Dlaczego sieć jest uziemiona? (i dlaczego kiedyś nie była)

You are currently viewing Dlaczego sieć jest uziemiona? (i dlaczego kiedyś nie była)

Witam serdecznie w czwartym artykule z serii Sieć Jednofazowa. Do tej pory mówiliśmy o tym jak taka sieć działa i dlaczego w jej przypadku obwód zawsze musi być zamknięty (najlepiej za pomocą dwóch niezależnych przewodów). Wszystkie dotychczasowe artykuły znajdziesz tutaj:

1# Jak prąd dociera do gniazdka? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

2# Jak działa sieć jednofazowa? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

3# Faza i N’ka – czy do tanga trzeba dwojga? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Bez zbędnego przedłużania… Zaczynamy!

Dzisiejszy artykuł powstał dzięki wsparciu Patronów na Patronite.

Bardzo dziękuję za Wasz wkład!

Czy sieć może działać bez uziemienia?

Z poprzednich artykułów wynika prosty wniosek: źródło, odbiornik i zamknięta pętla to wszystko czego trzeba, by odbiorcy otrzymali energię elektryczną, a dostawcy biegali z taczkami pełnymi pieniędzy. Nic więc dziwnego, że tak właśnie wyglądało to od samego początku.

W 1880 roku Edison stworzył pierwszą prototypową sieć przesyłową prądu stałego, składającą się z jednego przewodu i ziemi (pamiętasz SWER z poprzedniego artykułu? To był jego protoplasta). Niestety w trakcie testów obwodu dochodziło do śmiertelnych przypadków rażenia zwierząt, które akurat znalazły się w obszarze działania linii. Stąd Edison szybko zrezygnował z pomysłu wykorzystania ziemi jako przewodnika i domknął swój obwód normalnym przewodem.

Pracownicy Edisona układający podziemną linię prądu stałego (Nowy Jork, 1882r.); źródło: wikipedia.org

Sieć oparta tylko na przewodach spełniła swoje zadanie (to znaczy nie wywoływała porażenia tam, gdzie jej używano). Tym samym elektryfikacja świata mogła rozkręcić się na dobre. W ciągu kilkudziesięciu kolejnych lat prąd stały został zastąpiony prądem przemiennym, kolejne sieci zaczęły pojawiać się już nie tylko w USA, ale i w Europie, a napięcie przesyłowe rosło do 50 kV w 1905 roku i do 110 kV w roku 1912. Mniej więcej w tym samym czasie zorientowano się, że znacznie lepiej jest przesyłać energię za pomocą trzech przewodów fazowych, a maglowanie częstotliwością nie ma specjalnie sensu i optymalnymi wartościami są te z przedziału 50-60 Hz. Przez cały ten czas, czyli pierwsze 30 lat funkcjonowania, sieci dystrybucyjne nie miały jakiegokolwiek połączenia z ziemią. No bo i po co? Prąd takiego połączenia nie potrzebował, a doświadczenia Edisona pokazały, że mogło to być bardzo ryzykowne.

Wtem, w 1913 roku wszystko się zmieniło, kiedy to Stany Zjednoczone wydały nową wersję oficjalnych przepisów budowy urządzeń elektrycznych (ang. National Electrical Code, w skrócie NEC). Najważniejszym punktem nowelizacji było wprowadzenie tzw. uziemienia roboczego. Pomysł okazał się na tyle trafiony, że chwilę później w ślad za Amerykanami poszli Niemcy, Austriacy, Szwajcarzy i Brytyjczycy, a później, stopniowo, reszta świata. Ostatni bastion tradycyjnej sieci bez uziemienia stanowiła Norwegia, która niedawno również rozpoczęła zakrojoną na szeroką skalę akcję uziemiania swoich linii.

Dlaczego zaczęto uziemiać sieci?

