Odpowiedzialni za rozdziały:
Witold Hoppel 2–12, 15, załączniki

Robert Marciniak 13–14

Projekt okładki i stron tytułowych: Piotr Fedorczyk

Fotografia na okładce: Adrian/Shutterstock

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redaktor: Anna Bogdanienko

Koordynator produkcji: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Jacek Ozga (Jacek.ozga@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN: Michał Latusek

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2020

ISBN 978-83-01-21253-7

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2020r. (wyd. I)

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Wykaz ważniejszych oznaczeń

1. Wstęp

2. Definicje

2.1. Uwagi wstępne

2.2. Definicje z zakresu urządzeń i sieci elektrycznych

2.3. Definicje podstawowe z zakresu ochrony przed porażeniami

2.4. Napięcia i natężenia prądu

2.5. Definicje związane z uziemieniami

2.6. Definicje z zakresu korozji i elektrochemii

3. Oddziaływanie prądu na organizm człowieka

3.1. Uwagi wstępne

3.2. Definicje dotyczące oddziaływania prądu na organizm człowieka

3.3. Impedancja ciała człowieka

3.4. Oddziaływanie prądu na serce człowieka

3.5. Powierzchnia dłoni człowieka

4. Powstawanie zagrożenia porażeniowego, ogólne zasady uziemień i ich rola w sieciach, pierwotne wartości kryterialne

4.1. Wstęp

4.2. Mechanizmy powstawania zagrożenia porażeniowego przy dotyku pośrednim w urządzeniach o napięciu powyżej 1 kV

4.3. Rola uziemień w zmniejszaniu napięć spodziewanych

4.4. Napięcie dotykowe

4.5. Napięcie krokowe

4.6. Dopuszczalne wartości napięć dotykowych rażeniowych

4.7. Dopuszczalne wartości napięć krokowych rażeniowych

5. Rezystywność gruntu

5.1. Wiadomości ogólne

5.2. Definicja rezystywności gruntu

5.3. Grunty i gleby

5.4. Wpływ różnych czynników na rezystywność gruntu

5.5. Zmienność rezystywności gruntów w warunkach naturalnych

5.5.1. Uwagi ogólne

5.5.2. Źródło danych

5.5.3. Wyniki z poligonu

5.5.4. Uogólnienie obserwacji

5.5.5. Możliwe kierunki rozwiązania problemu

5.6. Podsumowanie

6. Beton i jego właściwości elektryczne

6.1. Uwagi wstępne

6.2. Własne kryterium oceny przewodności betonu

6.3. Ocena przewodnictwa betonu

6.3.1. Uwagi wstępne

6.3.2. Opis próbek betonu

6.3.3. Badanie zależności rezystywności próbki od przyłożonego napięcia

6.3.4. Wpływ temperatury na rezystywność betonu

6.3.5. Badanie wpływu wilgotności betonu na jego rezystywność

6.3.6. Badania rezystywności próbek betonu narażonych na działanie roztworów glebowych

6.3.7. Badania rezystywności zewnętrznej warstwy betonu gotowych żerdzi wirowanych

6.4. Wnioski

7. Parametry i rozpływ prądu ziemnozwarciowego

7.1. Uwagi wstępne

7.2. Czas trwania zakłócenia

7.2.1. Podstawy

7.2.2. Obliczanie dla potrzeb doboru elementów instalacji ze względu na zagrożenie porażeniem

7.2.3. Obliczanie dla potrzeb doboru elementów instalacji ze względu na zjawiska cieplne

7.3. Prądy uwzględniane przy doborze instalacji uziemiających

7.4. Przykłady rozpływów prądów ziemnozwarciowych

7.4.1. Przykład z normy PN-EN 50522 [N11]

7.4.2. Typowa polska stacja 110 kV/SN

7.4.3. Słup linii SN

7.4.4. Słup linii WN

7.4.5. Stacja SN/nn zasilana linią napowietrzną

7.4.6. Stacja SN/nn zasilana linią kablową

7.4.7. Stacja SN/nn z rozdzielonymi uziemieniami

8. Teoria i obliczanie uziemień

8.1. Funkcje uziemień

8.2. Uziemienia ochronne

8.3. Uziomy pojedyncze

8.3.1. Uziom pionowy

8.3.2. Uziom poziomy

8.3.3. Uziom pierścieniowy

8.4. Uziomy złożone

8.4.1. Uwagi ogólne

8.4.2. Symetryczny układ trzech uziomów pionowych

8.4.3. Uziom otokowy

8.4.4. Uziomy pionowe na obwodzie kwadratu wg normy BS 7430 [N2]

8.4.5. Uziom rzędowy

8.4.6. Uziom kratowy

8.4.7. Uziom kratowy rozbudowany o uziomy pionowe

8.5. Dywagacje

9. Wymagania cieplne i mechaniczne dla uziomów

9.1. Nagrzewanie

9.1.1. Nagrzewanie gruntu

9.1.2. Nagrzewanie uziomów i przewodów uziemiających

9.2. Minimalne wymiary uziomów ze względu na wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję

9.3. Minimalne wymiary przewodów uziemiających ze względu na wytrzymałość mechaniczną i odporność na korozję

10. Ochrona przed porażeniami przy dotyku pośrednim w stacjach elektroenergetycznych

10.1. Zakres

10.2. Algorytm podstawowy

10.3. Ogrodzenia zewnętrzne wokół stacji elektroenergetycznej

10.4. Rurociągi

10.5. Szyny kolejowe

10.6. Kable telekomunikacyjne

10.7. Obwody wtórne przekładników

10.8. Studzienka kontrolna

10.9. Uziom kratowy

10.10. Słup nieprzewodzący z aparaturą łączeniową

10.11. Stacje transformatorowe i/lub aparatura łączeniowa zamontowane na słupach – zasady ogólne

10.12. Stacja SN/nn jako obiekt szczególny

10.12.1. Uwagi wstępne

10.12.2. Skutki zwarcia po stronie SN

10.12.3. Warunki dla stacji SN/nn zasilającej sieć TN o wspólnym uziemieniu

10.12.4. Stacja SN/nn z rozdzielonymi uziemieniami

11. Uziemienia słupów napowietrznych linii elektroenergetycznych o napięciu powyżej 1 kV

11.1. Uwagi wstępne

11.2. Dobór uziemień słupów z punktu widzenia ochrony odgromowej

11.3. Algorytm projektowania instalacji uziemiającej słupa

11.4. Wyjątki od algorytmu

11.5. Zmodyfikowane algorytmy oceny układu uziomowego słupów

11.5.1. Sieć o punkcie neutralnym uziemionym bezpośrednio, przez rezystor lub za pomocą układu równoległego

11.5.2. Sieć z izolowanym punktem neutralnym, skompensowana lub z dekompensacją

11.6. Określenie rezystywności gruntu

11.7. Słup z aparaturą łączeniową lub pomiarową

11.8. Słup z głowicą kablową

11.9. Wykonanie uziemień przy słupach betonowych linii SN

11.10. Uwagi praktyczne

12. Zagadnienia różne

12.1. Uziomy naturalne

12.2. Zespolona instalacja uziemiająca

12.3. Unikanie zjawiska wynoszenia potencjału

12.4. Uziemienia w liniach nn

13. Zagrożenia korozyjne instalacji uziemiających

13.1. Wprowadzenie

13.2. Mechanizmy i typy korozji występujące w układach uziomowych

13.3. Wnioski

14. Konstrukcja uziomów

14.1. Wprowadzenie

14.2. Konstrukcje uziomów

14.2.1. Uziomy fundamentowe

14.2.2. Kratownice i uziomy płytowe

14.2.3. Uziomy poziome

14.2.4. Uziomy pionowe

14.3. Sposoby pogrążania uziomów pionowych

14.4. Sposoby łączenia uziomów poziomych i pionowych

15. Badania związane z instalacjami uziemiającymi

15.1. Wstęp

15.2. Pomiar rezystywności gruntu

15.3. Pomiar napięć dotykowych rażeniowych

15.4. Sprawdzanie ciągłości instalacji uziemiającej

15.5. Pomiary rezystancji uziemienia

Literatura

Artykuły, książki, źródła internetowe

Normy

Inne piśmiennictwo

Załącznik nr 1. Niesamowite porażenie zwierząt

Załącznik nr 2. Uwagi do normy dotyczącej uziemień stacji elektroenergetycznych o napięciu powyżej 1 kV

O Autorach

Przypisy

Wykaz ważniejszych oznaczeń

Symbole elektrotechniczne i inne

b – szerokość taśmy wykorzystanej na uziom poziomy

B – współczynnik ciała człowieka

C – pojemność

d – współczynnik tłumienności sieci

d – średnica uziomu (np. pręta)

