Föld alatti áramok, föld feletti potenciálkülönbségek

2006/7-8. lapszám | netadmin |  12 769 |

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

Föld alatti áramok, föld feletti potenciálkülönbségek Életünk, így életterünk, lakókörnyezetünk és munkahelyünk működőképességének, komfortjának alapját a villamos energia rendelkezésre állása és egyre szélesebb körű felhasználása teremti meg. ...

Föld alatti áramok, föld feletti potenciálkülönbségek

Életünk, így életterünk, lakókörnyezetünk és munkahelyünk működőképességének, komfortjának alapját a villamos energia rendelkezésre állása és egyre szélesebb körű felhasználása teremti meg. Ennek ára, hogy tulajdonképpen egész életünk villamos térben zajlik. Gondoljuk át: településünket és ezen belül munkahelyünket, lakásunkat föld alatt és föld felett, valamint körülöttünk mindenfelé erőátviteli és jelátviteli (információtechnikai) kábelek és vezetékek, valamint különféle - nem feltétlenül villamos célból létesült - fémszerkezetek hálózzák be. Ezeken a szerkezeteken és magában a talajban is, mint vezetőképes közegben különböző okokból, állandó jelleggel, időszakosan, és/vagy impulzusszerűen áramok folynak vagy folyhatnak, befolyásolják vagy időszakosan megváltoztatják környezetünk potenciálját, zavarokat, akár károkat is okozhatnak. Ezek az áramok értékükben igen nagy eltéréseket mutathatnak. Míg az állandóan jelen levő földáramok a talajszint alatti fémszerkezeteken elektrokorróziót okozhatnak, addig a nagy értékű, hirtelen fellépő áramok váratlan potenciálkülönbségeket idézhetnek elő, illetve olyan szerkezeteken folyhatnak károkozásra alkalmas áramok, ahol erre nem is számítanánk.
Itt most nem arról lesz szó, hogy a környezetünkben előforduló áramok és az általuk keltett villamos terek önmagukban jelentenek-e egészségügyi problémákat vagy kockázatokat, vagy sem, hanem arról, hogy milyen kérdéseket vet fel az, hogy az egyébként gyakorlatilag földpotenciálúnak tekintett és ekként kezelt villamos és nem villamos szerkezetek nem pontosan nulla potenciálúak és nem is teljesen azonos potenciálúak. A kérdés kapcsolatba kerül a kóboráramok kérdésével, sőt sok esetben éppen arról van szó, de többről is, hiszen a probléma a közcélú villamosított területeken általános jellegű. A cél ráirányítani a szakemberek figyelmét egy jelenségre, és közölni a hozzá tartozó információkat, hogy a felmerülő kérdéseket szükség szerint kezelni tudják.

Környezetünk potenciáljai
Környezetünk természetes potenciálja értelemszerűen a földpotenciál, amit nem érzékelünk, ahogy a fecskék sem tudják megkülönböztetni, hogy a szigeteletlen szabadvezetékes kisfeszültségű hálózaton feszültség alatti vagy feszültség alatt nem levő vezetőre ülnek, mert egyik esetben sem folyik rajtuk áram. Akkor hát mindegy lenne, hogy milyen környezetünk tényleges potenciálja? Nem ilyen egyszerű, mert a földpotenciál "elmozdításához" áram kell, tartós befolyásolásához pedig állandó áram szükséges, mert a földfelszín talaja, amin élünk, vezetőképes közeg. Ehhez állandó energiabefektetés lenne szükséges, ami semmiféle hasznos munkavégzést nem jelent. A minket körülvevő környezet, így pl. egy teljes épület potenciálját akkor érdemes vagy szükséges befolyásolni, ha műszaki intézkedésekkel akarjuk garantálni, hogy egy adott térben, tervezetten meghatározott környezetben semmilyen módon ne alakulhassanak ki veszélyeztetést jelentő potenciálkülönbségek, azaz belső hibák vagy külső hatások esetén se következhessen be áramütés. Ennek érdekében alakítjuk ki a fő egyenpotenciálú összeköttetések rendszerét (EPH) és alkalmazunk védővezetős érintésvédelmet.
Ha ezek a "helyükön vannak", akkor kezdhetünk csak el villamos biztonságról beszélni.