Dopóki nic złego się wydarzy, sieć uziemiona będzie działać tak samo jak sieć nieuziemiona. Co takiego złego się w takim razie działo i dlaczego przez 30 lat to ignorowano? Powód był prosty: w pierwszych latach ekspansji elektryczności odbiorców było niewielu, a sieci nie były zbyt rozległe. Stąd spalone raz na jakiś czas bezpieczniki, zniszczony od święta transformator, czy kilku porażonych odbiorców rocznie nie stanowiło problemu.

A jak coś się psuło, to przyjeżdżała ekipa
(zdjęcie przedstawia serwisantów linii Niagara Falls – Buffalo z początku XX wieku; źródło: reddit.com)

Z biegiem lat, gdy elektryczność opanowała fabryki, a okoliczna ludność nie wyobrażała sobie już życia bez elektrycznego oświetlenia, problemy zaczęły się nawarstwiać. Sieci coraz częściej ulegały awariom, a koszty odszkodowań za pożary i wypadki spowodowane porażeniem zaczęły ,,porażać” ubezpieczycieli (przynajmniej w krajach, w których takie ubezpieczenia istniały, np. w Wielkiej Brytanii). Co w takim razie było źródłem tych wszystkich problemów?

Problem nr 1 – zwarcie doziemne

Sieć nieuziemiona to niezbyt profesjonalne określenie. Dlatego w dalszej części artykułu będę ją nazywał siecią izolowaną. Jeśli kojarzysz oznaczenia typu TN-C, TN-S, TT, IT, to oczywiście w czasach, o których mówimy, takie sieci jeszcze nie istniały. Ale zgodnie z tą terminologią moglibyśmy naszą sieć nazwać siecią typu I (od słowa izolowana, bądź angielskiego odpowiednika isolated). Aby dokładnie objaśnić jak problem nr 1 dotyka naszej sieci typu I, na początek ją sobie narysujmy.

Na powyższym obrazku widzisz fragment sieci dystrybucyjnej całkowicie odizolowanej od ziemi. Jest źródło, czyli stacja transformatorowa, oraz dwa słupy. Póki co nie przejmujemy się odbiorcami energii, bo problem numer 1 dotyczy stricte części sieci wysokiego napięcia.

Powyższa sieć jest naturalnie siecią trójfazową. Wiem, że do tej pory staraliśmy się jej unikać i bazować na jednofazowej, ale dziś na moment przymkniemy na to oko. I jeszcze drobna uwaga: jeśli zastanawiasz się dlaczego ta sieć trójfazowa nie ma przewodu neutralnego to wiedz, że w jej wypadku nie zawsze jest on potrzebny. Przy trzech przewodach fazowych i tak mamy już trzy zamknięte obwody, więc prąd może sobie płynąć bez przeszkód.

No dobrze, przejdźmy teraz do pierwszej „złej rzeczy”, która może się w naszej sieci przytrafić. Załóżmy, że z przyczyn losowych naciąg jednego z kabli fazowych uległ uszkodzeniu, przez co faza ta spadła na ziemię. Taką sytuację nazywamy zwarciem doziemnym.

Przewód leży na ziemi i teraz pojawia się pytanie: co się w takiej sytuacji dzieje? Część osób pomyśli zapewne, że skoro przewód fazowy ma potencjał kilkuset tysięcy woltów, a ziemia ma potencjał 0 V, to pewnie zacznie płynąć jakiś ogromny prąd prosto do ziemi. Sęk w tym, że nic takiego się nie dzieje. Dlaczego? Otóż potencjał ziemi nie ma tutaj absolutnie żadnego znaczenia, bo i elektrony nie mają interesu w tym, żeby do ziemi popłynąć.