E, e – siła elektromotoryczna, wartość skuteczna i chwilowa

I – natężenie prądu, wartość skuteczna

J – gęstość prądu

k – współczynnik kompensacji

l – długość uziomu

L – łączna długość uziomów poziomych (używane dla uziomu kratowego)

L – indukcyjność

R – rezystancja

s – odstęp pomiędzy uziomami pionowymi

s – współczynnik rozkompensowania sieci (dotyczy kompensacji ziemnozwarciowej)

S – przeważnie używane jako powierzchnia

t – czas

t – głębokość pogrążenia uziomu

TCAP – pojemność cieplna przewodu na jednostkę objętości

U – napięcie, wartość skuteczna

X – reaktancja

Z – impedancja

α – współczynnik dotykowy lub rażeniowy

ρ – rezystywność

η – współczynnik wykorzystania uziomów

ϑ – temperatura

Indeksy dolne

a – odnoszący się do stanowiska

C – odnoszący się do pojemności

E – dotyczący ziemi, uziomowy

ES – dotyczący uziomu lokalnego stacji SN/nn

F, f – odnoszący się do zakłócenia

k – dotyczący zwarcia

k1, k2, k3 – dotyczący odpowiednio zwarcia jedno-, dwu- lub trójfazowego

Dł – dotyczący dławika

L – dotyczący indukcyjności

L – dotyczący fazy

L1, L2, L3 – dotyczący przewodów fazowych

M – odnoszący się do wielkości mierzonej

N – dotyczący punktu lub przewodu neutralnego

n – nominalny (ang. nominal)

p – odnoszący się do żyły powrotnej

p – odnoszący się do przejścia pomiędzy ręką a częścią przewodzącą

r – znamionowy (ang. rated)

0 – dotyczący składowej zerowej prądu lub napięcia

T – odnoszący się do ciała człowieka (impedancji lub prądu)

u0 – dotyczący składowej zerowej napięcia

0, 1, 2 – przeważnie dotyczący tylko impedancji, prądów i napięć odpowiednio dla składowej zerowej, zgodnej lub przeciwnej

Wybrane oznaczenia kompletne

C0S – wypadkowa pojemność doziemna sieci

C0L – pojemność doziemna fazowa

IC – pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego

ICS – pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego sieci

IET – prąd uziomowy słupa

rE – współczynnik redukcyjny powłok kabla lub przewodów odgromowych

Ra – rezystancja stanowiska

RB – wypadkowa rezystancja uziemienia przewodu PEN w stacji SN/nn

RBi – rezystancja pojedynczego uziemienia przewodu PEN, jeśli i jest liczbą naturalną, to odnosi się do konkretnego uziemienia

RE – rezystancja uziemienia (symbol ogólny)

RF – rezystancja przejścia w miejscu zakłócenia (najczęściej zwarcia doziemnego)

Uf – napięcie zakłóceniowe

ULiLk – napięcie przewodowe (międzyfazowe), w Polsce i, k = 1, 2, 3

ULiN – napięcie fazowe – napięcie pomiędzy przewodem fazowym a punktem lub przewodem neutralnym

ULiE lub ULi,UL – napięcie fazy względem ziemi

Un – napięcie nominalne sieci, linii, systemu (ang. nominal voltage of a network, nominal voltage of a line, nominal voltage of a system)

Uo – nominalne napięcie fazowe w urządzeniach nn

US – napięcie krokowe rażeniowe

UT – napięcie dotykowe rażeniowe

UTp – napięcie dotykowe rażeniowe dopuszczalne

UvS – napięcie krokowe rażeniowe spodziewane

UvT – napięcie dotykowe spodziewane (źródłowe)

UNE – napięcie punktu neutralnego lub przewodu neutralnego względem ziemi

Ur – napięcie znamionowe

Z∞ – rezystancja układu przewody odgromowe – uziomy słupów linii WN

αvT – współczynnik dotykowy

ρC – rezystywność betonu

ρE – rezystywność gruntu

Ważniejsze skróty i akronimy

a.c. – prąd przemienny

AWSCz – automatyka wymuszania składowej czynnej

d.c. – prąd stały

IEV – International Electrotechnical Vocabulary (Międzynarodowy Słownik Elektrotechniczny)

nn – niskie napięcie

NNA – National Normative Aspects (Krajowe Warunki Normatywne)

PKN – Polski Komitet Normalizacyjny

p.n. – punkt neutralny sieci

RS – rozdzielnia sieciowa

SN – średnie napięcie (powyżej 1 kV do 36 kV włącznie)

std – standard IEEE

WN – wysokie napięcie (powyżej 36 kV)

WSZRG – wskaźnik sezonowych zmian rezystywności gruntu

ZIU – zespolona instalacja uziemiająca

ZKSN – złącze kablowe średniego napięcia

SN – średnie napięcie

SPZ – samoczynne ponowne załączanie

1

Wstęp

Celem autorów było napisanie książki, która zapełni lukę od ostatniego wydania „świętej księgi” z dziedziny uziemień, czyli monografii prof. Konstantego Wołkowińskiego z Politechniki Wrocławskiej pod tytułem Uziemienia urządzeń elektrycznych.

Niniejsza książka jest napisana zarówno dla początkujących w tej dziedzinie, stąd bardzo podstawowe wyjaśnienia, jak i osób zaawansowanych w tej tematyce.

Autorzy reprezentują dwa środowiska: Witold Hoppel jest naukowcem z doświadczeniem praktycznym, a Robert Marciniak osobą związaną z produkcją i budową uziemień. To połączenie nauki z praktyką daje szansę, że zaproponowana Czytelnikom książka będzie dla nich dobrym poradnikiem.

Zjawisko porażenia prądem elektrycznym nie jest zjawiskiem zero-jedynkowym. W tych samych warunkach, czyli tej samej drodze rażenia, natężeniu prądu i czasie jego przepływu, jeden człowiek może ponieść śmierć, a inny tylko odczuje przepływ prądu przez swoje ciało. Jeszcze trudniej ocenić skutki przepływu prądu, jeśli weźmie się pod uwagę napięcie, sposób dotyku, czas przepływu, drogę rażenia, a nawet porę dnia.

Mamy XXI wiek i wydaje się, że w dziedzinie uziemień nie ma już „ciemnych plam”. A jednak … Okazuje się, że tak jak w wielu innych dziedzinach, rozwój wiedzy przyczynia się do tego, że ciągle znajdują się nowe problemy. Przykładów jest aż nadto:

– Jak zmiany klimatu przyczyniają się do zmian rezystywności gruntu w Polsce? Szczególnie w okresach suszy i zimy.

– Jakie wartości mają współczynniki sezonowych zmian rezystywności gruntów w Polsce?

– Czy uziomy aktywne swoje właściwości utrzymają w okresie zbliżonym do okresów przewidywanych eksploatacji obiektów elektroenergetycznych?

– Jakie jest redukcyjne działanie żyły powrotnej kabla polietylenowego lub powłok kabla olejowego, jeśli jest on ułożony tylko na pewnym odcinku przed stacją SN/nn?

– Jaka jest wartość prądu ziemnozwarciowego na słupie linii wyposażonej w przewody odgromowe, jeśli chce się uwzględnić ich redukcyjne działanie z powodu indukcji wzajemnej, ale także oddziaływanie galwanicznego połączenia z innymi slupami?

Wiele zamieszania we współczesnej wiedzy powodują normy tłumaczone z dokumentów europejskich. Traktowane są jako źródła wiedzy technicznej, a liczba spotykanych w nich błędów zwiększa się z upływem czasu. Jaskrawym przykładem tego jest definicja napięcia dotykowego rażeniowego, która prawie w każdej normie jest inna i na dodatek żadna nie jest prawidłowa w pewnych szczegółach.

Autorzy proszą Szanownych Czytelników o kontrolowanie niektórych fragmentów książki w najbardziej aktualnych normach i współczesnych publikacjach. Cykl wydawniczy książki jest na tyle długi, że mogły w tym okresie wyniknąć jakieś zmiany.

W miejscach, gdzie norma PN-EN 50522 [N11, N12] podstawowa dla tematyki uziemień nie jest błędna lub wystarczy drobna korekta, będzie się preferować jej zapisy.

Jakość normy PN-EN 50522 zarówno w wersji angielskiej, a jeszcze bardziej w polskim tłumaczeniu, pozostawia wiele do życzenia, wiele błędów jest już w oryginale. Na to nakładają się często poważne, czasem nawet humorystyczne błędy polskiego tłumaczenia. Na ten temat ukazała się publikacja [10]. Jednakże drobiazgowe studiowanie normy dla potrzeb książki ujawniło jeszcze kilka uchybień. Nie ułatwiało to pisania szczególnie w sytuacjach, kiedy trzeba podejść do zagadnienia merytorycznie.