A környezet
potenciálját befolyásoló tényezők
A kérdés vizsgálatához először számba kell venni a környezetünkben előforduló, gyakorlati szempontból földelt, vagy földeltnek (földpotenciálúnak) tekintett szerkezeteket, majd meg kell vizsgálni azok potenciáljait a velük kapcsolatban felmerülő körülmények között. A szóban forgó szerkezetek a következők:
. a nagy- és középfeszültségű hálózatok (oszlopai),
. a közép-/kisfeszültségű transz-formátorállomások (földelőrendszerei),
. a közcélú, kisfeszültségű hálózatok PEN-vezetőinek potenciálrögzítése céljából telepített üzemi földelések,
. a közcélú, kisfeszültségű hálózatok PEN-vezetőire csatlakoztatott, tehát a hálózat érintésvédelmi rendszerébe bekötött, földeltnek tekinthető hálózati szerkezetek (oszlopok, fém elosztószekrények és ezek földelései stb.),
. az MSZ 2364 (régebben: MSZ 172/1) szabvány hatálya alá tartozó épületek földelőrendszerei, valamint a földelőrendszerekre csatlakozó EPH- és PE-funkciójú vezetők, valamint az általuk földelőrendszerre csatlakoztatott szerkezetek (épületekbe becsatlakozó fém anyagú csővezetékek és egyéb vezetőképes, más helyről potenciált hozó szerkezetek, épületszerkezetek, házi fémhálózatok, illetve a védővezetős érintésvédelmi móddal rendelkező, bekötött villamos készüléktestek),
. az épített környezetben levő, vezetőképes és földeltnek tekinthető, de EPH-rendszerhez villamosan csatlakoztatni nem szükséges szerkezetek,
. a fogyasztói hálózatok PE- és N-vezetői.
Nézzük, milyen áramokról lehet szó, ezeket mi okozza vagy okozhatja, honnan származnak, és milyen jelenségeket, hatásokat, műszaki problémákat okoznak vagy okoz-hatnak!

A villamosenergia-rendszer elemei
és az általuk előidézett földáramok
A villamosenergia-rendszer különböző feszültségszintű hálózatai a rájuk jellemző módon okoznak vagy okozhatnak földáramokat úgy üzemszerű körülmények között, mint hiba fellépte esetén.
Amennyiben egy hálózat fázisvezetője vezetőképes kapcsolatba kerül a földdel vagy földelt szerkezettel, akkor áram indul a föld felé, és földérintéses hibáról, földzárlatról beszélünk. Jellemző, hogy a hálózatok feszültségszintjének növekedésével nő a földbe táplált áram, a földzárlati áram.
Esetenként az is előfordul, hogy egy nagyobb feszültségű hálózaton fellépő földérintéses hiba árama egy kisebb feszültségű hálózaton is áramot hajt át, ami saját környezetében járulékosan fellépő földáramokat okoz.

