DESITEK A/S Jordingsanlæg i praksis Denne publikation beskriver de lovmæssige krav til udførelsen af et jordingsanlæg. www.desitek.dk
JORDINGSANLÆG I PRAKSIS Denne publikation omhandler flg. områder: Hvordan udføres et jordingsanlæg? Krav fra Stærkstrømsbekendtgørelsens afsnit 6. Eksterne forhold. Overfladeelektroder. Dybdeelektroder: Enkelt lodret elektrode Elektroder i parallel. Længde af dybdeelektroder. Materialer for jordingselektroder. Galvaniseret stål. Rustfrit stål. Massiv kobber. Kobberbelagt stål. Dokumentation af et jordingsanlæg. Måling af mindre anlæg. Måling af større anlæg. Kontrol af målingen. Måling af meget store anlæg. 2
Hvordan udføres et jordingsanlæg? I nedenstående vil vi prøve at beskrive de lovmæssige krav til udførelsen af jordingsanlæg. Ud fra de lovmæssige krav er det nødvendigt at tage hensyn til: Hvilke jordfejlsstrømme anlægget skal kunne aflede. Ydre forholds indflydelse ved udførelsen af jordingsanlæg. Vurdering af overflade- og dybdeelektroder. De forskellige materialers fordele og ulemper. Hvordan der udføres måling og dokumentation af det udførte anlæg. Hvordan et jordingsanlæg skal udføres, afhænger af, hvad det primære formål med anlægget er. Skal anlægget anvendes til beskyttelsesforhold for 50 Hz installationer, funktionsjord for elektronisk udstyr, lynbeskyttelse, HF-jord, en kombination af dette, eller af helt andre årsager? Ved planlægningen og udførelsen skal der, ud fra hensynet til formålet, besluttes om der primært skal etableres overfladeeller dybdeelektroder. Det er også vigtigt, at der tages hensyn til, hvor god under grundens ledningsevne er, hvor meget plads der er til rådighed for anlægget, om udførelsen sker i forbindelse med nybyggeri i råjord, eller om der er belægning med sten eller asfalt. Krav fra Stærkstrømsbekendtgørelsens afsnit 6. I forbindelse med udførelse af jordingsanlæg, er der nogle grundlæggende krav i Stærkstrømsbekendtgørelsen i bl.a. afsnit 6, som skal overholdes. Disse krav siger bl.a. om jordingselektroder: Jordingselektroder skal anbringes i en dybde, som sikrer, at udtørring og frost ikke medfører, at overgangsmodstanden til jord overstiger den foreskrevne værdi. Materialer og udførelse skal vælges, så den nødvendige mekaniske styrke opretholdes, selv ved eventuel korrosion. Ved projekteringen skal der tages hensyn til, at overgangsmodstanden kan stige som følge af korrosion. Eksterne forhold. Med lidt erfaring i udførelse og kontrolmåling af jordingsanlæg, er det almindeligt kendt, at der kan være meget stor forskel på de måleresultater, som man får på forskellige tider af året. En af årsagerne til, at der kan ske en stor stigning i modstanden for overfladeelektroder, er den kraftige stigning i den omgivende jords specifikke modstand ved faldende temperatur, se tabel 1. Det kan være vanskeligt at opnå en tilstrækkelig lav modstand i områder med dårlig ledningsevne i jordbunden. Selv Temperatur i C om der anvendes en kombination af både overflade- og dybdeelektroder, kan det i nogle områder i Danmark være yderst vanskeligt - eller måske umuligt - at opnå den krævede modstand, hvis kravene er lave, måske ned til 1 2 ohm. Samtidig viser kontrolmålinger på etablerede jordingsanlæg, at ændringer i jordbundens fugtighed hen over året kan medføre store variationer i den opnåede modstand. I tørre perioder er det derfor muligt, at jordmodstanden overstiger den modstand, som anlægget havde ved etableringen. Denne store variation i modstanden er mest almindelig for jordingsanlæg, hvor den væsentligste del af modstanden er opnået med overfladeelektroder. Erfaringer viser, at der er en meget stor variation i jordbundens fugtighed, i hvert fald ned til 2 m dybde, så en tråd nedlagt sammen med forsyningskablet giver ingen sikkerhed for et stabilt jordingsanlæg. Denne variation i jordmodstanden kan medføre en væsentlig ændring i de sikkerheds- og funktionsmæssige forhold, således at der kan opstå både personfare og driftsforstyrrelser af udstyr, såfremt jordingsanlægget ikke er udført, så overgangsmodstanden til jord ikke overstiger den foreskrevne værdi. Typisk specifik modstand i ohm x m 20 72 10 99 0 (vand) 138 0 (is) 300-5 790-15 3300 Tabel 1: Variationer i specifik modstand ved varierende temperatur. Vist for en blanding af sand og ler ved et fugtindhold på ca. 15 % af vægten, denne jordbund findes mange steder i Danmark. 3