W niektórych miejscach tekstu pojawiają się stwierdzenia trywialne dla fachowców. Natomiast dla osób początkujących w zdobywaniu wiedzy o uziemieniach mogą one być przydatne, więc autorzy zdecydowali się na takie zapisy.

Warto też odróżnić dwa elementy:

– opis zjawiska, właściwości, zasady wg znanych od lat albo nowych teorii, co jest materiałem w miarę obiektywnym,

– zapisy w normach odnoszące się do tych teorii nie zawsze interpretujące prawidłowo ich wyniki.

Jest to efekt niskiej jakości współczesnych norm. Może to będzie ryzykowne stwierdzenie: w Polsce w opracowywaniu norm często nie biorą udziału najlepsi fachowcy (bo w Polsce praca przy normach jest często prawie pracą społeczną lub uprawianiem hobby, a nawet powoduje koszty własne). Jeśli tak jest również w CENELEC, to znajduje to potem odwzorowanie w poziomie zapisów norm. W wielu miejscach trzeba było poprawiać oczywiste błędy, nieścisłości czy pomyłki w normach. Czytelnik, zaglądając do norm, znajdzie w nich wiele różnic w stosunku do książki. Są to różnice zarówno merytoryczne, jak i formalne.

Oceniając poprzednią książkę W. Hoppela [12], jeden z Czytelników podał zarzut: Dlaczego tak często są w nich przywoływane normy? Niepotrzebnie powstaje zamieszanie. Otóż wydaje się, że obecnie normy stają się bardzo ważnym elementem wiedzy technicznej, a czasem nawet prawem. W przypadku spraw konfliktowych będą podstawą rozstrzygnięć, jeśli nie udowodni się ich sprzeczności z prawami elektrotechniki itp. Jednakże wymagają dobrej interpretacji i pochodzenia poszczególnych przepisów. Normy nie podają podstaw ich pochodzenia i nie tłumaczą zjawisk, wydaje się więc, że była potrzeba opracowania takiej książki, jak niniejsza pozycja, która dodatkowo uwzględnia standardy amerykańskie (raporty IEC) będące często podstawą do opracowania norm europejskich.

W książce [12] pojawił się błąd, przy czym nie wynikał on z pomyłki, ale ze skorzystania z literatury z taką teorią. Dopiero doświadczalne sprawdzenie dwóch teorii pozwoliło na korektę i postawienie następującego twierdzenia:

Podczas pomiaru rezystywności gruntu metodą Wennera określa się jej wartość zastępczą dla warstwy gruntu o grubości równej odległości pomiędzy sondami. W książce przyjmowano, że dla warstwy o grubości 0,7 odległości pomiędzy sondami. Literatura na ten temat jest bardzo uboga i wydawało się, że skorzystano z publikacji autora będącego autorytetem w tej dziedzinie, ale w tym miejscu jednak podał on niewłaściwy parametr.

Jeszcze jeden aspekt niniejszej książki: bardzo szczegółowo omówiono sposób pomiaru napięć rażenia, szczególnie dotykowych. Wynika to z faktu, że podczas kontaktów z osobami wykonującymi te pomiary stwierdzono nadzwyczaj wiele wątpliwości i nawet błędne wykonywanie tych pomiarów. W książce omówiono także zagadnienia korozji uziomów, które w ostatnich latach są jednym z najważniejszych zagadnień w problematyce uziomowej.

Uwaga: Jeśli w książce pojawia się ołów jako materiał używany na jakiekolwiek elementy uziomów, to tylko ze względu na to, że tak jest w aktualnych normach. Materiał ten nie jest obecnie stosowany ze względu na ochronę środowiska.

W książce umieszczono dwa załączniki:

•Pierwszy z nich dotyczy niesamowitej sytuacji śmiertelnego porażenia zwierząt, kiedy napięcie rażeniowe powstawało nie wyniku doziemienia, ale przerwania przewodu PEN. Przypadek ten jest dowodem, że należy w pewnych definicjach używać słowa „zakłócenie”, a nie „doziemienie” lub sformułowanie w rodzaju „uszkodzenie izolacji doziemnej czy fazowej”.

•Drugi artykuł jest dość szczegółowym wykazem uchybień w normie PN-EN 50522 [N11].

2

Definicje

2.1. Uwagi wstępne

W tym rozdziale będą zestawione używane w książce pojęcia i ich znaczenie, ale tylko te, które używane są w więcej niż jednym rozdziale. Definicje używane tylko w jednym rozdziale zostaną podane na jego początku. Natomiast wyjaśnienia niektórych pojęć będą się pojawiać we wszystkich częściach książki. Celem takiego podejścia jest ułatwienie Czytelnikowi zrozumienia treści, kiedy korzysta z wybranych części książki bez analizy poprzednich. Przykładem definicji w obrębie jednego rozdziału są pojęcia dotyczące oddziaływania prądu na organizm człowieka. Jest to podstawa dla pozostałych części książki, ale bardzo wyspecjalizowana.

Studiując przez wiele lat różne pojęcia naukowe, dochodzi się do wniosku, że ich definicje w normach nie są stabilne. Zmieniają się z biegiem czasu i to nie zawsze w kierunku coraz większej poprawności. Dotyczy to zarówno norm przetłumaczonych na język polski, jak i norm w języku oryginału, najczęściej angielskim. Co gorsza, w różnych normach aktualnych w danym momencie te definicje są różne. To stwarza autorom duży problem. Przenosi się on szczególnie na te osoby, które poddawane są różnym egzaminom. A uziemienia są częścią bardzo ważnej dziedziny, jaką jest ochrona przed porażeniami prądem elektrycznym czy ochrona odgromowa. Z tego powodu autorzy podejmują próbę dodania czasem definicji własnych, a z norm będzie przytoczona definicja możliwie najlepsza. Typowym przykładem pojęcia, wokół którego jest dużo zamieszania jest napięcie dotykowe rażeniowe. A jest to pojęcie podstawowe w dziedzinie ochrony przed porażeniami i stanowi główne kryterium oceny uziemień.

Jeśli za definicją podane jest oznaczenie typu IEV 195-01-08 to oznacza, że dana definicja jest zaczerpnięta z wersji angielskiej Międzynarodowego Słownika Elektrotechnicznego wydanego przez International Electrotechnical Commission i tłumaczona przez autora. Jeśli jest oznaczenie [195-06-11], pochodzi ono z normy wymienionej w spisie literatury [N23]. Przy tym może to być ten sam słownik, ale wydany w języku polskim. Jeśli za definicją nie zostało podane żadne powołanie to oznacza, jest to definicja autorska.

2.2. Definicje z zakresu urządzeń i sieci elektrycznych

Klasyfikacja napięć:

a) wg normy PN-EN 50160 [N8]

Napięcie wysokie – napięcie, którego wartość skuteczna znamionowa mieści się w zakresie 36 kV < Un ≤ 150 kV. Zalecany skrót WN.

Napięcie średnie – napięcie, którego wartość skuteczna znamionowa mieści się w zakresie 1 kV < Un ≤ 36 kV. Norma dopuszcza w poszczególnych krajach inną granicę pomiędzy napięciem średnim i wysokim niż 36 kV. Nie ma to większego znaczenia w warunkach polskich, bo szereg napięć średnich kończy się na napięciu 30 kV. Zgodnie z podaną normą skrót średniego napięcia to SN (a nie ŚN, jak się czasem stosuje).

Napięcie niskie – napięcie, którego wartość skuteczna znamionowa wynosi Un ≤ 1 kV.

W tej normie określenie „napięcia znamionowego” i jego znaczenie Un są błędne. Wcale nie powinno tu być określenia zarówno znamionowe, jak i nominalne. Podział dotyczy wszystkich napięć – tych dwóch wymienionych, ale i napięcia roboczego czy każdego innego.

Zwraca się uwagę, że obecnie wg [N13] indeks „n” odnosi się do napięcia nominalnego, napięcie znamionowe ma indeks „r”.

b) wg normy PN-EN 61936-1 [N16]

Wysokie napięcie – napięcie przekraczające 1000 V prądu przemiennego [PN-EN 61936-1 [N16]].

Niskie napięcie – napięcie nieprzekraczające 1000 V prądu przemiennego [PN-EN 61936-1 [N16]].

