Uziomy fundamentowe kontenerowych stacji transformatorowych w obudowie betonowej

Ośrodek przetwarzania danych to złożona struktura wzajemnie powiązanych elementów, takich jak: układ zasilania energią elektryczną, układ łączy wymiany danych, układ chłodzenia i utrzymywania odpowiedniej wilgotności, system sygnalizacji pożarowej, kontroli dostępu, systemów bezpieczeństwa, monitoringu i najważniejszego, czyli urządzeń IT. Awaria któregoś z tych systemów zaburza prawidłową pracę całego układu. Projektowanie infrastruktury przy założonym poziomie bezpieczeństwa i kosztach wymaga współpracy inżynierów ze wszystkich branż biorących udział w tym procesie.

Jednym z rozwiązań są stacje transformatorowe kontenerowe SN/nn, w których każdy element konstrukcji – fundament, bryła główna, dach wykonane są z żelbetu. W przypadku fundamentu, celowym jest przeanalizowanie jego wykorzystania jako uziomu fundamentowego naturalnego, w którym do celów uziemień wykorzystane są pręty zbrojeniowe fundamentu. Może to zwiększyć pewność zasilania odbiorców energii z takiej stacji poprzez zmniejszenie liczby i czasu trwania przerw w pracy stacji wynikających z konieczności wykonania niezbędnych prac zgodnie z wymaganiami eksploatacyjnymi dotyczącymi układu uziomowego takiej stacji.

Fundamenty żelbetowe w technice uziemieniowej

Konstrukcje żelbetowe mają pręty zbrojeniowe, które zespolone z betonem zapewniają współpracę tych materiałów. Stal ma większą wytrzymałość na rozciąganie niż beton. Powoduje to, że przekrój stalowych prętów stanowi 0,1–0,2% przekroju poprzecznego elementu żelbetowego. Tak niewielkie wypełnienie żelbetu stalą zbrojeniową wystarcza jednak w większości fundamentów do ich wykorzystania jako uziomów w instalacjach elektroenergetycznych.

Podczas twardnienia betonu powstaje przyczepność naturalna betonu do stali. Zwiększenie tej przyczepności występuje w przypadku stosowania prętów żebrowanych. Przyczepność ta ułatwia w znacznym stopniu spływanie prądu elektrycznego z powierzchni pręta zbrojeniowego poprzez warstwę betonu do gruntu. Zmiany temperatury konstrukcji żelbetowej w granicach kilkudziesięciu stopni Celsjusza nie powodują szkodliwych wewnętrznych naprężeń termicznych.

Główne czynniki przyczepności to wiązanie chemiczne obu materiałów, przyciąganie międzycząsteczkowe (adhezja) oraz wzajemne zazębianie obu materiałów. Korzystny jest przy tym wpływ skurczu wywołującego koncentryczny nacisk betonu na stalowy pręt.

Skurcz betonu zapewnia dobry docisk powierzchniowy pręta i betonu oraz małą wartość rezystancji przejścia układu pręt – beton.

Wzajemne zazębianie betonu i stali jest głównym czynnikiem mechanizmu przyczepności.

Na wielkość sił przyczepności mają wpływ między innymi następujące czynniki:

1. klasa betonu (im wyższa, tym przyczepność lepsza),
2. wiek betonu (przyczepność powiększa się z upływem czasu),
3. sposób zagęszczenia betonu (betony wibrowane wykazują większą przyczepność do stalowych prętów i zapewniają szczelną i jednorodną strukturę betonu),
4. stan powierzchni zbrojenia (szorstka powierzchnia, nawet nieznacznie zardzewiała, podwyższa przyczepność prętów).

W prętach żebrowanych oprócz sił przyczepności występują siły docisku na powierzchni żeber. Wszystkie wymienione czynniki mają wpływ na obniżenie rezystywności betonu oraz rezystancji na drodze przepływu prądu od pręta do gruntu. Mimo zagęszczenia betonu (ręcznego, a szczególnie mechanicznego poprzez wibrowanie), w konstrukcji żelbetowej oprócz porów kamienia cementowego istnieją pory powstające w wyniku sedymentacji zaczynu cementowego.

Jeżeli konstrukcja żelbetowa jest pogrążona w gruncie, pory w betonie wypełnione są fazą ciekłą, która jest w różny sposób wbudowana w skomplikowany, wielofazowy układ, którym jest stwardniały zaczyn cementowy. W przypadku ławy fundamentowej taką strukturę można uznać za ustabilizowaną – stała wartość rezystywności konstrukcji żelbetowej, niezależnie od warunków atmosferycznych.

