2. Principper for jordingsanlæg, potentialudligning samt systemjording af energi producerende anlæg, eks. solcelle anlæg!

Transkript

1 2. Principper for jordingsanlæg, potentialudligning samt systemjording af energi producerende anlæg, eks. solcelle anlæg! ormativ sikkerhed! ormer, standarder og bekendtgørelser, nationale såvel som internationale vil altid udtrykke kompromisser mellem mange forskellige holdninger, opfattelser og interesser, og dette afspejles også tydeligt i teksterne! år det drejer sig om den grundlæggende sikkerhed ved produktion, distribution og brug af elektricitet, er der dog nogle grundlæggende sikkerheds områder, hvor der ikke kan gås på kompromis! 1

2 Risiko for elektrisk chok! Farlige strømme gennem mennesker og dyr der kan forårsage patiofysiologiske skader! IEC Protection against dangerous body current, IEC TS Ed.2 Touch voltage threshold values for protection against electric shock! Det vi normalt betegner berøringsspændinger! Beskyttelse mod termiske og termodynamiske overbelastninger; Overbelastnings- og kortslutningsbeskyttelse! Hvis ikke beskyttelseslederen er tilsluttet apparatet er det brugeren der skal aflede fejlstrømsafbryderens udløsestrøm, og er hverken behageligt eller ufarligt! 2

3 ormativ definitioner! Grundlæggende definitioner Termer Forsyningssystemer, Strømsystemer: Systemjordinger: Beskyttelse mod direkte berøring: Beskyttelse mod indirekte berøring: Kortslutnings- og overstrømsbeskyttelse; vil ikke blive behandlet yderlig i dette indlæg Forsyningssystemer, Strømsystemer: Som strømforsyningssystem kan defineres alle generatorer, transformere med adskilte viklinger, UPS- anlæg, konvertere, invertere (vekselrettere) ensrettere med galvanisk adskillelse og batterier, uanset spændingsniveauer. Eks. G En eller flerfaset En eller flerfaset UPS En eller flerfaset DC DC En eller flerfaset DC AC En eller flerfaset En eller flerfaset 3

4 ormative definitioner! Systemjordinger udtrykker, hvordan strømforsyningssystemer er forbundet til jord, det første bogstav i koden, samt i Afsnit 6., hvorledes de udsatte dele i den forsynede installation er jordforbundet jf , betegnet med det andet bogstav i koden. T- forbundet direkte til jord, eller - forbundet direkte til systemjorden med elektrisk leder; eller, ( kan mange steder være forbundet til jord) Eks. Tr. En eller flerfaset Direkte jordforbundet T Eks. Tr. Z En eller flerfaset Ikke direkte jordforbundet I ormalt udføres systemjorden jordforbindelsen så tæt på forsyningen som muligt, men det er ikke et krav. ormative definitioner! Systemjordingen benævnes i de danske oversættelser i Afsnit 2 og Afsnit 6 som Driftsjord, selv om de definitionsmæssigt betegnes Systemjording. Dette kan give anledning til misforståelser! I DS/E Jernbaneanvendelser, har man oversat Traction system earthing til; Banebeskyttelsesjording? Kan også forvirre lidt! Inden for den sammen installation eller et afgrænset område, kan der være mange og forskellige strømforsyningssystemer og dermed mange systemjordinger, vigtigt er at disse er forbundet sammen til et fælles jordings- og udligningssystem af hensyn til berøringsfare, EMC/ overspændingsbeskyttelse og den generelle driftssikkerhed! I princippet vil systemjorden altid være en del af beskyttelseskredsen, og kan tillige være beskyttelsesjord for mange forskellige strømforsyningssystemer, når betingelserne for fællesjord er overholdt, Men det primære er, at det betegner, hvordan strømforsyningssystemet er forbundet til jord! 4

5 ormerne forholder sig ikke til hvilke systemjordinger der er den bedste for en given applikation, her må man søge hjælp andet sted, f.eks. i tekniske rapporter eller rekommandationer. Eks: Beskyttelse mod direkte og indirekte berøring 5

6 JORD kært barn mange navne! JORD? Beskyttelses JORD Drifts JORD System JORD Funktions JORD Elektronik JORD EDB JORD Reference JORD Lyn JORD Adskilt JORD Uafhængig JORD eutral JORD Data JORD God JORD Støjfri JORD eutral JORD Fjern JORD Krypto JORD Arbejds JORD Medicinsk JORD 6