Overfladeelektroder. Overfladeelektroder er uisolerede ledere, som normalt nedgraves vandret i en dybde på 0,5 1 m under det færdige terræn. På grund af den forholdsvis lille nedgravningsdybde, er der meget store variationer på overgangsmodstanden for overfladeelektroder. Fra en lun forårsdag, med en høj fugtighed i de øverste jordlag, og til en kold vinterdag, med frost ned til måske mere end 0,5 m, kan der nemt ske en fordobling eller mere af overgangsmodstanden. Overfladeelektroder giver en god forbindelse til den omgivende jord, og anvendes derfor meget i forbindelse med lynbeskyttelse. I forbindelse med lynbeskyttelse etableres overfladeelektroden således, at nedlederen fra lynbeskyttel-sesanlægget tilsluttes overfladeelektroden på midten af denne, da dette giver 2 strømveje for lynstrømmen. Overfladeelektroderne suppleres ofte med en eller flere dybdeelektroder, som etableres umiddelbart ved nedlederne fra lynbeskyttelsesanlægget. Se figur 1. Figur 1: Overfladeelektrode med forbindelse til nedleder fra lynbeskyttelsesanlæg. Figur 2: Enkelt neddrevet elektrode. Dybdeelektroder Enkelt lodret elektrode. Den mest almindelige type dybdeelektrode består af kun en enkelt neddrevet elektrode. Denne type elektrode er anvendelig, når undergrunden har en god ledningsevne (lav specifik modstand), og når der samtidig ikke er krav om en speciel lav modstand. Denne type elektrode er vist på figur 2. Figur 3: Lodrette elektroder i parallel. Elektroder i parallel. Hvis den ønskede overgangsmodstand ikke kan opnås med en enkelt lodret dybdeelektrode, kan den samlede overgangsmodstand reduceres ved at etablere og forbinde et antal elektroder i parallel. På figur 3 vises et jordingsanlæg bestående af flere lodrette elektroder som er neddrevet parallelt, og forbundet sammen med 4 en vandret uisoleret leder. Ved denne type jordingsanlæg udnyttes både parallelforbindelsen af de enkelte elektroder og den uisolerede leder mellem disse. Når der nedrammes flere elektroder ved siden af hinanden, skal afstanden mellem de enkelte elektroder minimum være 1,5 gange den dybde som den enkelte elektrode er nedrammet, helst 2 gange elektrodedybden. Den resulterende modstand af elektroder i parallel er afhængig af mange forskellige faktorer, bl.a. afstanden mellem de enkelte elektroder, elektrodernes længde og jordbundens ledningsevne. Hvis vi
ikke regner med noget bidrag til den samlede overgangsmodstand fra den vandrette uisolerede forbindelsestråd mellem elektroderne, kan vi som tommelfingerregel regne med fuld udnyttelse af de enkelte elektroder, såfremt elektroderne etableres på en ret linie, og afstanden mellem disse er 2 gange længden af det enkelte spyd. Figur 4: Elektroder nedrammet i stjerne, normalt 2-4 stk. I figur 4 er flere elektroder etableret i en stjerne på samme sted. Elektroderne nedrammes normalt i en vinkel med jordoverfladen på ca. 45 og med 90-180 mellem dem, afhængigt af hvor mange elektroder, der er behov for, for at opnå den krævede overgangsmodstand. Ved et jordingsanlæg med elektroderne etableret i stjerne vil den samlede overgangsmodstand være lidt større end for et jordingsanlæg som vist i figur 3, men ved udførelsen på denne måde kan der spares en del i graveomkostninger, og ikke mindst til retablering, såfremt jordingsanlægget skal udføres, hvor der er hård belægning. Den samlede overgangsmodstand af et jordingsanlæg med