W aktualnych normach istnieją więc równolegle dwa podziały napięć. Pokrywa się to z pojęciami używanymi w potocznym języku. Czasem mówiąc „wysokie napięcie”, rozumie się napięcie powyżej 1 kV. Jednak czasem myśli się o napięciu 110 kV. W podziale (a) brak jest klasyfikacji dla napięć powyżej 150 kV. Poza tym w żadnej z definicji nie podano, że klasyfikacja opiera się na napięciach międzyprzewodowych, co jest bardzo istotnym faktem.

W tabeli 2.1 autorzy proponują zatem własną klasyfikację, która jest zgodna z PN-EN 50160 [N8], ale uzupełniona o najwyższe napięcia. W tabeli tej nie zastosowano żadnych indeksów, bo każde z napięć: znamionowe, nominalne czy robocze może być zakwalifikowane do poszczególnych zakresów.

Tabela 2.1. Klasyfikacja napięć

Opis

Skrót

Zakres

W Polsce

Niskie napięcia

nn

U ≤ 1 kV

0,4 kV, 0,69 kV (w generatorach elektrowni wiatrowych)

Średnie napięcia

SN

1 kV < U ≤ 36 kV

6 kV, 10,5 kV (w zaniku), 15 kV, 20 kV, 30 kV (w zaniku)

Wysokie napięcia

WN

36 kV < U ≤ 150 kV

110 kV

Najwyższe napięcia

NN

U > 150 kV

220 kV, 400 kV

Sieć elektroenergetyczna – zespół połączonych galwanicznie linii i stacji elektroenergetycznych przeznaczony do przesyłania i rozdziału energii elektrycznej.

Stacja elektroenergetyczna – zamknięty obszar ruchu elektrycznego z aparaturą rozdzielczą oraz/lub transformatorami w sieci przesyłowej lub rozdzielczej [N SEP-E-001 [N1]].

Definicja nie do końca jest słuszna. Stacje SN/nn nie są „zamkniętym obszarem ruchu elektrycznego”. Dotyczy to szczególnie stacji napowietrznych, do których osoby postronne mogą podejść i dotknąć konstrukcji. Sugeruje się definicję:

Stacja elektroenergetyczna – zamknięty lub otwarty obszar ruchu elektrycznego z aparaturą rozdzielczą oraz/lub transformatorami w sieci przesyłowej lub rozdzielczej.

Dla potrzeb książki będą używane następujące pojęcia:

– stacja SN/nn – stacja, w której górne napięcie jest większe od 1 kV i nie większe niż 36 kV, dolne napięcie nie przekracza 1 kV (napięcia przewodowe).

– stacja WN – stacja, w której górne napięcie przekracza 36 kV.

Rozdzielnia (stacja rozdzielcza) – stacja elektroenergetyczna, która posiada aparaturę łączeniową i zwykle szyny zbiorcze, ale nie posiada transformatora mocy [605-01-02].

Słup – konstrukcja podtrzymująca za pomocą izolacji przewody elektroenergetycznych linii napowietrznych [PN-EN 50341-1 [N9], z modyfikacją wg 466-06-01]. Słup jest to wyraźnie konstrukcja wyposażona w elementy, na których są umieszczone przewody. Mogą to być izolatory, poprzecznik albo w przypadku linii wykonanych z przewodów izolowanych inne elementy mocujące i ewentualnie odgromniki czy głowica kablowa. Jeśli na „słupie” umieszczony jest łącznik, to z punktu widzenia przepisów ochrony przed porażeniami jest to stacja elektroenergetyczna.

Żerdź – element o dużym stosunku długości do wymiarów poprzecznych, którego zadaniem jest uzyskanie odpowiedniej odległości zawieszenia przewodów lub umieszczonych na niej innych urządzeń elektrycznych od ziemi. Według słowników żerdź jest elementem drewnianym i wywodzi się od dawnej konstrukcji słupów, ale określenie to zostało przeniesione na elementy żelbetonowe i strunobetonowe (definicja własna). Wyraźnie nie dotyczy konstrukcji kratowych. Żerdź może być częścią słupa lub napowietrznej stacji elektroenergetycznej.

Wartość nominalna – odpowiednia przybliżona wartość liczbowa stosowana do oznaczenia lub wyróżnienia elementu, przyrządu lub urządzenia [N2].

Napięcie nominalne sieci – odpowiednia przybliżona wartość napięcia określająca lub identyfikująca sieć [N2]. Zawsze dotyczy napięcia międzyprzewodowego, często nazywanego przewodowym. Wartości 110 kV, 20 kV, 15 kV są dla sieci ich napięciami nominalnymi.

Wartość znamionowa – wartość wielkości przypisana, zasadniczo przez wytwórcę, w określonych warunkach pracy elementowi, przyrządowi lub urządzeniu [PN-E-05115 [N4]]. Przykładem jest tutaj transformator o napięciu znamionowym 115 kV, który pracuje w sieci o napięciu nominalnym 110 kV.

Napięcie międzyprzewodowe – napięcie między dwoma przewodami fazowymi (liniowymi) w danym punkcie obwodu elektrycznego [PN-IEC 60050 [N24], 195-05-01].

Napięcie fazowe – napięcie między przewodem fazowym (liniowym) a przewodem neutralnym w danym punkcie obwodu prądu przemiennego [PN-IEC 60050 [N24], 195-05-02].

… ale też:

Napięcie fazowe – w systemie wielofazowym napięcie pomiędzy przewodem fazowym a punktem neutralnym sieci [601-01-30].

Pierwsza z definicji dotyczy sieci nn, a druga o napięciu powyżej 1 kV. Zwraca się uwagę, że w niektórych publikacjach napięciem fazowym nazywa się napięcie pomiędzy przewodem fazowym a ziemią, co jest błędem.

Napięcie (fazy) względem ziemi – napięcie między przewodem fazowym (liniowym) a ziemią odniesienia w danym punkcie obwodu elektrycznego [PN-IEC 60050 [N24], 195-05-03]. Termin angielski to tension phaze-terre, czyli napięcie faza–ziemia. Po polsku przyjęto termin napięcie względem ziemi, ale pomijając podmiot, którego to napięcie dotyczy. W normie [PN-EN 60027-7 [N13]] w języku angielskim oznaczenie tego napięcia jest ULi lub ULiE. Drugie z nich wyraźnie określa, że jest to napięcie pomiędzy przewodem fazowym (liniowym) a ziemią.

2.3. Definicje podstawowe z zakresu ochrony przed porażeniami

Ochrona przed porażeniami – zespół środków zmniejszający ryzyko porażenia elektrycznego [195-01-05].

Ochrona podstawowa – ochrona przed porażeniem elektrycznym w warunkach braku uszkodzenia [PN-EN 61140 [N15]]. Dopuszcza się stosowanie pojęcia ochrona przed dotykiem bezpośrednim.

Ochrona przy uszkodzeniu – ochrona przed porażeniem elektrycznym przy pojedynczym uszkodzeniu [PN-EN 61140 [N15]]. Ponieważ w ostatnich trzydziestu latach pojęcie to ewoluowało, za tożsame będzie się uważać: ochrona dodatkowa i ochrona przy dotyku pośrednim. To ostatnie pojęcie jest jeszcze często używane przy omawianiu ochrony przy urządzeniach o napięciu powyżej 1 kV.

W dwóch poprzednich definicjach wymieniono wszystkie spotykane terminy, ponieważ są one ciągle stosowane nie tylko w literaturze, ale także w niektórych aktualnych normach.

Część czynna – przewód lub inna część przewodząca, przeznaczona do pracy pod napięciem w warunkach normalnych, w tym przewód neutralny N, lecz umownie z wyjątkiem przewodów PEN, PREM lub PEL [195-02-19]. PEN to przewód ochronno-neutralny, PREM – przewód łączący funkcje przewodu ochronnego uziemiającego oraz przewodu środkowego w obwodach prądu stałego, przewód PEL – przewód łączący funkcje przewodu ochronnego uziemiającego oraz przewodu liniowego (fazowego – w Polsce praktycznie niespotykany).

Dla dwóch następnych definicji podano ich dosłowne brzmienie wg norm i wersje poprawione.

Część przewodząca dostępna – część przewodząca urządzenia, której można dotknąć, niebędąca normalnie pod napięciem, i która może się znaleźć pod napięciem, jeśli zawiedzie izolacja podstawowa [PN-EN 61140 [N15]].

Część przewodząca dostępna – część przewodząca urządzenia elektrycznego, która może być dotykana i która może się znaleźć pod napięciem w wyniku uszkodzenia. Definicja ta podkreśla, że napięcie na tej części pojawić się może nie tylko w wyniku uszkodzenia izolacji, ale także w czasie innego zakłócenia.