7 Abstrakt: Jord, jordingsanlæg, jordforbindelse eller blot jording, har gennem tiderne været genstand for megen diskussion og interesse, helt fra opfindelsen af lynaflederanlæg for mere end 200 år siden, gennem udvikling af elforsyningen og elektroniske styringer og til den moderne ITkommunikation i dag. Grunden til dette er, at jorden som klode kan betragtes som én enorm elektrisk leder, og da mennesker, dyr huse og elektriske installationer har mere eller mindre kontakt med denne leder, vil de også være udsatte, hvis de kommer i kontakt med et elektrisk potentiale der er forskelligt fra dette jordpotentiale. Ca. her står jeg Færøerne Derfor er jordforbindelsen sammen med udligningsforbindelsen en vigtig del af el beskyttelsen af sikkerhedsgrunde! 7

8 Jord som elektrisk leder? Specifik modstand: Er en materiale bestemt konstant som angiver modstanden i Ω x m, for en kubus af materialet på 1m x 1m Fremkommer som: R = ρ x L (længde) A (tværsnit) i Ω Ω x m 2 m = ρ = Ω x m 8

9 Specifik modstand: Da strømmen i jorden ledes elektrolytisk via frie ioner, har følgende betydning for den specifikke modstand: Jordtype: sand, ler, tørvejord, klipper Saltkoncentration i jorden Fugtighed i jorden Temperatur Specifik jordmodstand Havvand ferskvand Beton Mose og marsk jord Agerjord ler Sandjord fugtig Sandjord tør Stenet jord Grus og ral Kalk jord Klipper og granit ρ (Ω x m) 9

10 Specifik modstand: Sammenlignet med normale elektriske ledere (metaller) hvor strømmen ledes af fri elektroner, er jorden en meget dårlig elektrisk leder. Til sammenligning er den specifikke modstand i kobber 1,6 x 10-8 Ωm Jordens meget store tværsnit kompenserer dog i nogen grad for den dårlige ledeevne. Beregning af overgangsmodstand: I beregningerne af overgangsmodstanden er det overvejende den specifikke modstand ρ og elektrodens udstrækning som dybde, længde, diameter (maskejord) og volumen (fundamentsjord), der har betydning. Derfor er de tilpassede formler (Faustformler) tilstrækkelig for daglig brug. 10

11 Beregning af overgangsmodstande med tilpassede Faustformler Jordelektrode Faustformel Hjælpeformler Overfladeelektrode (horisontaljord) Dybdeelektrode (lodret) Ringelektrode Maskeelektrode Pladeelektrode Halvkugleelektrode (Fundamentsjord) R A = R A = R A = R A = R A = R A = 2 x ρ E I ρ E I 2 x ρ E 3 x D ρ E 2 x D ρ E 4,5 x a ρ E π x D 2 D = 1,13 x A 2 D = 1,13 x A 3 D = 1,57 x V R A Overgangsmodstand (Ω) p E Specifikke jordmodstand (Ωm) l Længde af elektrode (m) D Diameter for en ringelektrode, diameteren for en erstatningsoverflade for en maskeelektrode eller diameteren for en halvkugleelektrode (m) A Fladen (m²) af det omsluttede areal for en ring - eller maskeelektrode a Kantlængden (m) for en kvadratisk pladeelektrode, ved rektangulære plader kan a indsættes: a= b x c, hvor b og c er de rette sider i rektanglen V Volumen (m³) i et enkeltfudament / 2913 Udførelse: Dybdejord: Fordele: Pladsbesparende og effektiv med aftagende specifik modstand i dybden, påvirker kun potentialet i en relativ afstand (ca m) uafh. af temp.. Ulemper: Kræver specialværktøj, kan brydes i dybden og kun effektiv over for HF i en relativ dybde (lyn). Båndjord/vandret elektrode: Fordele: Er let at etablere sammen med udgravninger, giver potentialstyring, og gennemgående reduceres jordfejlsreststrømmen. Ulemper: Kan variere med årstiden og temperaturen, og er kun effektiv over for HF i relativ længde. 11

12 Udførelse: Jordplader ( jordingsnet eller ringjord): Fordele: Giver god potentialestyring HS-stationer, og er effektiv over for HF ex. Lyn. Ulemper: Relativ dyr at etablere. Fundamentsjord: Fordele: Samme fordele som for maskenet, billig at etablere og korrosionsstabil i fundamentets levetid. Ulemper: Skal planlægges på projekteringsstadiet, sådan har vi aldrig gjort før!! Strøms fordeling i homogen jord; Høj skridtspænding Potentialebjerg Us I E Stor strømtæthed på lille tværsnit Lille strømtæthed på stort tværsnit 12