elektroderne etableret i stjerne vil være ca. 10 30 % større end for et jordingsanlæg som vist i figur 3. Ved kun 2 elektroder, med 180 mellem, vil overgangsmodstanden være meget tæt på den teoretiske værdi, men ved 4 elektroder med 90 mellem, vil effektiviteten af de enkelte elektroder være noget mindre. Men husk: I langt de fleste tilfælde er der alligevel penge at spare på grund af den langt billigere retablering, og der er også store besparelser på forbindelsestråden mellem elektroderne. Længde af dybdeelektroder. Som det tidligere er beskrevet, sker der en stor stigning i den specifikke modstand for jorden, som omgiver jordingselektroden, når temperaturen falder, og det måske endda fryser. Den store variation i fugt betyder også en stor ændring i modstanden for et jordingsanlæg. Alle erfaringer viser derfor, at såfremt modstanden af et jordingsanlæg skal være tilnærmelsesvis upåvirket af ændringer i temperaturer, fugtændringer, m.m., skal den væsentligste del af jordingsanlægget baseres på dybdeelektroder. Såfremt der på disse dybdeelektroder kun må være meget små ændringer på modstanden, skal neddrivningsdybden være minimum 4-5 m. Såfremt en elektrode kun skal anvendes til jord for en HPFIafbryder, med et krav til modstanden på 1666 Ω, vil det langt de fleste steder i Danmark være nok at nedramme en elektrode på ca. 1,5 m, og med en diameter på 12-14 mm. Ved en specifik modstand på 100 Ω x m vil en sådan elektrode give en modstand på ca. 80 Ω. Så selv om der under helt ekstreme forhold skulle ske en tidobling af modstanden, vil kravene rigeligt være opfyldt. Materialer for jordingselektroder. Jordingselektroderne udføres i et ledende materiale med en lang levetid. Dette materiale, som kan være stål, kobber eller andet, skal have en levetid tilpasset til resten af den installation, hvortil jordingsanlægget udføres. Dette betyder, at der i hele jordingsanlæggets levetid ikke må ske en væsentlig korrosion af i jordingsanlægget, således at dette ikke kan opfylde de lovmæssige eller funktionsmæssige krav. Hvis der kun tages hensyn til ledningsevnen, vil næsten alle metaller kunne anvendes til jordingsanlæg, da metallernes ledningsevne er mange gange større end den omgivende jord. Men når man også kigger på økonomi og holdbarhed med hensyn til korrosion, er udvalget af materialer begrænset. Følgende metaller kan anbefales, eller er tidligere blevet anvendt til jordingsanlæg: Galvaniseret stål. Galvaniseret stål har tidligere været meget anvendt til både overflade- og dybdeelektroder. Når der ikke går en konstant jævnstrøm fra installationen gennem jordingselektroden og ud i jorden, vil en galvaniseret elektrode have en meget lang levetid. Men efter at der er blevet installeret elektronisk udstyr overalt i vore installationer, og udførelsen af den generelle potentialudligning blev almindelig, er der næsten overalt en transport af jævnstrøm gennem elektroderne og ud i jorden. Denne konstante jævnstrøm medfører at jordingselektroder af galvaniseret stål ikke anbefales mere, da levetiden for disse elektroder, under uheldige forhold, kun er ganske få år. 5
Rustfrit stål. Rustfrit stål er et meget ædelt materiale til udførelse af jordingselektroder, og der vil normalt ikke opstå mærkbar korrosion på grund af installeret elektronisk udstyr eller udført potentialudligning. Såfremt elektroden af rustfrit stål udsættes for en stor koncentration af salt i jorden, vil der kunne ske kraftige lokale tæringer, og man skal derfor undgå elektroder af rustfrit stål, hvor der foretages vintersaltning. Massiv kobber. Kobber er et meget ædelt materiale og samtidig et forholdsvis dyrt materiale at anvende til udførelse af jordingselektroder. På elektroder udført af kobber vil der ikke opstå mærkbar korrosion på elektroden på grund af installeret elektronisk udstyr eller udført potentialudligning. Massive dybdeelektroder af kobber