Część przewodząca obca – część przewodząca niestanowiąca części instalacji elektrycznej i zdolna do wprowadzenia potencjału elektrycznego, zwykle potencjału ziemi lokalnej [195-06-11].

Dotyk bezpośredni – kontakt elektryczny ludzi lub zwierząt z częściami czynnym [N17, 195-06-03].

Dotyk pośredni – kontakt elektryczny ludzi lub zwierząt z częściami przewodzącymi dostępnymi, które w stanie zakłócenia znalazły się pod napięciem [N17, 195-06-04].

2.4. Napięcia i natężenia prądu

Prąd doziemienia – jest prądem w miejscu doziemienia płynącym od obwodu roboczego do ziemi lub części uziemionej PN-EN 50522 [N11]. W książce będzie się używać także określeń równoważnych „prąd zwarcia doziemnego” i „prąd ziemnozwarciowy”. Te dwa pojęcia w polskim słownictwie są ogólnie akceptowane.

Można czasem zauważyć w literaturze rozgraniczanie tych pojęć dla sieci o nieskutecznie i skutecznie uziemionym punkcie neutralnym. Spotyka się podział na zwarcia doziemne małoprądowe i wielkoprądowe. W wydanej już w XXI wieku książce [22] nie mówi się o doziemieniu, lecz o zwarciu doziemnym lub jednofazowym. Wydaje się, że wszystkie wymienione pojęcia są dobrze rozumiane. W normach natomiast obecnie przeważa pojęcie „prąd doziemienia”. Pojęcie „prąd doziemny” nie powinno być używane, bo nie wynika z niego, czy jest to prąd płynący do ziemi podczas zwarcia czy podczas normalnej pracy sieci lub jej elementu.

Prąd uziomowy – prąd płynący do ziemi przez impedancję instalacji uziemiającej do ziemi. W normie PN-EN 50522 [N11] brakuje słów „instalacji uziemiającej”. Czy prąd uziomowy może spływać do ziemi z innego elementu niż instalacja uziemiająca? Jest dyskusyjne, czy to jest możliwe. Natomiast istotne jest, że w definicjach nie ma określenia, że jest to część prądu doziemienia. Stąd wynika, że prąd spływający do ziemi wywołany dowolnym zjawiskiem jest prądem uziomowym. Przykładem takiego zjawiska jest asymetria obciążenia w sieci nn.

Pojemnościowy prąd zwarcia doziemnego sieci – część prądu zwarcia doziemnego sieci wynikająca z jej całkowitej pojemności doziemnej przy napięciu roboczym.

Ziemia odniesienia – część Ziemi rozpatrywanej jako ośrodek przewodzący, której potencjał elektryczny jest przyjmowany umownie za równy zeru, pozostająca poza strefą wpływu jakichkolwiek instalacji uziemiających [195-01-01].

Ziemia lokalna – część Ziemi będąca w kontakcie elektrycznym z uziomem, której potencjał elektryczny może być różny od zera [195-01-02]. Potencjał ten jest zależny od prądów uziomowych spływających do ziemi z uziomów, dla których ta część ziemi jest w ich strefie wpływów.

Jednym z najczęściej używanych pojęć jest napięcie uziomowe. Przytoczone zostały trzy definicje z różnych norm różniące się od siebie szczegółami. Pierwsza definicja zastrzega, że napięcie dotyczy przewodu uziemiającego. Pozostałe – całej instalacji uziemiającej. Pierwsza i trzecia definicja mówią o napięciu w czasie doziemienia, a druga definicja nie precyzuje okoliczności wystąpienia tego napięcia. Jest to problem ważny, ponieważ np. w stacjach SN/nn zasilających sieć TN występuje niewielkie napięcie pomiędzy uziomem a ziemią odniesienia spowodowane przepływem części prądów roboczych przez uziemienie stacji. Czy to jest napięcie uziomowe? Należy sądzić, że tak. W związku z tym akceptowalna jest ostatnia definicja.

Napięcie uziomowe – napięcie przewodu uziemiającego (UE) – napięcie pomiędzy przewodem uziemiającym a ziemią odniesienia [195-05-07]. Definicja jest za wąska – ogranicza miejsce występowania napięcia do przewodu uziemiającego.

Napięcie uziomowe – jest to napięcie występujące podczas doziemienia pomiędzy układem uziemiającym a ziemią odniesienia PN-E-05115 [N4]. Pojęcie „układ uziemiający” obecnie nie jest używane. Zastąpiono je pojęciem „instalacja uziemiająca”.

W powyższej definicji po raz pierwszy została powołana norma [N4]. Przy innych powołaniach autorzy często nie korzystali z oryginału wydanego przez PKN, ale z niedostępnej już ma rynku pozycji [29] zawierającej bardzo dobry komentarz i wyjaśnienia.

Napięcie uziomowe – napięcie pomiędzy instalacją uziemiającą a ziemią odniesienia PN-EN 50522 [N11].

Następne dwie definicje podane są w brzmieniu opracowanym przez autorów. Uzasadnienie tych zmienionych definicji i błędy w tekstach z norm omówione są w rozdziale 4, a także w artykule [11].

Napięcie dotykowe rażeniowe (UT) – część napięcia uziomowego wywołanego zakłóceniem (najczęściej doziemieniem), która może pojawić się na impedancji ciała człowieka przy założeniu, że prąd przepływa przez jego ciało na drodze ręka–stopy (pozioma odległość do części dotykanej 1 m) lub ręka–ręka.

Napięcie dotykowe spodziewane (UvT, starsze oznaczenie UST ) – napięcie, które pojawia się podczas zakłócenia (najczęściej doziemienia) między częściami przewodzącymi a ziemią lub dwoma częściami przewodzącymi, gdy części te nie są dotykane [N2 zmodyfikowana].

Definicje związane z napięciami krokowymi:

Napięcie krokowe rażeniowe (US) jest częścią napięcia uziomowego wywołanego doziemieniem, które może się pojawić na ciele człowieka między stopami rozstawionymi na odległość 1 m przy założeniu, że prąd przepływa przez ciało człowieka na drodze stopa–stopa [N2].

Napięcie krokowe spodziewane (UvS, starsze oznaczenie USS) – napięcie pomiędzy dwoma punktami na powierzchni Ziemi położonymi względem siebie w odległości 1 m, uznawanej za długość kroku człowieka, wywołane napięciem uziomowym [N5].

W tej książce będą używane następujące pojęcia:

– napięcie dotykowe: łącznie napięcia dotykowe rażeniowe i spodziewane,

– napięcie krokowe: łącznie napięcia krokowe rażeniowe i spodziewane,

– napięcia rażeniowe: napięcie dotykowe rażeniowe i krokowe rażeniowe,

– napięcie rażenia: wszelkie napięcia wymienione w poprzednich trzech wierszach.

Wydaje się zasadne, aby była możliwość nazywania napięć rażeniowych – rzeczywistymi, co pojawia się w niektórych normach.

Napięcie narażeniowe – napięcie, które pojawia się podczas doziemienia pomiędzy uziemioną częścią lub obudową sprzętu albo urządzenia a innymi jego częściami, mogące mieć wpływ na jego normalne działanie lub bezpieczeństwo PN-EN 50522 [N11]. Jest to nowa definicja. Pojęcie angielskie to stress voltage i nie jest ono zdefiniowane w IEV. Napięcia narażeniowe występują na rysunku 10.4 jako U₁ i U₂.

Napięcie zakłóceniowe – napięcie, które pojawia się w sieci niskiego napięcia pomiędzy częściami przewodzącymi dostępnymi a ziemią w czasie doziemienia Uf [PN-HD 60364-4-441 [N22]].

2.5. Definicje związane z uziemieniami

Instalacja uziemiająca – zespół wszystkich połączeń elektrycznych i elementów służących do uziemienia sieci, instalacji lub urządzenia [N17, 195-02-19]. Przykładem może być instalacja uziemiająca stacji SN/nn. Przy tym instalacja uziemiająca jest wykonana celowo i służy do spełnienia określonego zadania czy ochrony urządzenia.

Układ uziemiający (def. własna) – zespół uziomów oraz przewodów i połączeń elektrycznych niebędących uziomami powstały w wyniku celowego lub przypadkowego ich połączenia. Przykładem jest układ uziemiający powstały w wyniku połączenia uziomów słupów linii przewodami odgromowymi czy uziom kratowy stacji wraz z żyłami powrotnymi kabli lub przewodami odgromowymi.

Układ uziomowy – część instalacji uziemiającej obejmująca tylko uziomy i ich połączenia pomiędzy nimi [195-02-21]. Wydaje się, że układ uziomowy jest wykonany dla jednego urządzenia, w miarę możliwości skupiony (uziom kratowy także jest układem uziomowym). Norma PN-EN 62305 [N19] używa pojęcia układ uziomów, które jest równoważne.