Układ uziomowy stacji kontenerowych

W obecnych rozwiązaniach stosuje się typowy uziom otokowy w kształcie prostokąta o wymiarach każdego z jego boków większych około 200 cm od długości boków podstawy fundamentu. Uziom taki układany jest na głębokości 90–100 cm. Do budowy uziomów stosuje się [1] stalowe, ocynkowane na gorąco, taśmy o przekroju (20x4) mm lub (30x4) mm. Tak wykonany uziom pracuje w stacji jako uziom ochronny i uziom roboczy, połączony z elementami stacji za pomocą przewodów uziemiających.

Jest oczywistym, że stosowane rozwiązanie układu uziomowego należy traktować jako sprawdzone w energetyce zawodowej i przemysłowej w ciągu kilkudziesięciu lat eksploatacji układu elektroenergetycznego. Spełnia swoje zadanie w zakresie przyjętej tolerancji zmian rezystancji uziemienia w funkcji warunków atmosferycznych, wymagań dotyczących ochrony przeciwporażeniowej oraz wymagań dotyczących uziemienia punktu neutralnego transformatora.

Biorąc pod uwagę potężne doświadczenie energetyków w zakresie projektowania układów uziomowych, budowa i eksploatacja takiego uziomu nie nastręcza żadnych trudności. Jednakże uziom taki ma również pewną niedoskonałość. Jest nią trwałość uziomu, pogrążonego w gruncie. Trwałością układu uziomowego nazywa się czas upływający od umieszczenia go w gruncie, do chwili zmniejszenia się, spowodowanego korozją ziemną, przekroju poprzecznego jego elementów tak znacznego, że istnieje duże prawdopodobieństwo powstania przerwy w dowolnej części układu [2].

Korozja poszczególnych elementów uziomów nie jest jednakowa, tak jak nie jest jednakowa (w miejscu ułożenia uziomu) struktura chemiczna gruntu. O trwałości całego układu uziomowego decydują (pod względem korozyjności) jego najsłabsze elementy.

Niezależnie od intensywności procesu korozji, trwałość układu uziomowego zawsze będzie niższa od trwałości pozostałych elementów stacji elektroenergetycznej kontenerowej, którą można traktować jako stację wnętrzową. Trwałość eksploatacyjna stacji znacznie wydłuża się w czasie z uwagi na przewidziane wymaganiami eksploatacyjnymi i łatwym doglądem, działania pozwalające utrzymać stację w stanie pełnej gotowości.

Za taką trwałością stacji „nie nadąża” jednak układ uziomowy stacji – zwłaszcza w gruntach silnie agresywnych pod względem korozyjności. Istotne są więc koszty budowy i eksploatacji urządzeń uziemiających. Koszt urządzeń uziemiających jest niewielki. Nie zwalnia to jednak energetyków od poszukiwania innych rozwiązań.

Takim innym rozwiązaniem może być naturalny lub sztuczny uziom fundamentowy z ewentualnym połączeniem takiego uziomu z uziomem fundamentowym otokowym. Można wówczas stwierdzić, że trwałość uziomu fundamentowego jest równa trwałości kontenerowej stacji transformatorowej. A to już zmienia wymagania (w sensie pozytywnym) dotyczące eksploatacji układu uziomowego.

W katalogach producentów stacji kontenerowych jest zawarte (zupełnie słusznie) stwierdzenie, że stacja jest całkowicie wyposażona i wymaga tylko podłączenia kabli, wstawienia transformatora i podłączenia układu uziomowego. To podłączenie uziomu, w obecnych rozwiązaniach stacji, jest oczywiście konieczne. Pozostaje jednak pytanie, czy takie rozwiązanie układu uziemienia stacji jest układem ostatecznym, zwłaszcza że stacja posiada fundament żelbetowy, który jest pomijany w technice uziemieniowej.

W ofercie producentów można również spotkać opis, który podaje, że wszystkie elementy stanowiące zbrojenie oraz elementy metalowe, które nie znajdują się pod napięciem (czyli części przewodzące obce) podłączone powinny być do szyny wyrównawczej, która jest połączona z zewnętrznym uziomem stacji. Oznacza to, że nie wykorzystuje się żelbetowego fundamentu jako uziomu a zbrojenie fundamentu jest tylko podłączone do uziomu. Jednak takie podłączenie zbrojenia do uziomu (traktowane jako ekwipotencjalizacja) nie zwalnia z przeprowadzenia i analizy obciążalności prądowej konstrukcji żelbetowej, gdyż jest ona pogrążona w gruncie.