13 Strøms fordeling i inhomogen jord, med høj specifik modstand i dybden; Potentialebjerg Lille skridtspænding Us I E Stor strømtæthed på lille tværsnit Lille strømtæthed på stort tværsnit Formål og virkning: Formålet med jordforbindelsen er, ved fejl, hvor udsatte og fremmed ledende dele sættes under spænding, at beskytte personer og dyr mod farlige berøringsspændinger. Beskyttelsen opnås ved en kombination af; begrænsning af berøringsspændingen og afbrydelse af forsyningen inden for en angivet tid i forhold til berøringsspændingen. Kravene til jordforbindelsen og jordingsanlæg vil afhænge af forsyningssystemet og det anvendte beskyttelsesudstyr. Kun fejlstrømme der ledes over neutral jord, giver anledning til jordpotentialestigninger i forhold til neutral (fjern) jord. 13

14 Formål og virkning: Det grundlæggende er, at mennesker og dyr ikke må udsættes for fare, på grund af fejl i de elektriske anlæg, inst. og apparater, som kan medføre elektrisk stød og chokstrøm Grænserne for de ikke strøm begrænsede spændinger, der anses for farlige for mennesker og dyr er fastlagte i IEC 60479, bl. a. på baggrund af omfattende målinger af typiske kropsmodstande Kravene er differentierede for mennesker og dyr, samt for de omgivelser, de befinder sig i, lige som tiden for påvirkningen har betydning for den risiko, mennesker og dyr udsættes for. Formål og virkning: Ud over de lovmæssige krav for beskyttelse af mennesker og dyr, er der i bestemmelserne og i normer krav på jordforbindelse med formål som: Systemmæssige jordforbindelse Driftsmæssig jordforbindelse (vil naturligt være en del af den beskyttende jordforbindelse) Jordforbindelse for lynbeskyttelse (fælles med den beskyttende) Jordforbindelse for beskyttelse mod elektrisk støj (opnåelse af EMC) 14

15 Abstrakt: Tidligere var der meget fokus på jordelektrodens effektivitet eller overgangsmodstand til neutral jord, og opfattelsen var at hvis bare den var lav nok var man beskyttet, men det er grundlæggende impedansen og forholdet mellem de jordmodstande der indgår i fejlkredsen og den strøm som forsyningskilden kan generere der er bestemmende for de berøringsspændinger der opstår. R j x I j 50 VAC; Ved 2 Ω overgangsmodstand må største fejlstrøm ikke være over 25 A. Konklusion: Der er i bestemmelserne i dag ikke angivet krav på specifik, eller max overgangsmodstand for jordelektroder. Undt. er: Generatoranlæg og UPS, nødforsyninger, max 100 Ω? Bestemmelsernes krav på beskyttelse af sikkerhedsgrunde, som er min lovkrav, har derimod angivet specifikke krav til max berøringsspænding og jordpotentiale stigning som funktion af tiden for afbrydelse. Derfor skal man kende strømmen der kan optræde ved fejl, sammenholdt med koblingsudstyrets brydekarakteristik, samt den resulterende jordfejlsreststrøm for at kunne fastlægge kravene til jordelektrode og beskyttelsesledere. 15

16 Eks. Anlæg med ledende bygningsdele/beklædning Berøringsspænding U T Potentialstigning U E U T Potentialudligning SB-6/2 BIB Kap 41 U E 1 m Fejl Forsyning Jordelektrode 10 Ω? Potentialstyring? Forsyningsanlæg Eksempler på potentialestigninger U E og berøringsspændinger U T ved jordfejlsstrøm til neutral jord ved stationsanlæg U T Med potentialstyring Uden potentialstyring U T U E φ UT U S = U T U T eutral jord E 1m Jordelektrode E E E S1 S2 S3 1m 1m S1, S2, S3 Elektroder til potentialstyring (fx ringelektroder) forbundet til E U E U S U T Φ Jordpotentialestigning ved jordfejlsstrøm til neutral jord Skridtspænding = berøringsspænding Prospektiv berøringsspænding 2 x U TP : Tilladte berøringsspænding Potentialeforløb ved homogen jord eutral jord 16