Natomiast, jeśli połączeniem pomiędzy uziomami lub instalacjami uziemiającymi poszczególnych urządzeń jest np. żyła powrotna kabla czy przewód odgromowy, to należy mówić o układzie uziemiającym.

Uziemienie ochronne – uziemienie jednego lub wielu punktów sieci, instalacji lub urządzenia dla celów bezpieczeństwa [195-01-11].

Uziemienie funkcjonalne (do niedawna uziemienie robocze) – uziemienie jednego lub wielu punktów sieci, instalacji lub urządzenia dla celów innych niż bezpieczeństwo [195-01-13]. Definicja wydaje się nieprawidłowa, ponieważ obejmuje także uziemienia odgromowe, które klasyfikuje się jako oddzielną grupę.

Bardziej prawidłowa wydaje się definicja:

Uziemienie funkcjonalne (do niedawna uziemienie robocze) – uziemienie jednego lub wielu punktów sieci, instalacji lub urządzenia w celu zapewnienia jej/jego prawidłowej pracy.

Uziemienie robocze – celowo wykonane połączenie z uziomem jednego z punktów obwodu elektrycznego spełniające określone zadanie w ruchu urządzenia elektrycznego [41]. Przykłady:

– uziemienie punktu neutralnego sieci,

– uziemienie punktu gwiazdowego generatorów trójfazowych,

– uziemienie punktu gwiazdowego trójfazowego układu przekładników napięciowych.

Uziom – część przewodząca umieszczona w/na gruncie lub w określonym przewodzącym ośrodku, np. w betonie, znajdująca się w kontakcie elektrycznym z ziemią [N21, 826-13-05].

Uziemić – połączyć elektrycznie dany punkt sieci, instalacji lub urządzenia z ziemią lokalną [N17, 195-01-08].

Uziom pojedynczy – uziom składający się z jednego elementu, np. pręta, taśmy, płyty [41].

Uziom złożony – uziom składający się z połączonych ze sobą pod ziemią dwóch lub więcej elementów (uziomów pojedynczych) [41].

Uziom naturalny – metalowa część, która jest w kontakcie elektrycznym z ziemią lub wodą bezpośrednio lub poprzez beton, której podstawowym celem nie jest uziemienie, ale która spełnia wszystkie wymagania dla uziomu bez utraty pierwotnego przeznaczenia [PN-EN 50522 [N11] ze zmianami]. Norma ta wprowadza nowe pojęcie uziom strukturalny, co przy polskiej bardzo starej tradycji używania sformułowania „uziom naturalny” jest niepotrzebne.

Uziom fundamentowy – przewodząca część konstrukcji lub element przewodzący umieszczone w betonie, które są w kontakcie przewodzącym z ziemią na dużej powierzchni [PN-EN 50522 [N11]].

Przechodząc do budowy uziomów, warto zwrócić uwagę na pewne definicje spoza techniki, czyli wg Słownika Języka Polskiego [strona internetowa]

Drut – cienki pręt metalowy.

Pręt – wyrób hutniczy o znacznej długości i stałym przekroju poprzecznym. Zwraca uwagę „wyrób hutniczy”, czyli pręt nie może być drewniany lub z tworzywa sztucznego, lecz tylko metalowy, bo takie są wyroby hutnicze.

Taśma – pas z jakiegoś materiału o różnym zastosowaniu (pas – długi, wąski kawałek skóry, tkaniny itp., ale i metalu).

Bednarka – taśma stalowa walcowana na gorąco.

Przewód – element obwodu elektrycznego, po którym przepływa energia elektryczna.

Okrągły (przymiotnik) – mający kształt koła, kuli, podobny kształtem do koła, kuli; krągły, zaokrąglony.

Na pograniczu farsy jest kilka następujących stwierdzeń:

1. Można mówić: bednarka pomiedziowana, bednarka ocynkowana i są to taśmy stalowe pokryte warstwą miedzi lub cynku, natomiast wyrażenie bednarka z miedzi czy bednarka miedziana jest nieprawidłowe.

2. Drut może mieć różny kształt przekroju poprzecznego. Na uziomy stosuje się przeważnie drut o przekroju koła. Jeśli dodaje się, że drut ma określoną średnicę, to definiuje się jednocześnie, że jego przekrój poprzeczny jest kołem. Natomiast drut o przekroju okrągłym może mieć przekrój w kształcie np. elipsy.

3. Pręt nie musi mieć przekroju kołowego.

4. Pisanie „bednarka stalowa” jest podobne do popularnego sformułowania „masło maślane”, chociaż nie rażące, bo rzadko kto wie, że bednarka może być wykonana tylko ze stali.

Przykłady błędnych definicji (celowo nie podano źródła):

Uziom poziomy – uziom wykonany z przewodu ułożonego w gruncie. Definicja zupełnie nieprecyzyjna. Przewód może być ułożony w gruncie dowolnie i rzadko będzie uziomem poziomym. Pręt wbity ukośnie też jest przewodem ułożonym w gruncie.

Uziom pionowy – uziom wykonany z metalowego pręta pogrążonego w gruncie. Uwagi jak do poprzedniej definicji.

W dalszej części rozdziału szereg definicji własnych:

Uziom prętowy – uziom, który jest wykonany z pręta, najczęściej o przekroju koła.

Uziom taśmowy – uziom, który jest wykonany z taśmy (najczęściej z bednarki lub taśmy miedzianej).

Uziom poziomy – uziom, którego największy gabaryt jest położony zasadniczo równolegle do powierzchni gruntu lub poziomo.

Uziom pionowy – uziom, którego największy gabaryt jest ułożony zasadniczo pionowo.

Uziom otokowy – uziom taśmowy lub prętowy położony wokół urządzenia lub budynku, najczęściej w postaci wieloboku lub innego dowolnego kształtu.

Uziom kratowy – uziom taśmowy (rzadziej prętowy), który ma wygląd kraty złożonej z wielu prostokątów o niekoniecznie równych bokach, ułożonej zasadniczo poziomo lub równolegle do powierzchni gruntu

Uziom rzędowy – szereg uziomów pionowych, najczęściej prętowych, umieszczony w gruncie zasadniczo w linii prostej, połączony uziomami poziomymi lub innym elementem przewodzącym.

Przewód uziemiający – przewód stanowiący drogę przewodzącą lub jej część, między danym punktem sieci, instalacji lub urządzenia a uziomem [196-02-02].

Dodatkowe wyjaśnienie:

Definicja jest bardzo istotna z punktu widzenia rozdziału 9, gdzie występuje zróżnicowanie materiałów, z których wykonuje się uziomy i przewody uziemiające. Jeśli popatrzeć na definicję pojęcia uziom, to są to tylko elementy umieszczone w gruncie lub betonie. Z tego punktu widzenia część przewodu, która jest nad gruntem, już nie jest uziomem, bo nie ma z nim kontaktu. Ale patrząc nieco inaczej, w definicji nie jest podane, że cały element musi mieć kontakt z gruntem. Ponieważ w praktyce zawsze w pobliżu powierzchni gruntu (ale powyżej niej) występuje połączenie elementu należącego do chronionego urządzenia elektrycznego z uziomem, więc poniżej tego miejsca jest uziom, a powyżej przewód uziemiający. I to nieistotne, czy jest to zacisk kontrolny, czy połączenie innego typu, nawet nierozłączalne.

Zacisk uziemiający – zacisk, w który jest wyposażone urządzenie lub jego część, przeznaczony do połączenia elektrycznego z instalacją uziemiającą [195-02-31].

Szyna uziemiająca główna – szyna lub zacisk, która jest częścią instalacji uziemiającej i która zapewnia połączenie elektryczne pewnej liczby przewodów celem ich uziemienia [195-02-23] (w Polsce stosuje się oznaczenie GSU lub MET – to drugie pochodzi od main earthing terminal). Pojęcia używa się raczej w składni: główna szyna uziemiająca.

Rezystywność gruntu (ρE) – rezystywność typowej próbki gruntu PN-EN 50522 [N11].

Rezystywność gruntu – rezystywność charakterystycznej próbki gruntu [195-01-19].

Słowo „zasadniczo” jest w definicjach używane w znaczeniu „w przybliżeniu, prawie” i dotyczy parametrów, które nie mogą być określone liczbą z podaniem dokładności.

Utworzono dwa nowe pojęcia dotyczące klasyfikacji uziomów.