Niektórzy producenci podają w swoich katalogach wartości prądu wytrzymywanego połączeń uziemiających (szczytowy oraz 1-sekundowy), co jest bardzo cenną informacją dla odbiorcy stacji kontenerowej.

W katalogach można również napotkać na informację, że uziom stacji należy połączyć z istniejącymi uziomami naturalnymi. Inne zalecenie to celowość połączenia uziomu otokowego stacji z uziomem fundamentowym pobliskiego budynku. Przy czym nie definiuje się określenia „pobliskiego”.

Inną propozycją jest możliwość stosowania pionowych uziomów w rowie kablowym, pod kablami i stosowanie do tego celu prętów stalowych. Nie podaje się jednak, w jaki sposób mają być przeprowadzane oględziny uziomów, które są jedną z czynności w ich eksploatacji. Dotyka się tutaj zagadnienia trwałości uziomów stalowych, z uwagi na ciągły proces korozji ziemnej stali.

Żelbetowe fundamenty stacji kontenerowych

Rozważenie wykorzystania żelbetowego fundamentu stacji do celów uziemień wynika z zapisów w normie [1]. Zgodnie z tą normą wymagania dla układów uziemiających są tak ustalone, aby zapewnić połączenie z ziemią, które:

• jest niezawodne i odpowiednie dla wymagań ochrony stacji,
• może przewodzić doziemnie prądy uszkodzenia i prądy przewodu ochronnego do ziemi bez niebezpieczeństwa wystąpienia naprężeń cieplnych, cieplno-mechanicznych i elektromechanicznych oraz od porażeń elektrycznych, pojawiających się od tych prądów,
• uwzględnia wytrzymałość lub ochronę mechaniczną i odpowiednią wytrzymałość korozyjną z uwzględnieniem oceny wpływów zewnętrznych,
• jeżeli jest odpowiednie, może być także wykorzystane do celów funkcjonalnych.

W normie również podano, że „w nowych obiektach budowlanych zaleca się stosowanie uziomów fundamentowych”. Tam, gdzie elektrody są otoczone otuliną betonową, zaleca się stosowanie betonu o odpowiedniej jakości i grubości otuliny betonowej, wynoszącej co najmniej 5 cm, aby uniknąć korozji tych elektrod.

Stosowane jako element konstrukcyjny fundamenty stacji kontenerowych spełniają powyższe wymagania. W związku z tym jest oczywistym, aby były one wykorzystane do celów uziemień. Tym bardziej że w warunkach gęstej zabudowy mogą pojawić się trudności z wykonaniem uziomu otokowego stacji. Typowy układ posadowienia stacji uziomu przedstawiono na rysunku 1.

Głębokość pogrążenia fundamentu stacji wynosi około 90 cm. Powierzchnia podstawy fundamentu zawiera się w przedziale 6–31 m². Masa fundamentu w zależności od jego wymiarów obrysowych może osiągać nawet 25 ton. Jest on ułożony na podsypce piaskowo-żwirowej o grubości około 0,2 m.

Producenci stacji zwracają również uwagę, by podsypka była wypoziomowana. Z punktu widzenia wykorzystania fundamentów do celów uziemień, jest to bardzo ważny element w technice uziemieniowej: dobra styczność konstrukcji żelbetowej z warstwą podsypki. Należy zwrócić uwagę, że w przypadku wykorzystania żelbetowego fundamentu do celów uziemień, w przewodzeniu prądu do gruntu biorą udział podstawa fundamentu oraz pionowe ściany fundamentu.

Dodatkowe warstwy piasku oraz papy niepiaskowej pod fundamentem (w przypadku posadowienia stacji na terenie III i IV kategorii wpływów eksploatacji górniczej) nie stanowią przeszkody w wykorzystaniu fundamentu do celów uziemień. Pod fundamentem może być również wylana betonowa płyta ustojowa o grubości 25 cm (beton chudy). Stosowanie hydroizolacji pod fundamentem lub pokrywanie takimi powłokami ścian bocznych fundamentu również nie stanowi przeszkody, aby tak przygotowany fundament mógł być wykorzystany do celów uziemień [4]. Fundamenty obiektów budowlanych są zawsze narażone na działanie wilgoci, wód gruntowych lub powierzchniowych.

Aby zapewnić przydatność eksploatacyjną obiektów, stosuje się różnego rodzaju izolacje. Pokrycie uziomu fundamentowego dodatkową warstwą materiału, który utrudnia przepływ prądu do gruntu może mieć wpływ na rezystancję uziemienia. Wpływ ten maleje wraz z upływem czasu eksploatacji układu uziomowego [4]. Część fundamentowa stacji może być pokryta hydroizolacją dwustronnie. Wewnętrzna warstwa tej izolacji nie jest brana pod uwagę przy przepływie prądu do gruntu.