Nagyfeszültségű hálózatok
Nagyfeszültségű hálózatok a 120 kV-os, valamint az ennél nagyobb feszültségű szabadvezeték-hálózatok: az országon belüli villamosenergia-forgalom energiaútjai. A hálózatok háromfázisúak, rendszerenként három vezetővel. Amennyiben fázisonként több vezető van, akkor ezek villamos szempontból párhuzamosítottak. Ha az oszlopokon egynél több háromfázisú vezetékrendszer van, akkor ezek egymástól függetlenül üzemelnek.
A nagyfeszültségű hálózatok (tápláló transzformátoraik) csillagpontjai mereven földeltek, azaz a transzformátorok csillagponti kivezetéseit közvetlenül egy igen kis szétterjedési ellenállás- értékű földelésre csatlakoztatják (ez mély- vagy kútföldelő, illetve nagy kiterjedésű földelőháló).
A nagyfeszültségű hálózatok normál üzemben csak kis értékű kapacitív áramokat bocsátanak a talajba (a vezeték-föld kapacitásokon keresztül), ennek értéke a feszültségszinttől, a vezeték-elrendezéstől és a vezetékek föld feletti magasságától egyaránt függ. Ez a hálózatok mentén általában semmilyen műszaki problémát nem okoz. Ezen túl az alábbi esetekben jöhetnek létre földáramok a nagyfeszültségű hálózatok környezetében:
. a hálózat sántaüzemében,
. földérintéses zárlat fellépte esetén,
. villámcsapás áramának földbe vezetésével.
Sántaüzemben a nagyfeszültségű távvezeték egyik fázisvezetője kikapcsolt állapotba kerül, azonban - amennyiben a hálózatot mégis üzembe kell helyezni vagy üzemben kell tartani - a két ép feszültségű fázissal lehetséges korlátozott üzemet tartani. Ekkor a valamely okból be nem kapcsolt vagy kikapcsolódott fázisvezető szerepét a föld veszi át. Az áram a hálózat két végpontján üzemelő transzformátorok csillagpontjaira kapcsolódó földelések között, a földön keresztül fog folyni, értéke az üzemáram mintegy másfélszerese lesz, emiatt a transzformátorok teljesítményének legfeljebb 2/3-a vehető igénybe.
A nagyfeszültségű hálózatokat tápláló transzformátorállomások általában lakott területektől távol vannak elhelyezve. Ezért sántaüzem alatt a földbe táplált áram hatása a lakókörnyezetekre nézve általában nem zavaró, bár a földáram minden olyan föld alatti vezetőképes szerkezeten terjed, ami az áramút vezetőképessége szempontjából szóba jöhet.
A nagyfeszültségű hálózatokon viszonylag ritkán lépnek fel zárlatok, általában a szigetelő átütésével, illetve átívelésével, vagy sajnálatos módon madárbalesetek által keletkeznek. A jellemző hibafajta az egyfázisú föld-rövidzárlat (FN-zárlat). A mereven földelt csillagpont miatt a fázis és a föld (földelt oszlopszerkezet) között fellépő zárlatok áramai a fáziszárlati áramok nagyságrendjébe esnek, így a zárlati áram értéke akár több tíz kiloamper is lehet. A zárlat fennállásának ideje tizedmásodperc nagyságrendű. Amennyiben egy adott helyen a vizsgált környezetben ilyen hálózat (oszlopa) van jelen, akkor számolni kell azzal, hogy hálózati hiba felléptekor pillanatszerűen igen nagy értékű földzárlati áram fog folyni a föld felé, ami a zárlat fennállásának időtartama alatt a környezet földalatti vezetőképes szerkezetein és azok föld feletti kapcsolatain is számottevő értékű áramot okozhat.
A nagyfeszültségű hálózatok oszlopai 20 métert meghaladó magasságú rácsos szerkezetű acéloszlopok. A fázisvezetők felett a hálózat teljes hoszszán védővezető(k) vannak elhelyezve, amely(ek) a fázisvezetőket védi(k) a közvetlen villámcsapástól. A nagyfeszültségű hálózatokat viszonylag gyakran éri villámcsapás, mivel kiemelkedő tereppontok. A villámok levezetési árama az oszlopföldeléseken keresztül jut a talajba, és ott pillanatszerű potenciálemelkedést okoz.

Középfeszültségű hálózatok
Középfeszültségű elosztóhálózatoknak nevezzük a 35, 22 és 11 kV feszültségű közcélú hálózatokat. 35 kV-os hálózat már csak kevés helyen fordul elő, minden szempontból együtt tárgyalható a 22 kV-os szabadvezeték-hálózatokkal. A 22 kV a középfeszültségű szabadvezetéki elosztás általános feszültsége.
A 11 kV-os tiszta kábelhálózatok jellemzően a nagyvárosok középfeszültségű ellátását biztosítják.