Wyjaśnię to na prostym przykładzie:

Wysiadasz z samochodu w suchy, zimowy dzień. Stajesz na ziemi, chwilę sobie tupiesz, po czym opierasz się o karoserię i… Bum! Przeskok iskry! Skąd się wziął? Kiedy wysiadałeś z auta, twoje ubranie tarło o tapicerkę samochodu i wyrwało z niej trochę elektronów. W ten sposób zostałeś naelektryzowany. Zauważ: mimo, że wysiadłeś z auta i stałeś chwilę na ziemi, to elektrony z jakiegoś powodu nie postanowiły do niej popłynąć. Zamiast tego czekały aż dotkniesz samochodu i dopiero wtedy zrealizowały plan ucieczki. Dlaczego? Bo najważniejsza zasada dzisiejszego artykułu brzmi: ELEKTRONY CHCĄ ZAWSZE WRÓCIĆ DO ŹRÓDŁA. Źródłem elektronów, które przejąłeś nie była ziemia, tylko samochód. W przypadku naszej sieci trójfazowej źródłem również nie jest ziemia, tylko transformator. To tam następuje domknięcie obwodu i to tam elektrony chcą popłynąć. Jasne, w przypadku prądu przemiennego elektrony fizycznie nigdy nie dopłyną do transformatora (bo bujają się na boki), ale jak już się bujają, to chcą to robić w tamtym kierunku, a nie w jakimś innym.

Ponawiam zatem pytanie: co dzieje się, gdy jedna z faz izolowanej linii upadnie na ziemię? W świetle powyższego przykładu z karoserią auta, odpowiedź powinna brzmieć: NIC SIĘ NIE DZIEJE. Skoro prąd nie ma powodu, by płynąć do ziemi, to nie płynie, prawda? Niestety sprawa jest nieco bardziej skomplikowane. Może gdybyśmy mieli do czynienia ze znacznie niższym napięciem, to faktycznie nic by się nie działo, ale w przypadku setek tysięcy woltów COŚ się jednak dzieje.

Kondensator powietrzny

W swoim ebooku Krótka Historia Elektryczności pisałem o cudzie techniki jakim było stworzenie kondensatora powietrznego. Eksperyment ten był niezwykle ważny, bo pokazał, że nie istnieje coś takiego jak idealny izolator. Nie jest nim drewno, twarda guma, ani nawet… powietrze. Owszem, tego typu izolatory są wystarczająco dobre, by osłonić nas przed porażeniem w domu, ale niestety wysokie napięcie zmienia nieco reguły gry. Dzieje się co następuje: ziemia, dwie pozostałe fazy u góry i powietrze tworzą dwa kondensatory powietrzne.

Ziemia i fazy są okładkami, powietrze zaś jest izolatorem. Jego warstwa jest wystarczająco gruba, by prąd nie mógł swobodnie popłynąć z ziemi, z powrotem do góry – nie mamy więc tutaj do czynienia z klasycznym zwarciem, przy którym płynie gigantyczny prąd. Mimo to istnienia tych dwóch wirtualnych kondensatorów nie możemy zignorować, bo, jak powszechnie wiadomo, każdy kondensator da się naładować.

Jeśli mamy do czynienia z prądem stałym, to naładowanie dowolnego kondensatora do pełna sprawia, że prąd przestaje płynąć. W naszej linii płynie niestety prąd przemienny, a to oznacza, że nasze kondensatory są co chwilę ładowane, rozładowywane i ładowane przeciwnie. Przy częstotliwości 50 Hz daje to 100 cykli ładowania na sekundę, a więc w naszym układzie nieustannie płynie prąd, który moglibyśmy nazwać prądem pojemnościowym.

Droga prądu pojemnościowego (strzałki wskazują tylko jeden kierunek przepływu, by nie robić bałaganu)

Oczywiście w porównaniu z setkami amperów płynących normalnie w linii, prąd ten nie jest duży – kilka, kilkanaście, a w skrajnych przypadkach kilkadziesiąt amperów (w zależności od warunków atmosferycznych i samego napięcia linii przesyłowej). Moglibyśmy powiedzieć, że zwarcie doziemne w tym wypadku brzmi dużo straszniej, niż w rzeczywistości wygląda – ot taki nieszkodliwy, drobny ,,przeciek”. Ale czy na pewno?

Dlaczego zwarcie doziemne jest niebezpieczne?