Fundament stacji może być wykonany z betonu B30 (C 20/30), B37 (C 30/37), B45 (C35/45). W nawiasach podano klasy wytrzymałości na ściskanie, wg PN-EN 206-1. Pierwsza liczba oznacza wytrzymałość betonu wyznaczoną na próbkach walcowych, druga – na próbkach sześciennych. Obecność fazy ciekłej w betonie pozwala na jego wykorzystanie do celów uziemień, jeżeli beton będzie częścią konstrukcji żelbetowej kwalifikowanej jako uziom fundamentowy. Przewodność betonu ma charakter elektrolityczny, ponieważ w przewodzeniu prądu elektrycznego przez beton bierze udział głównie faza ciekła betonu [5].

Obliczenia rezystancji uziemienia przykładowych układów uziomowych

Poniżej podano analizę teoretyczną przykładowych układów uziomowych zbliżonych wymiarowo do uziomów stosowanych w stacjach kontenerowych oraz fundamentów tych stacji. W analizie przyjęto rezystywność gruntu, w którym jest pogrążony uziom, równą 100 Ω·m.

Uziom fundamentowy w postaci stopy fundamentowej

Rezystancja uziemienia stopy fundamentowej jest określona zależnością [6]:

gdzie:

Ρ_g – rezystywność gruntu,

V – objętość stopy fundamentowej.

Dla przykładowego fundamentu kontenerowej stacji transformatorowej o wymiarach (4,67x2,57x0,9) m rezystancja uziemienia R=9,05 Ω.

Uziom fundamentowy otokowy

W obliczeniach, wymiary boków tego uziomu (rys. 1.) przyjęto dłuższe o 2 m w stosunku do wymiarów obrysowych żelbetowego fundamentu stacji. Rezystancja uziemienia takiego uziomu określona jest [7] zależnością:

gdzie:

S – powierzchnia terenu zajętego przez uziom.

Przyjmując S=6,67x4,57=30,48 m², rezystancja uziemienia takiego uziomu wynosi 10,69 Ω.

Uziom prostokątny (bez otuliny betonowej)

Takie rozwiązania układu uziomowego stosowane są w przedmiotowych stacjach transformatorowych. Rezystancja uziemienia takiego uziomu określona jest [2] zależnością:

gdzie:

L – suma długości wszystkich boków uziomu prostokątnego,

t – głębokość pogrążenia uziomu,

d – średnica wyrobu (pręta),

B – współczynnik konfiguracji uziomu.

Przyjmując wymiary obrysowe jak dla uziomu fundamentowego otokowego, współczynnik B=5,81. Średnica pręta d=0,01 m(minimalna wartość dla drutu okrągłego do uziomów poziomych [1]). Głębokość pogrążenia uziomu t=0,9 m. Dla przyjętych wartości rezystancja uziemienia R=9,01 Ω.

Uziom pierścieniowy (bez otuliny betonowej)

W budowie układu uziomowego stacji kontenerowej można również rozważyć stosowanie uziomu w postaci pierścienia. Rezystancja uziemienia takiego uziomu jest określona [2] zależnością:

gdzie:

r – promień pierścienia,

r_w – promień wyrobu (pręta),

t – głębokość pogrążenia uziomu.

Przyjmując r=3,12 m jako promień koła o powierzchni równej powierzchni uziomu prostokątnego o wcześniej przyjętych wymiarach (6,67x4,57) m, oraz r_w=5 · 10^–3 m (pręt o średnicy 10 mm, zgodnie z [1]) i głębokość pogrążenia uziomu t=0,9 m, rezystancja uziemienia uziomu pierścieniowego R=8,3 Ω.

Z przedstawionej analizy wynika, że rozpatrywane uziomy mają zbliżone wartości rezystancji uziemienia.

Biorąc pod uwagę konstrukcję stacji kontenerowej i stosowany układ uziomowy, można zaproponować następujące rozwiązania uziomów stacji:

• uziom otokowy,
• uziom pierścieniowy_,
• żelbetowy fundament stacji,
• żelbetowy fundament stacji połączony z uziomem otokowym,
• żelbetowy fundament stacji połączony z uziomem pierścieniowym,
• uziom fundamentowy otokowy
• żelbetowy fundament stacji połączony z uziomem fundamentowym otokowym (lub pierścieniowym).