er meget dyre at anvende, og samtidig vanskelige et neddrive i hård undergrund, uden at de bøjes. Såfremt der er en stor overflade af kobber (overfladeelektrode) i jorden, vil denne elektrode dog være i stand til at påføre korrosion på rør, tanke, kabelkapper m.m., som er i elektrisk kontakt med elektroden. Den anden type jordingselektrode med kobberbelagt stålkerne har en molekylær forbindelse mellem kobberbelægningen og stålkernen. Dette betyder, at kobberbelægningen har en meget solid vedhæftning på stålkernen, og den eneste chance for at kernen fritlægges er, at hele kobberbelægningen slides af kernen, hvilket vil være yderst sjældent i den danske undergrund. På grund af stålkernen har denne type jordingselektrode en meget stor mekanisk styrke, og sammen med den gode korrosionsbeskyttelse, på grund af den molekylære forbindelse mellem kobberkappe og stålkerne, er denne elektrode- type på langt de fleste områder det bedste og mest økonomiske valg til jordingsanlæg, selv om den umiddelbart er lidt dyrere end elektroden med løst hylster. Den kobberbelagte elektrode med molekylær forbindelse mellem kobberbelægning og kerne vil normalt have en levetid, som er meget længere end den øvrige elinstallation. Dokumentation af et jordingsanlæg. Når man først har erkendt behovet for et jordingsanlæg, skal det først planlægges og derefter udføres. Både ved neddrivningen af dybdeelektroder og når anlægget er udført, skal der udføres en kontrolmåling af jordingsanlæggets overgangsmodstand i forhold til fjern jord. Som dokumentation for jordingsanlægget bør der også altid laves en tegning, som viser, hvor de enkelte elektroder er nedrammet, hvor forbindel-sestrådene mellem de enkelte elektroder er placeret, samt nedgravningsdybden af tråden. Den tegningsmæssige dokumentation udføres med henblik på, at det er muligt af udføre fremtidige udgravninger eller tilbygninger uden at beskadige det udførte jordingsanlæg. Måling af mindre anlæg. Målingen udføres med et specielt måleinstrument til jordmodstandsmåling. Dette instrument kaldes normalt en jordplademåler, og kan fås i både analoge og digitale udgaver. Kobberbelagt stål. Der findes to forskellige typer af kobberbelægning på stål. Den billigste type er udført med et løst hylster af kobber omkring stålkernen. På elektroden med løst hylster kan kobberkappen forholdsvis nemt løsne sig fra stålkernen på en del af elektroden, når elektroden neddrives i en undergrund med sten, eller hvis elektroden bøjes under neddrivningen. Dette medfører, at et mindre areal af den indre stålkerne fritlægges, og sammen med det uendelig store kobberareal medfører det, at der opstår punkttæring af stålkernen, og denne kan forsvinde i løbet af få år. På grund af disse korrosions-mæssige svagheder for denne type elektrode er den meget sjælden i Danmark. 6 Figur 5: Måling af jordingselektrode med hjælpeelektroder
Den mest anvendte metode til måling af jordingselektroders overgangsmodstand kaldes en 4-punkts måling eller faldende potentiale måling. Til målingen skal der anvendes 2 elektrisk uafhængige hjælpeelektroder. Disse hjælpeelektroder kaldes normalt P (potentiale) og S (strøm). Hjælpeelektroderne placeres på en ret linie væk fra jordingselektroden, med strømelektroden S længst væk fra jordingselektroden E, og med potentialeelektroden P mellem disse, se figur 5. Mindre anlæg regnes her som op til 2-3 elektroder placeret på en ret linie, og minimum afstanden fra E til S, samt placeringen af P mellem E og S, fremgår af tabel 2. Såfremt der er etableret flere elektroder på en ret linie, skal hjælpeelektroderne altid placeres vinkelret på jordingselektrodernes forbindelsestråd. Ved forberedelsen af en måling af et jordingsanlæg placeres hjælpeelektroden S så langt væk fra elektrode E, at hjælpeelektroden P ligger uden for det effektive modstands areal for både E og S, se figur 6. Hvis strømelektroden