Uziom lokalny – uziom urządzenia elektrycznego lub obiektu, który jest utworzony przez bezpośrednie połączenia mające kontakt z ziemią, czyli gruntem lub betonem (także do uziomu fundamentowego).

Uziom oddalony – uziom urządzenia elektrycznego lub obiektu, który jest do niego przyłączony poprzez elementy niebędące uziomami, np. przewody PE, żyły powrotne kabli, przewody odgromowe.

Przykładami uziomów oddalonych są:

– dla stacji SN/nn uziomy przewodu PE/PEN na trasie linii i u odbiorców,

– uziomy innych stacji SN/nn połączone z uziomem rozpatrywanej stacji żyłami powrotnymi kabli,

– dla słupa, gdzie linia kablowa przechodzi w linię napowietrzną bez przewodów odgromowych, uziom stacji, z której jest wyprowadzona,

– dla stacji 110 kV/SN – uziomy słupów linii 110 kV, ponieważ przyłączone są poprzez przewody odgromowe.

Przeważnie dla ochrony odgromowej ważne są parametry uziomów miejscowych, natomiast dla ochrony przed porażeniami – zarówno uziomów miejscowych, jak i oddalonych.

O klasyfikacji nie decyduje nigdy bezwzględna odległość. Uziom miejscowy stacji 400 kV może mieć rozmiar kilometrów, a uziom przewodu PEN na słupie nn umieszczony w odległości 20÷50 m od uziomu stacji SN/nn jest uziomem oddalonym.

Na rezystancję wypadkową RB uziomu stacji SN/nn wpływa zarówno uziom miejscowy, jak i uziom oddalony.

Podział ten wprowadzono, ponieważ następuje częste mylenie pojęć. Przykład z zasad ochrony odgromowej: „rezystancja uziemienia słupa linii 110 kV ma wynosić 15 Ω”. Znający zasady powie, że chodzi o uziom przy słupie (dobrze, aby w tym jeszcze uwzględnił fundament słupa).

2.6. Definicje z zakresu korozji i elektrochemii

Korozja – niszczenie materiałów pod wpływem chemicznej lub elektrochemicznej reakcji z otaczającym środowiskiem [3].

Korozja chemiczna – korozja występująca w suchych gazach i nieelektrolitach, w wyniku której na granicy faz metalu i gazu tworzy się warstewka produktów utleniania (np. tlenki miedzi, tlenki cynku) [3].

Korozja elektrochemiczna – korozja metali spowodowana procesami elektrochemicznymi, zachodząca wskutek występowania różnych potencjałów na powierzchni korodującego obiektu znajdującego się w elektrolicie.

Korozja elektrochemiczna jednorodnego materiału w elektrolicie – korozja na granicy faz metalu i elektrolitu.

Korozja elektrochemiczna (ogniwo galwaniczne) dwóch materiałów o różnych potencjałach elektrycznych w elektrolicie – korozja w wyniku oddziaływania metalu o wyższym potencjale na drugi metal o niższym potencjale, gdy oba metale są umieszczone w tym samym elektrolicie.

Szereg napięciowy metali – metale uszeregowane według rosnących wartości potencjału normalnego.

Potencjał normalny metalu – potencjały pozostałych elektrod (metali) odniesione do tej elektrody noszą nazwę potencjałów normalnych lub standardowych.

Elektroda wodorowa – elektroda, w której ciśnienie gazowego wodoru wynosi p = 1 atm (101 325 Pa), a aktywność jonów wodorowych równą jedności przyjęto za wzorcową (normalna elektroda wodorowa – NEW); potencjał elektrody wodorowej przyjęto równy zeru (ENEW = 0).

Elektrolit – każda substancja zdolna do jonowego przewodzenia prądu elektrycznego, czyli przekazywania jonowo ładunku między elektrodami.

Wykres Pourbaix – jest zestawieniem danych informujących o możliwości istnienia, w stanie równowagi, metalu, jego jonów lub związków w układzie metal–woda w warunkach standardowych.

Odczyn gleby (pH) – właściwość gleby wyrażona przez stosunek stężenia jonów wodorowych H⁺ do jonów wodorotlenkowych OH– w roztworze glebowym lub roztworze równoważnym z glebą.

Roztwarzanie – proces otrzymywania jednorodnej mieszaniny wieloskładnikowej w wyniku zachodzących reakcji chemicznych między czynnikiem roztwarzającym a stałą substancją roztwarzaną.

Pasywność metalu – metal odporny na działanie czynników chemicznych.

3

Oddziaływanie prądu na organizm człowieka

3.1. Uwagi wstępne

Zagadnienie to jest bardzo dobrze rozpoznane zarówno w wielu publikacjach, jak i dokumentach bardziej oficjalnych, np. raportach IEEE. Z tego powodu nie będzie w szczególny sposób rozwijane. Przyczyną wprowadzenia go do książki jest pojawienie się nowej wersji raportu TS 60479-1 [7] z 2005 r. zamiast 479-1 z 1994 r. [34] z pewnymi zmianami i uzupełnieniami dotyczącymi głównie impedancji ciała człowieka i nowymi oznaczeniami zgodnymi ze współczesnymi tendencjami i normami. W roku 2016 wydano ten sam raport z drobnymi zmianami w stosunku do tego z 2005 r., ale nie miały one większego znaczenia dla treści niniejszego rozdziału. Między innymi w tytułach rozdziałów wprowadzono dla prądu przemiennego zakres częstotliwości 50÷150 Hz, ale tytuły tabel dotyczące tego zagadnienia pozostały bez zmian.

Treść rozdziału dotyczyć będzie głownie prądów przemiennych o częstotliwościach przemysłowych. Zostaną zamieszczone pewne odniesienia dla prądów stałych i o wysokich częstotliwościach.

Porażeniem elektrycznym można nazwać zmiany fizyczne, chemiczne i biologiczne wywołane przepływem prądu elektrycznego przez ciało człowieka. Skutki przepływu prądu przez organizm człowieka zależą od:

a) rodzaju, wartości i częstotliwości prądu, przy tym, jeśli ocenia się porażenie przez prąd z polskiej sieci elektroenergetycznej, można to wymienianie zawęzić wyłącznie do natężenia prądu,

b) czasu trwania rażenia,

c) drogi przepływu przez organizm,

d) indywidualnych cech człowieka,

e) układu planet czy punktu wpływu prądu w znaczeniu akupunktury – są to mało wiarygodne teorie rozwijane przez pseudonaukowców,

f) pory dnia, w której nastąpiło rażenie, przy czym tutaj można znaleźć pewne uzasadnienia, ale są one całkowicie niewymierne.

Zwymiarować można tylko zależność od czynników wymienionych w punktach (a)–(c). Punktu (d) nie uwzględnia się w analizach, przy czym ma on pewne odzwierciedlenie w normie dotyczącej zabawek dla dzieci PN-EN 62115 [N17]. Natomiast punkty (e) oraz (f) są całkowicie odrzucane.

Zaburzeniem, które przeważnie prowadzi do zgonu osoby porażonej, jest fibrylacja, czyli migotanie komór sercowych. Przywrócenie prawidłowej pracy serca jest wówczas możliwe tylko przy użyciu defibrylatora, czyli w akcji ratowniczej konieczny jest udział innych osób. Nieskuteczny jest masaż serca. Ustalenie prądowego progu występowania migotania komór jest bardzo trudne, a wyniki poszczególnych badaczy rozbieżne. Nie ma jakiegoś pewnego i jednego progu wystąpienia fibrylacji. Można dyskutować tylko o prawdopodobieństwie jego wystąpienia przy prądzie o określonej wartości i czasie przepływu.

Do skutków patofizjologicznych porażenia prądem zalicza się także reakcje mięśni, przy czym groźne dla życia są skurcze mięśni klatki piersiowej, które mogą uniemożliwić oddychanie.

3.2. Definicje dotyczące oddziaływania prądu na organizm człowieka

Wszystkie podane definicje zaczerpnięte są z artykułu [6] i raportu [34]. Są to dwa dokumenty międzynarodowe dotyczące tej samej tematyki, ale różniące się tylko datą wydania i pewnymi szczegółami.

Próg odczuwania – minimalna wartość prądu odczuwana przez człowieka, przez którego ten prąd przepływa.

Próg reakcji – minimalna wartość prądu, która powoduje odruchowy skurcz mięśni.

Próg samouwolnienia – maksymalna wartość prądu, przy którym człowiek trzymający elektrody może się od nich uwolnić.

Próg migotania komór serca – minimalna wartość prądu płynącego przez ciało, która powoduje migotanie komór serca.