Jest oczywistym, że najlepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie do celów uziemień żelbetowego fundamentu stacji. Jeżeli dodatkowo zostanie wykorzystany uziom fundamentowy otokowy (pierścieniowy), uzyska się mniejszą wartość rezystancji uziemienia stacji. W obu rozwiązaniach trwałość uziomu będzie równa trwałości stacji kontenerowej.

Obciążalność prądowa uziomu fundamentowego

Budowa układów uziomów elektroenergetycznych wymaga, między innymi, ustalenia ich konfiguracji, tak aby w żadnym miejscu gruntu gęstość prądu nie przekraczała wartości dopuszczalnej. W uziomach fundamentowych ustalenie odpowiedniej konfiguracji prętów zbrojeniowych nie jest możliwe, gdyż jest ona uwarunkowana wytrzymałością fundamentu i jest przedmiotem projektu budowlanego.

W analizie obciążalności prądowej uziomu przyjmuje się, że najsilniejsze nagrzewanie się gruntu (lub betonu – w przypadku uziomu fundamentowego) występuje w miejscu styku uziomu z gruntem (lub betonem otuliny betonowej uziomu fundamentowego), gdyż w tym miejscu gęstość prądu spływającego z uziomu jest największa.

Dla uziomów fundamentowych analizuje się więc obciążalność prądową betonu, a nie gruntu, w którym uziom fundamentowy jest pogrążony. Jest to uzasadnione tym, że biorąc pod uwagę odległość pręta zbrojeniowego od gruntu poprzez warstwę betonu, gęstość prądu w gruncie jest wielokrotnie mniejsza od gęstości prądu w betonie przy powierzchni pręta zbrojeniowego.

Czas trwania obciążenia prądowego uziomu fundamentowego i wartość gęstości prądu są ograniczone procesem wysuszania otuliny betonowej, stykającej się z prętem zbrojeniowym.

Dla stalowego pręta zbrojeniowego w otulinie betonowej powierzchnia zewnętrzna uziomu (w A/cm²) jest określona zależnością:

gdzie:

I – prąd uziomowy, w [A],

Ρ_b – rezystywność betonu, w [Ω · m],

t – czas przepływu prądu uziomowego równy czasowi trwania zwarcia doziemnego, w [s].

Wzór ten został wyprowadzony, przy założeniu, że temperatura początkowa betonu jest równa 15^oC, a jego temperatura końcowa 100^oC. Przyjęcie temperatury początkowej betonu równej 20^oC (w miesiącach letnich) praktycznie nie ma wpływu na ostateczną postać zależności (5).

Korzystając z zależności (5) można obliczyć zewnętrzną powierzchnię uziomu fundamentowego w postaci otoku lub pierścienia. Powierzchnię zewnętrzną prętów zbrojeniowych żelbetowego fundamentu stacji, przy przyjęciu współczynnika nierównomierności gęstości prądu spływającego z tych prętów równego 1,7 – jak dla uziomów kratowych, można obliczyć z zależności:

Rezystywność betonów stosowanych na fundamenty żelbetowe nie przekracza 200 Ω · m, przy całkowitym wypełnieniu porów w betonie fazą ciekłą i uwzględnieniu, że beton ma strukturę nieizotopową, która może się pojawić przy zagęszczaniu betonu poprzez jego wibrowanie. W ławie fundamentowej posadowionej w gruncie przepływ prądu nie występuje tylko w głąb gruntu. Przepływ taki występuje również w kierunku równoległym do powierzchni ziemi. Można się więc nie obawiać występowania obszarów lokalnego zagęszczenia prądu w betonie ani zwiększania rezystancji uziemienia uziomu fundamentowego, jeżeli traktowany jest on jako ośrodek nieizotropowy.

Literatura

1. PN-HD 60364-54:2008 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Część 5-54: Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Uziemienia, przewody ochronne i przewody połączeń ochronnych.
2. K. Wołkowiński, Uziemienia urządzeń elektroenergetycznych, WNT, Warszawa 1967.
3. B. Lejdy, Konstrukcje żelbetowe i betonowe jako element układu uziemiającego, „elektro.info” 11/2011.
4. B. Lejdy, R. Lenartowicz, Wpływ hydroizolacji na rezystancję uziemienia uziomów fundamentowych, „elektro.info” 6/2011.
5. B. Lejdy, Kryteria oceny przydatności konstrukcji żelbetowych do celów uziemieniowych, Rozprawy naukowe nr 27. Politechnika Białostocka, Białystok 1994 r.
6. Norma archiwalna PN-86-92/E05003/01-04 Ochrona odgromowa obiektów budowlanych.
7. J. Wiesinger, P. Hasse, Handbuch für Blitzshutz und Erdung, VDE-verlag GmB, Berlin 1977.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!