S er for tæt på E, vil der ske en overlapning af de 2 elektroders effektive modstands- areal, og målingen vil vise en forkert modstand. Normalt placeres hjælpeelektrode S minimum 30 50 m væk fra det anlæg som skal måles, men strømelektroden S kan ikke placeres for langt væk fra E. Hjælpeelektroder kan have en meget højere modstand end den jordingselektrode, som skal måles, men det er vigtigt at hjælpeelektrodernes samlede modstand kontrolleres, før målingen udføres. Den samlede maksimale modstand benævnes sløjfemodstanden, og er afhængig af det måleinstrument, som anvendes til målingen. Såfremt 3 kω ikke overstiges, vil det normalt være muligt at udføre en korrekt måling. Jordingsanlæg Afstand fra Min. afstand fra bestående af elektrisk centrum af elektrisk centrum af flere parallelle jordingsanlæg til jordingsanlæg til elektroder med P-elektrode S-elektrode max afstand (m) (m) (m) 5 37 60 10 52 85 20 74 120 50 123 200 100 173 280 Tabel 2: Afstand i meter fra elektrode E til P og S ved måling af overgangsmodstand for mindre anlæg bestående af flere parallelle elektroder Måling af større anlæg. Målingen udføres på samme måde som ved mindre jordingsanlæg, men man må påregne at hjælpeelektroden S skal placeres minimum 100 200 m fra jordingsanlæggets elektriske centrum, stadig så vidt muligt vinkelret på jordingsanlæggets langside. Elektrode P skal altid placeres ca. 62% af afstanden mellem E og S væk fra E, når der udføres en korrekt måling af modstanden for et jordingsanlæg. Afstanden mellem jordingsanlægget E og strømelektroden S kan ved meget store anlæg være større end 800-1000 m, men i sådanne tilfælde bør man overlade opgaven med kontrolmålingen til firmaer med erfaring i måling af store jordingsanlæg og med specialuddannet personale. Kontrol af måleresultat. Elektrode P placeres altid ca. 62% af afstanden mellem E og S væk fra E, når der udføres en korrekt måling af modstanden for et jordingsanlæg. Som en kontrol af at modstandsmålingen er udført korrekt flyttes P ca. 57 % af afstanden mellem E og S, altså tættere på E, og der udføres en ny måling. Derpå flyttes P til ca. 67% af afstanden mellem E og S væk fra E, og der udføres en ny måling. Der er nu udført i alt 3 målinger, i henholdsvis 57 %, 62 % og 67 % af afstanden mellem E og S væk fra E. Såfremt de opnåede 3 måleresultater kun har meget små afvigelser fra hinanden, normalt 2-3 %, vil målingen være udført korrekt. Figur 6: Effektivt modstandsareal ved måling af jordingsanlæg 7
Såfremt der er større afvigelser i de 3 måleresultater, har hjælpeelektroden S været for tæt på E, og S skal derfor placeres længere væk fra E, og der skal foretages nye målinger med den nye måleopstilling. Såfremt de disse 3 nye målinger er tilstrækkelig ens, må måleresultatet betragtes som værende korrekt. Hvis der stadig er større afvigelser i de 3 måleresultater, skal S flyttes endnu længere væk fra E. Husk nu, at afstanden mellem E og S ikke kan blive for stor, så det er måske lettere og hurtigere at placere S 100 200 m fra E, inden den første måling foretages. Måling af meget store anlæg. Der findes mange andre metoder til at udføre målinger på modstanden af jordingsanlæg. Mange af disse metoder anvendes, når målingerne udføres på meget store jordingsanlæg, eller når det kan være yderst vanskeligt, at finde det elektriske centrum for jordingsanlægget. Til sådanne anlæg hører bl.a. jordingsanlæg til samlet lynbeskyttelse af mange bygninger, jording i forbindelse med elektriske banenet, jordtråd i forbindelse med høj-spændingsforsyning og store rørnet for fjernvarme og gas. Disse andre former for målemetoder vil ikke blive omtalt her, men oplysninger om dette findes i mere uddybende faglitteratur. DESITEK A/S Sunekær 8, DK 5471 Søndersø Telefon: 63 89 32 10, Fax: 63 89 32 20 E-mail: desitek@desitek.dk, www.desitek.dk Publikation nr. 5242 / 0512 Copyright DESITEK A/S