Powiedzmy sobie wprost: największe zagrożenie przy zwarciu doziemnym występuje wtedy, gdy uszkodzona linia spadnie nam na dom, albo na samochód, w którym akurat siedzimy (wtedy lepiej nie wysiadać). My jednak prześledzimy nieco bardziej realistyczny przypadek, czyli sieć przebiegającą na terenie słabo zaludnionym. Załóżmy, że na linii stojącej gdzieś w szczerym polu dochodzi do zwarcia doziemnego. Przewód pęka przy słupie, zahacza o niego i za jego pomocą prąd uzyskuje drogę do ziemi. Zaczyna się przepływ prądu doziemnego.

Jeśli ktoś kontroluje taką sieć, to zauważy, że jedna faza zniknęła i najpewniej zareaguje. A co jeśli przewód nie pękł całkowicie, tylko uszkodzeniu uległ jego zaczep i przy podmuchach wiatru przewód ociera się o słup? Wtedy zakłócenia linii są tylko chwilowe i bardzo trudne do wykrycia. Szczególnie w latach 1880-1910, kiedy nie było elektroniki, która pilnowałaby tego za nas.

Efekt jest w każdym razie taki, że prąd doziemny płynie sobie ze słupa, przez jego rdzeń, do ziemi, a stamtąd, przez nasze powietrzne kondensatory, z powrotem do góry. Jeśli zarządca nie wychwyci usterki w tym momencie, to.. cóż, po pewnym czasie i tak się o niej dowie. Dlaczego? Bo prąd doziemny, płynąc przez konstrukcję i zbrojenie słupa, może doprowadzić do jego miejscowego rozgrzania, a nawet wytopienia. Osłabiony słup zacznie wówczas tracić pion i wreszcie runie na ziemię. Wtedy z całą pewnością całą sieć trafi szlag i właściciel może mieć tylko nadzieje, że transformatory krańcowe wyjdą z tego bez szwanku (moim zdaniem marné-szansé, jak to mawiają francuzi).

Brzmi kiepsko? Prawda jest jednak taka, że scenariusz z upadkiem słupa jest tym dobrym zakończeniem. Jeśli bowiem słup wytrzyma i prąd doziemny będzie płynął wystarczająco długo, wówczas z ziemi wokół niego stopniowo odparowywać będzie woda. W końcu opór (a poprawniej impedancja) gruntu będzie na tyle duża, że prąd doziemny przestanie płynąć. Nie oznacza to jednak, że zwarcie zostało zażegnane. W takiej sytuacji, kiedy faza dotyka słupa, prąd nie płynie, a właściciel myśli, że ,,się naprawiło”, cały słup (i ziemia wokół niego) staje się przedłużeniem naszej fazy.

Jeśli teraz jakiś zbłąkany rolnik postanowi podejść i przyjrzeć się co takiego iskrzyło na jego słupie, to może się to skończyć tragicznie. Jeśli postawi on jedną stopę w niebieskim, wyschniętym obszarze, a drugą poza nim, wówczas stanie się dla prądu idealną drogą ucieczki do ziemi, która jest jeszcze trochę wilgotna. Innymi słowy rolnik stanie się mostkiem, przez który na powrót zacznie płynąć prąd o wartości kilku amperów.

Problem nr 2 – przepięcia

Ok, dość o prądzie, czas pomówić o napięciu. Prąd może stopić przewody, słupy i urządzenia, ale napięcie też potrafi robić różne rzeczy. Zacznijmy od tego, że taki przewód fazowy, który spada na ziemię, albo zbliża się do elementów przewodzących, może spowodować przeskok łuku elektrycznego (takiej mini-błyskawicy). Przy czym łuk ten może być samogasnący albo uporczywy. Wiem, oryginalne nazwy, dlatego chciałem je tu przytoczyć. Nie będę jednak przesadnie się nad nimi rozwodził, bo zagadnienia łuków elektrycznych są dość skomplikowane. Dla ciekawskich podlinkuję odpowiednie materiały w bibliografii, a jak sam dobrze zrozumiem temat, to zrobię o nim artykuł.

