagok közül talán a szén, illetve a grafit a legismertebb. Ilyen például a tengerentúli HARGER cég Ultrafill nevű anyaga. Szintén sokan ismerik a bentonitot, vagy az abból készült keverékeket, mint például az Earthrite (DULMISON). (A bentonit sok helyen előforduló természetes agyagásvány, amely nedvesség hatására duzzad, s ennek révén fejti ki hatását.) Japán cégek vezetővé tett betont ajánlanak (pl. San-earth), amely óvja a földelő elektródot, megnövelve ezzel mellesleg az élettartamot is. Számos cég alumíniumszilikátot vagy hasonló vegyületet alkalmazva ígér biztos eredményt. (Idetartozik a hazai piacon is megjelent Eritech GEM (ERICO), illetve a PowerFill (LORESCO)).

A GEM megjelölést többen is használják - angol betűszó, eredeti jelentése: földelést javító anyag. A felsorolt anyagok többnyire higroszkópos jellegűek, és nem okoznak káros talajszennyezést.

Bármelyik adalékanyagot használjuk is, feltétlenül tisztázni kell hatását a földelő anyagára, valamint esetleges reakcióit szennyezett vagy agresszív talaj esetén.
Dacára a bő választéknak még ma is előfordul a konyhasó (nátrium klorid) alkalmazása, sőt ajánlása is. Mindenkit lebeszélünk erről a megoldásról: lehet, hogy olcsónak és egyszerűen kivitelezhetőnek tűnk, de erősen környezetszennyező anyagról van szó, amely agresszív, és jelentősen csökkenteni fogja a földelő élettartamát is.

Minden esetben csak olyan anyagot használjunk, amelynek ismerjük a tulajdonságait, s rendelkezésre áll a terméklapja is. Ami a költségeket illeti: durván 1 dollár/kg áron szerezhetők be.

Töltött rudak
Külön kell említenünk a kémiai anyagokkal töltött rudakat: ezek olyan töltettel rendelkeznek, amely higroszkópos, s az atmoszférával folyamatosan kapcsolatban állva nedvességet vesz fel, amely beoldva a töltet anyagát a cső elektród perforált alsó részén a talajba jut, jelentősen javítva annak ionos vezetőképességét.

Bár első látásra drága megoldásnak tűnik ez a módszer, de a szakirodalomban szerepel olyan mérési eredmény, ahol az azonos felületű réz rúdhoz képest tized részére csökkent a földelési ellenállás. Száraz sivatagi környezetben, például Arizónában, ha minden költséget beszámítunk és a megbízhatóságot, élettartamot is figyelembe vesszük, egyes szerzők szerint mintegy felére - harmadára csökkenthetjük a beruházás költségeit!

A töltött rudak és az adalékanyagok összehangolt alkalmazása tovább javíthatja a földelés minőségét.

4.ábra Töltött földelő rudak

Öszefoglalás
Összegezve a tapasztalatokat, a szakirodalmi adatokat, a következőket mondhatjuk.

• A különféle földelés-hatékonyság növelő eljárások, anyagok - ha kellő körültekintéssel alkalmazzuk azokat - jó eredményt hozhatnak, indokolt esetben. Természetesen nagy nedvességtartalmú talajban vagy nagyon magas talajvízszint esetében nem érvényesülnek az előnyök, s nem lesz gazdaságos a létesítés.

• Feltétlenül figyelembe kell venni a környezeti adottságokat (talaj, szennyezések, már meglévő földelők stb.), hogy ne idézzünk elő elektrokémiai jellegű problémákat. (Sok esetben tapasztaljuk, hogy pl. meglévő, acélból készített földelő rendszert réz rúddal egészítenek ki, vagy fordítva: ez látszólag nem okoz problémát, de ilyenkor valójában egy rövidrezárt szárazelemet hozunk létre, s előbb-utóbb azt észleljük, hogy az egyik földelőrúd elfogyott!)

• Soha ne éljünk vissza a lehetőségekkel: ne szennyezzük környezetünket - mindig vegyük figyelembe a környezetvédelmi szempontokat is.

---