17 Sammenfatning: Forsyningsanlæg: Der tillades en jordpotentiale stigning U E på 2 x U TP (Fig. 9.1) dog max 150 V ved fejl tider > 10 sek. Ved jordpotentiale stigninger > 2 < 4 x U TP, skal der anvendes forholdsregler som anført i Bilag D (potentialstyring eller isolering). Ved jordpotentiale stigning > 4 x U TP, kræves yderlig måling og beregning af berøringsspændingen U T U TP som dokumentation af sikkerheden. Potentialstyring må foretrækkes! Afsnit 2: Kapitel 9: Jordingsanlæg V U TP Berøringsspænding ote 1 Denne kurve omhandler jordfejl i højspændingsnettet. ote 2 Hvis varigheden af strømmen er meget længere end vist i diagrammet, kan en værdi på 75 V anvendes for U TP. 4 0,05 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0, Strømmens varighed s Figur 9.1 Tilladelig berøringsspænding U Tp som funktion af strømmens varighed 17

18 Berørings spændingsgrænser generelt for SB Afsnit 6: Beskyttelse mod direkte berøring: 25 V AC rms eller 60 V DC under normale forhold (LV/SELV) 6 V AC rms eller 15 V DC under øvrige forhold (ELV) Beskyttelse mod indirekte berøring inst ved fejl med varighed > 5 s: 50 V AC rms eller 120 V DC som k. b. under normale forhold 25 V AC rms eller 60 V DC under særlige forhold (baderum / dyr) Hvor der ved T- systemer tillades en udløse tid (fejlvarighed) 5 s, (hovedstrømskredse og fastmonteret udstyr) skal det sikres at spændingsfaldet fra fejlen tilbage til nærmeste udligning ikke overstiger 50 VAC, hvis dette ikke overholdes skal der udføres supplerende potentialudligning hvor fejlen kan forekomme. Der er for alle andre anvendelser fastlagt max. udløsetider med reference til de nominelle spændinger; eks. maks. 400 ms ved 230 V og maks. 100 ms ved > 400 V. I en Dansk note i indledningen i Afsnit 6 står der: ote Definitionerne under 214 vedrører kun beskyttende jordforbindelser og udligningsforbindelser dvs. forbindelser, der kræves ved visse beskyttelsesmetoder mod elektrisk stød. Eksempler er vist i bilag B til kapitel 54. Vedrørende driftsmæssige jordforbindelser, se Vedrørende jordforbindelser og udligningsforbindelser med funktionsmæssige formål, se kapitel

19 Definitionen på beskyttelsesleder er som følger: Beskyttelsesleder (symbol ). Leder, der kræves ved visse beskyttelsesmetoder mod elektrisk stød, og som er beregnet til at forbinde visse af følgende dele indbyrdes: - Udsatte dele. - Hovedjordklemme. - Jordelektrode. - Jordforbundet punkt i strømkilden eller et kunstigt nulpunkt. Engelsk IEC-betegnelse: Protective conductor (symbol ) ( ) I Afsnit 6, er der under , Beskyttelse mod indirekte berøring, medtaget en meget vigtig ote fra IEC normerne: ote: I forbindelse med beskyttelse mod indirekte berøring er brugen af potentialudligning et af de vigtige principper for at opnå sikkerhed. Der kunne tilføjes: For beskyttelse generelt, samt opnåelse af EMC, også ved eksterne påvirkninger fx. Lyn, og fejl i primære net, er potentialudligning den vigtigste beskyttelsesforanstaltning. 19

20 Udligningsforbindelse. Beskyttelsesleder, der sikrer potentialudligning. ote Der skelnes mellem: - Hovedudligningsforbindelse. - Supplerende udligningsforbindelse. - Lokal udligningsforbindelse uden jordforbindelse. Engelsk IEC-betegnelse: Equipotential bonding conductor ( ) Eksempler på systemjordinger driftsjordinger og BIB af UPS- anlæg i forskellige forsyningssystemer TT- og T - systemer 20

21 For nødforsynings- systemer, hvor der ikke er galvanisk adskilt til forsyningsnettet, kan der være særlige hensyn at tage, ved tilslutning af systemjorden, primært for at undgå, at ul og Jord lægges sammen efter adskillelse! I TT- net er ullederen defineret som en driftsisoleret spændingsførende leder. I T- S- net er ul og Jord adskilt i hele forsyningsnettet! I T - net bør anvendelse af skilletransformer undgås af følgende årsager: De belaster miljøet med unødvendigt energitab! De øger fejlrisiko! De har ingen betydning for personsikkerheden! De giver ingen sikkerhed mod elektrisk støj! 21