Współczynnik prądu serca (F) – stosunek natężenia pola elektrycznego (gęstość prądu) w sercu dla określonej drogi przepływu prądu do natężenia pola elektrycznego (gęstość prądu) w sercu, przy prądzie o tym samym natężeniu płynącym na drodze od lewej ręki do stóp.

W normach dodaje się uwagę [PN-EN 50522 [N11]], że gęstość prądu w sercu jest proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego.

W praktyce współczynnik F wskazuje, jaka część prądu rażeniowego przy określonej drodze rażenia płynie przez obszar serca w porównaniu z tym samym prądem przy rażeniu na drodze od lewej ręki do obu stóp.

Okres wrażliwości – stosunkowo niewielka część cyklu pracy serca, podczas której włókna serca są w stanie pobudzenia i występuje migotanie komór, gdy zostają one pobudzone przez prąd elektryczny o dostatecznej wartości.

Okres wrażliwości odpowiada pierwszej części fali (T) elektrokardiogramu i stanowi około 1/10 cyklu pracy serca (patrz rys. 3.8 i 3.9).

Impedancja wewnętrzna ciała ludzkiego (Zi) – impedancja między dwoma elektrodami dotykającymi dwóch części ciała ludzkiego, z pominięciem impedancji skóry.

Impedancja skóry (Zs) – impedancja pomiędzy elektrodą przyłożoną do skóry a przewodzącą tkanką podskórną.

Impedancja całkowita ciała ludzkiego (ZT) – suma wektorowa impedancji wewnętrznej i impedancji skóry (patrz rys. 3.1).

Rezystancja początkowa ciała ludzkiego (RJ) – rezystancja ograniczająca szczytową wartość prądu w chwili pojawienia się napięcia dotykowego.

Ręka sucha – warunki, w których obszar skóry ręki narażony na kontakt odpowiada stanowi u osoby żywej znajdującej się w stanie spoczynku wewnątrz pomieszczenia.

W oryginale pojęcie to brzmi dry condition i nie oddaje przyjmowanego znaczenia. Jeszcze trudniej przetłumaczyć następne pojęcie water-wet condition, co znaczy dosłownie warunki mokrej wody. Dlatego definicję ręki mokrej przyjęto taką, jaka jest w następnym akapicie.

Ręka mokra – warunki, w których obszar skóry ręki narażony na kontakt znajdował się przez 1 minutę w wodzie z wodociągów publicznych o pH w granicach od 7 do 9.

3.3. Impedancja ciała człowieka

Impedancja wewnętrzna ciała ludzkiego może być uznana głównie za rezystancję. Wartość jej zależy głównie od drogi przepływu prądu, a w mniejszym stopniu od powierzchni dotyku. Pomiary wykazują istnienie elementów o niewielkich pojemnościach (linie przerywane na rys. 3.1).

Rysunek 3.2 przedstawia wyrażone w procentach impedancje różnych części wewnętrznych ciała ludzkiego w stosunku do impedancji na drodze ręka–stopa. Dla dróg przepływu prądu ręka–ręka i ręka–stopy impedancje są zlokalizowane głównie w kończynach (ramiona i nogi). Liczby podane pochyloną czcionką położone poza obrysem ciała oznaczają dodatkową impedancję, gdyby przepływ prądu był na innej drodze niż dłoń–stopa – w zaznaczonym punkcie.

Tutaj pewna dygresja i gra słów. Z poprzedniego akapitu wynika, że jednym z końców obwodu rażeniowego jest często stopa. Bardzo wyraźnie – stopa, a nie noga. Drugi koniec obwodu rażenia jest ręką. Powstaje pytanie – ręka czy dłoń? W Słowniku języka polskiego [35] są takie definicje: ręka – kończyna górna człowieka i naczelnych, dłoń – część ciała ludzkiego umieszczona na końcu ręki. A języku angielskim słowo hand oznacza zarówno rękę, jak i dłoń. Zresztą w języku polskim, pomimo opisu w SJP, bardzo często się mówi o dłoni jako o ręce (np. „ściskać rękę”, a nie „ściskać dłoń”; „dotykać ręką”, a nie „dotykać dłonią”). Dlatego wydaje się, że przy analizie impedancji ciała człowieka należy mówić o drodze rażenia dłoń–stopa. Jednakże dla utrzymania polskiej tradycji w książce będzie się dalej używało przeważnie drogę rażenia od ręki.

Rys. 3.1. Impedancja ciała ludzkiego. ZT – impedancja całkowita ciała ludzkiego, Zs – impedancje skóry, Zi – impedancja wewnętrzna ciała ludzkiego z pominięciem skóry

Na rysunku 3.3 pokazano ten sam schemat co na rysunku 3.2, ale uproszczony, jednak wystarczający dla analiz. Zip jest impedancją wewnętrzną jednej kończyny i wynosi Zi/2. Stąd wynikają procenty na różnych drogach rażenia.

W dalszym tekście niniejszego rozdziału stosuje się słownictwo takie jak w normach i większości literatury. Przepływ prądu na drodze ręka–stopy oznacza dotyk wewnętrzną powierzchnią dłoni. Trudno sobie wyobrazić, że dotyk następuje ramieniem, a to też ręka. Zdarzają się takie przypadki w praktyce, ale dość rzadko. Gdyby taki przypadek rozpatrywać, to należy wziąć pod uwagę mniejszą impedancję ciała człowieka (jest autorowi znany przypadek porażenia, i to przy dotyku bezpośrednim, pomiędzy okolicą kolan i stopami).

Zestawienia impedancji całkowitych ciała człowieka zawarte w starszym raporcie [34] i nowym [7] podane są w tabelach 3.1 i 3.2. Zwracają uwagę dość duże różnice, które spowodowały, że współczesne wartości dopuszczalnego napięcia dotykowego rażeniowego różnią się od tych z lat 90. XX wieku. Na rysunku 3.4 porównano krzywe dla 50% populacji, ponieważ one są właśnie wykorzystywane do utworzenia wartości wymienionych w poprzednim zdaniu. Różnica jest wyraźnie widoczna. W starszym raporcie nie rozróżnia się skóry suchej i mokrej, w nowszym już się rozróżnia. W tabelach używa się pojęcia „napięcie dotykowe rażeniowe”, które jest równoważne wyrażeniu „napięcie dotykowe” występującemu w normie PN-EN 50522 [N11]. Wyjaśnienie tego zagadnienia jest w rozdziale 4.

Rys. 3.2. Częściowe impedancje wewnętrzne ciała ludzkiego

Rys. 3.3. Uproszczony schemat impedancji wewnętrznych ciała ludzkiego. Zip – impedancja wewnętrzna częściowa jednej kończyny – ręki lub nogi

Tabela 3.1. Impedancja całkowita ciała człowieka ZT przy przepływie prądu przemiennego 50/60 Hz na drodze ręka–ręka i przy dużej powierzchni dotyku [7]

Napięcie dotykowe rażeniowe, w V

Wartości, których nie przekracza impedancja całkowita ciała odpowiedniej części populacji, w Ω

5% populacji

50% populacji

95% populacji

25

1750

3250

6100

50

1450

2625

4375

75

1250

2200

3500

100

1200

1875

3200

125

1125

1625

2875

220

1000

1350

2125

700

750

1100

1550

1000

700

1050

1500

Wartość asymptotyczna

650

750

850

Uwaga: Niektóre pomiary wykazują, że impedancja całkowita ciała przy przepływie prądu na drodze ręka–stopa jest mniejsza niż dla przepływu prądu na drodze ręka–ręka (od 10 do 30%).

Rys. 3.4. Porównanie wartości ZT, których nie przekracza 50% populacji wg dwóch raportów IEC

O Autorach

dr inż. Witold Hoppel

dr inż. nauk technicznych, specjalność: elektroenergetyka. Od 1972 do 2012 r. był pracownikiem Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Poznańskiej, od 2008 r. na stanowisku docenta. Jest autorem prawie 100 publikacji oraz ponad 250 opraco- wań dla gospodarki. Współpracował praktycznie ze wszystkimi obecnymi oddzia- łami koncernów energetycznych, m.in. prowadząc szkolenia dla ich pracowników.

mgr Robert Marciniak

praktyk – od 1998 do 2009 r. przeprowadził prace badawcze na temat uziemień w krajach Afryki, Europy, Azji i na Bliskim Wschodzie. Skończył podyplomowe studia „Zabezpieczenia przeciwkorozyjne”, jest członkiem Komitetu Technicznego nr 55 w PKN, także członkiem Komitetu Normalizacyjnego TC81X i TC81 Cenelec. Jest również członkiem Polskiego Komitetu Ochrony Odgromowej przy SEP.

Przypisy

Pozostałe rozdziały dostępne w pełnej wersji e-booka.