Dążę do tego, że pojawienie się lub zgaśnięcie łuku elektrycznego powoduje przepięcie. Co to jest przepięcie? Nagły wzrost napięcia powyżej wartości, którą byśmy sobie życzyli. Trudno w kilku słowach wytłumaczyć jak łuk elektryczny powoduje przepięcie, ale jest pewne zjawisko atmosferyczne, które znacznie lepiej trafia do wyobraźni: błyskawica.

Jak grom z jasnego nieba

Wyładowanie atmosferyczne to nic innego jak bardzo krótki impuls prądowy, niosący ze sobą ogromną moc. Kiedy piorun uderza w drzewo, powoduje tak gwałtowne odparowanie wody, że może rozsadzić pień. A znasz kogoś, komu uderzenie błyskawicy zniszczyło komin i przy okazji wysadziło gniazdka? Taka sytuacja może mieć miejsce bez względu na to czy dom jest uziemiony, czy nie. Energii do odprowadzenia jest po prostu tak dużo, że nawet najlepsza i najkrótsza droga do ziemi może być niewystarczająca.

Wyobraź sobie teraz co może się stać gdy piorun uderzy w izolowaną linię wysokiego napięcia. Zaznaczmy od razu, że opcje są dwie: uderzenie w słup lub uderzenie w przewody. Jeśli chodzi o tę pierwszą opcję, to współczesne metalowe słupy całkiem dobrze ją znoszą. Głównie za sprawą tego, że ich podstawa jest głęboko osadzona w ziemi, a impuls prądowy jest zbyt krótki, by rozpuścić tyle żelastwa. Dawne, drewniane wersje nie miały tyle szczęścia, bo przy uderzeniu albo eksplodowały, albo zaczynały się palić.

Sytuacja ma się nieco gorzej, jeśli piorun uderzy w jeden z przewodów. Wtedy energia rozpływa się w dwóch kierunkach, szukając drogi do ziemi. Najprostszą byłby słup, jednak przewód nie jest z nim połączony bezpośrednio, a poprzez tzw. izolatory. Czy to dla błyskawicy wielki problem? Mówimy tutaj o milionach woltów, a każdy izolator ma przecież swoje granice. Jeśli tak duże napięcie przebija kilkukilometrową warstwę powietrza, to jakie szanse ma mały izolator podtrzymujący linię wysokiego napięcia? Odpowiadam: żadne. Efektem są piękne rozbłyski na słupach, poprzez które energia dostaje się tam gdzie chce: przez izolator, na konstrukcję słupa, do ziemi.

Przebicia na izolatorach linii wysokiego napięcia; źródło: quora.com

Po kilku takich przebiciach energia spada na tyle, że dalsze przebijanie izolatorów staje się niemożliwe. Wtedy impuls pędzi przewodami dalej, gdzie czekają go dwie skrajne stacje transformatorowe. Przypominam: sieć jest odizolowana od ziemi, więc uzwojenia transformatorów również. W takim układzie mogą nastąpić dwie rzeczy. Jeśli stacja była blisko źródła uderzenia i zbyt dużo energii nie zostało wytracone na słupach, to taki transformator będzie kolejną okazją do przebicia (w końcu z jego obudowy do ziemi jest już baaardzo blisko). Jeśli do przebicia doziemnego nie dojdzie, to przepięcie może spróbować przeskoczyć na drugie uzwojenie transformatora. Stamtąd jest już prosta droga na przykład do naszych domów i sprzętów, w których odległości między przewodami, a obudowami są niezwykle małe i nie potrzeba wiele energii, by je sforsować.

Problem nr 3 – elektryczność statyczna

Uderzenie pioruna wtłacza do linii ekstra energię, która nie powinna tam być i która nie chce tam być. Ale nawet jeśli postawimy linię w obszarze rzadko nawiedzanym przez burze, to nie możemy liczyć na to, że będzie ona wolna od przepięć.