22 kV-os szabadvezeték-hálózatok
A középfeszültségű szabadvezeték-hálózatok normál üzemi állapotban nem okoznak környezetükben földáramokat, az csak a következő esetekben fordul elő:
. egyfázisú földérintéses zárlatok fellépte esetén (Ff-hiba),
. kettős földzárlat fellépte esetén (2Ff-hiba),
. túlfeszültség-korlátozó készülékek működésekor.
A középfeszültségű szabadvezeték-hálózatok ún. kompenzált hálózatok. A hálózatok csillagpontja induktivitáson (ún. ívoltó tekercsen) keresztül földelt. Az egyfázisú földérintéses hibák következtében fellépő földzárlati áramok kompenzálása a hálózat csillagpontjába betáplált induktív árammal történik, ami a kapacitív jellegű földzárlati áramokkal ellentétes fázisú és közel azonos nagyságú. Az ívoltó tekercs árama hatására a hibahelyen a földzárlati áram viszonylag kis (5.20 A) értékű és közel wattos értékű áram lesz, ami villamos ívet tartósan nem képes fenntartani, így az a hálózat kikapcsolása nélkül magától kialszik ("múló" földzárlat). Amennyiben a földzárlati áram fellépését követően fennmarad (pl. szigetelőtörés miatt a vezeték a vasszerkezetre esett, ami "tartós" földzárlat), akkor sem kell a hálózatot kikapcsolni, mert a hálózat egy földzárlattal üzemeltethető marad, és van idő a hibahely megkeresésére. A földzárlat fellépésével földzárlatos üzem áll be, a földzárlatos fázis feszültsége közel nullára csökken, ezzel egyidejűleg a csillagpont eltolódásával a két ép fázis feszültsége földhöz képest fázisfeszültségről vonali feszültségűre nő. Ez a többletfeszültség igénybevétel megnöveli a második hiba felléptének kockázatát az azonos gyűjtősínről ellátott (galvanikusan összefüggő) hálózaton. Amennyiben a hálózaton van olyan meggyengült szigetelésű pont (pl. egy repedt szigetelő), ami tartósan nem képes elviselni a vonali feszültséget, akkor ott egy újabb egyfázisú hiba lép fel, ami kettős földzárlatot eredményez (2Ff-zárlat). A második hiba csak igen ritkán lép fel ugyanazon az oszlopon, mint az első. Ennek következtében olyan, vonali feszültséggel táplált kettős földzárlati hiba lép fel, ahol a hibahelyek kilométerekre, vagy akár tíz kilométerekre is lehetnek egymástól. Mindkét hibahelyen fáziszárlati áramok nagyságrendjébe eső, akár több kiloamper nagyságú zárlati áram folyik a földbe a védelem általi kikapcsolásig. A zárlat fennállásának ideje a zárlati áram függvényében pár tizedmásodperctől pár másodpercig terjedhet. A 2Ff-zárlat jellegzetessége, hogy a két hibahely között a hálózaton és a földben folyó áram nagy hurkot képez. Mivel a fizikai törvényszerűségek miatt a zárlati áramhurok rövidülni igyekszik, ezért a zárlati áram a földfelszín alatt a két hibahely között kénytelen követni a hálózat nyomvonalát, ennek során rálép minden útjába kerülő föld alatt található vezetőképes szerkezetre, és áramútként ezek föld feletti kapcsolatait is igénybe veszi.
A középfeszültségű szabadvezeték-hálózatok túlfeszültségek elleni védelmét fém-oxid varisztor túlfeszültség-korlátozók látják el, amelyek a hálózat fázisai és a föld közé vannak csatlakoztatva. Előnyös, hogy ezeknek a készülékeknek gyakorlatilag nincs hálózati feszültségről táplált utánfolyó áramuk, így pl. légköri túlfeszültség-behatás esetén a fölös töltésmennyiség föld felé történő levezetését követően nem folyik rajtuk keresztül áram.

