Földelés és nullázás

2007/12. lapszám | Mihályi János |  29 739 |

Figylem! Ez a cikk 18 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A védővezetős érintésvédelmi módok esetében a meghibásodás következtében létrejövő, a megengedettnél nagyobb érintési feszültséget okozó testzárlat kapcsolja le önműködően és gyorsan a meghibásodott készüléket a hálózatról. A testzárlat TT-rendszer e...

A földelési ellenállás (TT-rendszer) mérésének és értékelésének témaköre oly mértékben szerteágazó - mindegyike többletkövetelményeket tartalmaz -, hogy a téma korlátozott terjedelmét messze meghaladja. Eltekintünk a mérést meghamisító, esetleg fellépő galván- és polarizációs feszültségek, valamint kóboráramok hatásától, és az okozott hibák csökkentésének, illetve kiküszöbölésének módszerétől. Az eljárás a mérőkör fáziscseréjét vagy eltérő frekvenciájú mérőkör alkalmazását teszi szükségessé, amelyek a mérést bonyolítják és nehezítik. Az egyszerűsítések után jutunk el az 1. ábrán látható kapcsoláshoz, amelynek értelmezéséhez néhány fogalom meghatározása szükséges.

Szonda
Az a földelő, amely a mérés során kizárólag a feszültségmérőkör potenciáljának rögzítésére szolgál. Szondaként csak legalább 30 cm-re lemélyített, mind a mérendő földelőtől, mind az ellenföldelőtől legalább 20 m-re telepített földelőt szabad használni.

Ellenföldelő
Az a földelő, amelyet a mérendő földelésen keresztül a földbe vezetett mérőáramnak a földből való visszavezetésére használnak. Az esetek nagy többségében az ellenföldelő a rendszer üzemi földelése. Földelésméréskor a mérendő földelésen egy ellenföldelő segítségével erősáramú mérés esetén legalább 1 A nagyságú mérőáramot kell átvezetni.

Meg kell mérni, hogy mekkora feszültségkülönbség lép fel a mérőáram hatására a mérendő földelés és a talaj egy gyakorlatilag nulla potenciálú pontja - a mérőszonda - között. A földelési ellenállás a mért feszültségkülönbség és az ezt létrehozó áramerősség hányadosa:

Ra = Um/Im, ahol
. Ra a földelési ellenállás;
. Um a mérőfeszültség;
. Im a mérőáram;

A kapcsolásból kitűnik a mérés egyszerűsége: Ohm törvényére vezethető vissza. Az eddigiekből is kiderült és a továbbiak is azt igazolják, hogy a biztonságtechnikai mérések többsége erre az egyszerű alapelvre épül. A mérések egyszerűsége mellett a nehézségek a megvalósításkor, illetve a mérések kivitelezésekor jelentkeznek. A földelési ellenállás mérésére kialakított mérőműszerek az árammérést megtakarítják, oly módon, hogy a mérőkörbe ismert értékű ellenállást iktatva a mérést feszültségmérésre vezetik vissza, és a mérendő földelési ellenállás értékét a műszer skálájának készítésekor figyelembe veszik. Ennek tudható be, hogy a földelési ellenállás és a mért feszültség közötti, egyébként lineáris összefüggés ellenére, a földelési ellenállásmérők skálái többnyire nem lineárisak, és méréshatáronként is változnak.

A mérés gyakorlati végrehajtása során változatlanul gondot jelent a mérőszonda telepítése. A különben is kellemetlen (kerülendő!) munkát nehezíti, hogy napjainkban városi körülmények között betonozatlan területet találni szinte lehetetlen. A szabvány ajánlása ezt a tényt figyelembe veszi. Ezért közvetlenül földelt rendszerek védőföldelésének (TT-rendszer) szabványossági felülvizsgálatakor földelési ellenállásmérés helyett megengedett a földelési hurokellenállás mérése. A földelési ellenállás értéke a földelési hurokellenállás mért értékének felével tekintendő azonosnak.

Ez igen nagy könnyebbség, a felülvizsgálók ezért - szinte kizárólag - hurokellenállást mérnek. A szabványos érintésvédelmi minősítés feltételeinek megfogalmazása során erre visszatérünk. A hurokellenállás durva közelítéssel a táptranszformátor impedanciájából (mint a generátor belső ellenállásából), a táptranszformátortól a fogyasztóig - a mérési pontig - terjedő és onnan visszavezető vezetékszakasz ellenállásából áll.