22 Figurer. Figurer til artikel; spar på energien! Af; Ernst Boye ielsen, EREL.dk Fig. 1 Forsyningstransformer T- S Installation; hovedeller gruppetavle T- S Fejl Ik strøm CB Ik strøm L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Fast Udstyr/ materiel Fælles beskyttelsesog systemjording T-S-net Ik strøm Evt. jordelektrode Hovedudligning U max. 50 V Ik strøm Fremmed ledende installationer og dele Fremmed ledende installationer og dele 22

23 Fig. 2 Forsyningstransformer T- S Installation; hoved- eller gruppetavle T- S Fejl Ik strøm CB Ik strøm L1 L2 L3 L1 L2 L3 L1 L2 L3 Fast Udstyr/ materiel Fælles beskyttelsesog systemjording T-S-net Ik strøm Evt. jordelektrode Hovedudligning U max. 50 V Ik strøm Supplerende udligning Ingen fare! Fremmed ledende installationer og dele Fremmed ledende installationer og dele Fig. 3; Installation af et online UPS i et T- S- net Offentlig distributions transformer Forbruger hovedtavle klasse I Tilsl. klemmer UPS UPS klasse I UPS last U V W AC/DC STS DC/AC DC Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording T-S-net Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Separat fremført driftsisoleret systemjord () til UPS Fejl Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode 23

24 Fig. 4; Installation af et online UPS i et T- C- S- net Offentlig distributions transformer Forbruger hovedtavle klasse I Tilsl. klemmer UPS UPS klasse I UPS last U V W AC/DC STS DC/AC DC Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording T-C-S-net Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Separat fremført driftsisoleret systemjord () til UPS Fejl Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode Fig. 5; Installation af et online UPS i et TT- (T-C-net) TT- net T- C- net Offentlig distributions transformer Forbruger hovedtavle klasse II Kl. II Skilletransformer Tilsl. klemmer UPS UPS klasse I UPS last U V W AC/DC STS DC/AC DC Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording TT- net Systemjord til Skilletransformer/ UPS Fejl Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode 24

25 Fig. 6; Installation af et online UPS i et TT- (T-C-net) TT- net T- C- net Offentlig distributions transformer Forbruger hovedtavle klasse I /S Kl. (I) / II Skilletransformer Tilsl. klemmer UPS UPS klasse I UPS last U V W AC/DC STS DC/AC DC Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording TT- net Systemjord til Skilletransformer/ UPS Fejl Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode Fig. 7; Installation af et online UPS i et IT- (T-C-net) IT- net T- C- net Egen distributions transformer Forbruger hovedtavle klasse I /S Kl. I / (II) Skilletransformer Tilsl. klemmer UPS UPS klasse I UPS last U V W Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording IT- net Z/ I Isolationsovervågning Systemjord til Skilletransformer/ UPS AC/DC STS DC/AC DC Fejl Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode 25

26 Fig. 8; UPS- installation efter ændring af forsyning til systemjording T- S- net. Offentlig distributions transformer Energi Fyn Forbruger hovedtavle klasse I UPS klasse I UPS last U V W Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording T-S-net Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Generatortavle klasse I AC/DC Separat fremført driftsisoleret systemjord () til UPS STS DC/AC DC Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode/ systemjord generator Generator klasse I Fig. 9; Strømveje ved fejl i tilgangen til UPS- anlæg under online drift. Offentlig distributions transformer Energi Fyn Forbruger hovedtavle klasse I Fejl i tilgang til UPS UPS klasse I UPS last U V W Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording T-S-net Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Generatortavle klasse I AC/DC Separat fremført driftsisoleret systemjord () til UPS STS DC/AC DC Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode/ systemjord generator Generator klasse I 26

27 Fig 10. Strømveje ved fejl i udgangen af UPS-anlægget i online eller batteri drift. Offentlig distributions transformer Energi Fyn Forbruger hovedtavle klasse I UPS klasse I UPS last U V W Fælles HS/LS beskyttelses- og systemjording T-S-net Installationens beskyttelsesjord samt hovedudligning Generatortavle klasse I AC/DC Separat fremført driftsisoleret systemjord () til UPS STS DC/AC DC Fejl i udgang af UPS Supplerende udligning samt evt. lokal supplerende jordelektrode/ systemjord generator Generator klasse I 27