22 kV-os földkábel-hálózatok
Számos kisváros belterületének középfeszültségű földkábeles ellátása 22 kV feszültségről valósul meg. Ez esetben a kábelek a városokat övező szabadvezeték-hálózatokra csatlakozva kapnak táplálást, és/vagy azokkal azonos gyűjtősínekről táplálva üzemelnek. Az ilyen középfeszültségű kábelhálózatok üzeme a szabadvezeték-hálózatokéhoz kötött. A kábelhálózatokon fellépő meghibásodások (kábelhibák) esetében nem jellemző a hibahelyi környezetbe kitáplált földzárlati áram, mivel a kábelek folytonos vezetőképes árnyékolással rendelkeznek. A zárlati áramok a 11 kV-os kábelhálózatoknál részletezett módon a közép-/kisfeszültségű transzformátorállomások földelőrendszerére lépnek.
Megemlítendő, hogy kis számban léteznek 22 kV-os tiszta kábelhálózatok is, amelyek saját csillagpont-kezeléssel rendelkeznek. Ezekre a hálózatokra a 11 kV-os kábelhálózatoknál leírtak érvényesek.

11 kV-os földkábel-hálózatok
A 11 kV-os nagyvárosi kábelhálózatok tisztán kábelesek. A hálózatok csillagpont-kezelése hosszúföldelés (a tápláló transzformátorok csillagpontjai ohmos ellenállásokon keresztül állandó jelleggel földeltek). Földzárlatos üzem tartása nem lehetséges. Az egyfázisú hiba esetén fellépő földzárlati áram a hibás kábelvonal biztos kiválasztása érdekében 100 vagy 200 A értékre van beállítva (a hosszúföldelő ellenállás értékének megválasztásával). Mivel a kábelek folytonos vezetőképes árnyékolással rendelkeznek, kábelhiba esetén a hibahelyen nem jellemző a környezetbe kitáplált földzárlati áram. Ugyanakkor előfordulhatnak 2Ff-hibák, amikor egy egyfázisú hiba még a lekapcsolását megelőzően egy másik helyen (kábelen) egy másik fázisban újabb egyfázisú hibát okoz. A kábelhálózatot felépítő kábelszakaszok a 11/0,4 kV-os transzformátorállomások között helyezkednek el (felfűzött rendszer). A kábelszakaszok kábelárnyékolásai a transzformátorállomások földelőrendszerére csatlakoznak, így a kisfeszültségű hálózatok csillagpontját képező PEN-sínekkel is fémes kapcsolatban vannak. A kettős földzárlat felléptekor ezért a zárlati áram egy része nem a kábelárnyékolásokon folyik, hanem a földeléseken, majd a talajon és a kisfeszültségű hálózatok PEN-vezetőin, mint párhuzamos sönt-utakon keresztül záródik.

Közép-/kisfeszültségű transzformátorállomások
A közép-/kisfeszültségű transzformátorállomások a közcélú, kisfeszültségű elosztóhálózatok táppontjai.
Az transzformátorállomások transzformátorainak nagyobb feszültségű tekercsei delta kapcsolásúak, így a transzformátorállomásoknál egyik középfeszültségű ellátó feszültségszinten (22, illetve 11 kV) sincs csillagpontképzés.
Az oszloptranszformátor-állomások a szabadvezeték-hálózatok transzformátorállomásai. Ezért a középfeszültségű szabadvezeték-hálózat felől az oszloptranszformátor-állomás földelőrendszerére csak a transzformátor belső zárlata esetén, vagy a transzformátorállomáson elhelyezett túlfeszültség-korlátozó készülékek megszólalásakor folyhat a föld felé áram.
A középfeszültségű kábelhálózati táplálású transzformátorállomások esetén más a helyzet, itt folyhat középfeszültségű földzárlati áram a transzformátorállomás földelőrendszerére (lásd a középfeszültségű kábelhálózatoknál).
A közép-/kisfeszültségű transzformátorállomások transzformátorainak 0,4 kV-os oldali tekercsei csillag vagy zeg-zug kapcsolásúak. A transzformátor kisfeszültségű oldalának csillagponti kivezetése a transzformátorállomás kisfeszültségű elosztóberendezés PEN-sínjére van csatlakoztatva.
A PEN-sínek merev villamos összeköttetésben vannak a transzformátorállomások közép- és kisfeszültségű egyesített földelőrendszerével, ami egyúttal az ellátott kisfeszültségű hálózat csillagpontjának üzemi földelése is. Ádám Zoltán
(Folytatása következik)

---