A nullázott rendszerek (TN-rendszer) szabványossági vizsgálatakor üzemi feszültséggel történő mérés esetén a 2. ábrán látható kapcsolási elrendezés alkalmazható. A mérés során a tápvezeték a földhöz képest feszültség alatt álló egyik vezetője (általában az egyik fázisvezető) és a védővezető közé olyan értékű ellenállást kell kapcsolni, hogy a mért körben legalább 1 A áram folyjék. Meg kell mérni, hogy mennyire változik a feszültség a terhelés bekapcsolásának hatására. A mért hurokellenállás a feszültségcsökkenés és az azt létrehozó mérőáram hányadosa (ismét Ohm törvénye!), így:

Rs = Rt(Uü - Ut)/It = Rt U/ It, ahol:
. Rs a hurokellenállás;
. Rt a terhelő ellenállás;
. Uü a fázisfeszültség terheletlen értéke;
. Ut a fázisfeszültség terhelt értéke;
. U a fázisfeszültség terheletlen és
terhelt értékének különbsége, és
. It a terhelő áram.

Ismert értékű terhelő ellenállás alkalmazásával a terhelőáram mérése elhagyható. A terhelő ellenállás melegedését Rt értékében figyelembe kell venni. Tekintettel arra, hogy a feszültségek különbségét számítással, (nem vektoros!) kivonással határozzuk meg, a mérési eredmény közelítőleg ellenállás- és nem impedanciaérték.

Külső feszültségforrással történő méréssel, mérési szakaszokra bontással hurokimpedanciát is lehet mérni, mégpedig a táptranszformátor impedanciájával együtt vagy nélküle, egyenáramú táplálás esetén a kör ohmos ellenállását is meghatározva.

A hurokellenállás mérésekor a különbségmérés következtében jelentős méréstechnikai problémával szembesülünk. Az általános metrológiából ismeretes, hogy a parciális deriváltak alapján meghatározható számított relatív hibák halmozódása kivonás esetén - különösen, ha a kivonandó mennyiségek egymáshoz közel esnek - igen nagy lehet. Ezért lehetőleg kerülni kell azokat a méréseket, amelyeknél az eredményt úgy kapjuk meg, hogy a mért értékeket ki kell vonni egymásból. Márpedig kis értékű hurokellenállások esetén ez a feltétel igen nagy terhelőáramokat feltételez.

Alig lábaltunk ki a szondatelepítés nehézségéből, és máris újabb akadályba ütköztünk. Már csekély, minimális terhelőáram esetén is durván 230 W hő fejlődésével kell számolnunk. Ez a hőfejlődés az elektronikához szokott tervezőnek meglehetősen ijesztő. Megengedett a mérésekhez viszont olyan műszerek használata, amelyek a különbséget, a feszültségcsökkenést, vagy a feszültségcsökkenés és a terhelőáram hányadosát közvetlenül mérik. Ez az engedmény jelenti az egyik kiutat az alagútból.

Lényegében olyan mérést hajtunk végre, amelynél a terhelés okozta feszültségcsökkenést egy referenciafeszültséghez viszonyítjuk. Ezáltal a hurokellenállással arányos feszültségcsökkenést érzékenyebb (kisebb méréshatárú) feszültségmérővel mérhetjük, azaz nagyobb pontosságot érhetünk el. A referenciafeszültségnek a fázisfeszültség terheletlen pozitív félhullámát választva, egyben terhelés nélküli állapotot feltételezve, a méréshez igen alkalmas megoldáshoz jutunk. Megkerültük tehát a kiinduláskor keletkező, a különbségképzés okozta méréstechnikai problémát.

A félhullámú mérés elve nem új keletű. A feltaláló után "SYSTEM SIMON" néven vált ismertté. A magyar fejlesztésű és gyártású műszercsalád tagjai is ezt az alapelvet alkalmazzák. A félhullámú terhelés kapcsolására a nyomógomb kímélése céljából többnyire tirisztort használnak, mert a tirisztorvezérlő áram nagyságrendekkel kisebb a terhelő áramnál. Fordítsuk figyelmünket a 3. ábra mérési elrendezésére! A fázis és a védővezető közötti feszültség egyenirányítóból és ellenállásosztóból álló összegző kapcsolásra kerül.

A fázis pozitív és negatív félhullámának szimmetriája esetén az öszszegző kimenő feszültsége nulla (az aszimmetria-nullázással kiegyenlíthető). A fázis negatív félhullámú feszültsége a diódás terhelés bekapcsolásának hatására csökken, az eddig fennálló szimmetria felborul, és az így mérhető feszültségkülönbség a hálózat hurokellenállásával közel arányos. Részleteiben vizsgálva a kapcsolási elrendezés üzemi viszonyait, a mérés összefüggéseit nyerjük.

A részletes levezetést mellőzve:U = UK Rh /(Rt + Rh)

Látható, hogy a nyert feszültség a hurokellenállásnak nem lineáris függvénye.

Az Rt >> Rh feltétel teljesülése esetén:U = UA Rh/Rt, azaz kis értékű hurokellenállás esetén az összefüggés lineárisnak tekinthető.

Nagyobb értékek esetén rendszeres mérési hibával számolhatunk. Az így elkövetett hiba számítással korrigálható, de az esetek többségében a gyakorlatban előfordulható hurokellenállás-értékek megengedhető értékei ezt szükségtelenné teszik. Ezt igazolandó levezetés nélkül előrebocsátjuk, hogy TN-rendszerben 10 A-es nem motorvédő jellegű kismegszakítóval védett hordozható készülékek esetében a megengedhető hurokellenállás maximális értéke 2,3 . Ugyanezen érték 25 A esetén 0,9 .

A védővezetős érintésvédelmi mód szabványosságának feltétele
TT-rendszer Ra x In x < UL, ahol:
. Ra a védett test földelési ellenállása vagy a földelési hurokellenállás fele;
. In a kikapcsoló szerv névleges árama;
. a kioldási tényező;
. UL a megengedett érintési feszültség, váltakozóáram esetén 50 V, egyenáram egyenfeszültség esetén 120 V.

TN-rendszerZs x In x < Uo, ahol:
. Zs a hurokimpedancia a védett testig (az esetek többségében csak a mérhető ellenállás-összetevőt kell figyelembe venni);
. In a kikapcsoló szerv névleges árama;
. a kioldási tényező;
. Uo általában a fázisfeszültség.

Az kioldási tényező értékeit korábban az MSZ 172/1 tartalmazta, új típusú kismegszakítók esetén a kismegszakító kioldási jelleggörbéjéből határozható meg. Hordozható készülékek általános esetében 5, áramvédő-kapcsolók esetében, többnyire 1. Speciális esetben - számos ilyen van -, szelektivitási, illetve késleltetési igény esetén az értéke nagyobb is lehet.

Az 1. táblázat foglalja össze a kismegszakítók alkalmazásának jellegét, valamint az kioldási tényező értékeit. A 2. táblázatban összefoglaltam néhány védőellenállás értéket az kioldási szorzó és kikapcsoló szerv kioldó áramának függvényében. Látható, hogy földelés esetén még a legkedvezőbb esetben is 0,5 érték adódik.

A védőföldeléssel kapcsolatos igény megfogalmazásakor nagyon kemény ellentmondásba ütközünk. Egyik oldalról tapasztalható a villamos energia iránti fokozódó igény. Elegendő pusztán közvetlen környezetünk villamos készülékei számának viharos növekedésére gondolnunk. Néhány évtizede a világításra fordított energia dominált, illetve elvétve találhattunk pár egyéb készüléket: rádiót, mosógépet, esetleg centrifugát vagy televíziót.

Napjainkban ezek mindennaposak lettek, kiegészülve olyan készülékekkel, amelyek korábban ismeretlenek voltak. A számítógép ma már munkaeszköz a teljes konfigurációval együtt. És akkor még nem szóltunk a konyha és a fürdőszoba készülékeiről, a kényszerű vagy hobbi-barkácsolásról és kerti munkákról: azaz a túláram-védelmi szervek kioldó áramának növekvő értékével kell számolnunk. Ez a mérleg egyik oldala.

A másik oldal sem biztatóbb. A régi időkben ott volt a jó, megbízható, nagy kiterjedésű, jó vezetőképességű víznyomó csőhálózat, amely meglehetősen jó földeléssel szolgált. Ma már ez is a múlté. Megjelentek az olcsó, kényelmesen, könnyen és gyorsan szerelhető műanyag nyomócsövek. Ezzel együtt viszont természetesen a földelések tetemesen romlottak. Végeredményül elmondható, hogy a klasszikus értelemben vett földeléses érintésvédelem gazdaságosan ma már nem alkalmazható! Marad tehát a nullázásra való, esetenként nem minden nehézség nélküli áttérés vagy az áramvédő-kapcsoló alkalmazása.

---