Czytałeś moje artykuły z serii elektrostatyka? Mówiłem tam o tym, że jeśli gdzieś jest za dużo elektronów, to rośnie tam potencjał. Z kolei jeśli elektronów jest za mało, to potencjał maleje. Każda linia wysokiego napięcia otoczona jest drzewami, pagórkami, jakimiś budynkami, a wszędzie dokoła hula wiatr i przeróżne rzeczy bombardują słupy i kable. W trakcie zderzeń, cząstki są odzierane z elektronów, które, z braku innej możliwości, chętnie wskakują na taką metalową linię. Niestety w przypadku linii izolowanej nie mają już łatwej drogi powrotu.

Oczywiście zgromadzony w ten sposób ładunek elektrostatyczny może się naturalnie rozładować. Wystarczy, że przyjdzie deszcz, którego krople są jak winda prowadząca na ziemię. Ale co jeśli przez dłuższy czas będzie sucho i na linii będzie zbierać się więcej ładunku, niż go ubywać?

Wówczas napięcie linii względem ziemi będzie rosło. Sytuacja jest tu zgoła odmienna od tej znanej z wyładowania atmosferycznego. Tam dochodziło do bardzo szybkiego zjawiska i jego równie szybkiego (oraz efektownego) zaniku. W przypadku elektrostatyki potencjał będzie rósł powoli i prawdopodobnie nigdy nie dojdzie do poziomu pozwalającego elektronom przeskoczyć przez izolator na słup, albo przebić transformator. A co z ciałem człowieka i naszym domowym sprzętem?

Listwy, listewki, ładowareczki; źródło: piqsels.com

Aby użytkowanie elektryczności było bezpieczne, napięcie w naszych gniazdkach wynosi 230 V. Nie mam tutaj na myśli, że takie napięcie samo w sobie jest bezpieczne. Chodzi raczej o to, że możemy spokojnie żyć w jego otoczeniu, dopóki nie dotykamy gołych przewodów. Na szczęście mają one swoją izolację, więc teoretycznie nic nam nie grozi. Problem w tym, że ich izolacja projektowana jest tak, by wytrzymać napięcie kilkuset woltów. A co jeśli ładunek elektrostatyczny sprawi, że napięcie wzrośnie do 1000 V? Albo 2000 V?

Wraz ze wzrostem napięcia coraz lepsze izolatory przestają być dla elektronów problemem. W pewnym momencie taka obudowa lodówki stojącej na ziemi może stać się na tyle kusząca, że elektrony sforsują izolację przewodu i tą drogą uciekną do ziemi. Takim sposobem ucieczki możemy stać się również my, gdy będziemy podłączać odkurzacz, albo żelazko. Ponadto każdemu przebiciu izolacji towarzyszy zwykle iskra, która na przełomie XIX-XX wieku była głównym powodem pożarów w podłączanych do sieci domach.

Jak uziemienie sieci rozwiązało wszystkie problemy?

Problem nr 1 – zwarcie doziemne

Pamiętasz problem nr 1? Ten, w którym faza pęka, prąd doziemny płynie, słup się grzeje i przewraca, a rolnik musi ostrożnie stawiać stopy? To właśnie o nim powiem Ci najpierw, bo jego rozpracowanie było doprawdy nietuzinkowe.

Kiedy czołowi badacze elektryczności głowili się jak nie dopuścić do przepływu prądu doziemnego albo jak ograniczyć jego skutki, ktoś wpadł na pomysł (nie wiadomo kto, pewnie jakiś Amerykanin), by pójść zupełnie nieintuicyjną drogą: zamiast redukować prąd doziemny, sprawmy, by był on największy jak się da!

Jak to zrobić? Skoro prąd doziemny wpływa do ziemi i próbuje wrócić do góry, to ułatwmy mu tę drogę. W tym celu wystarczy wbić w stacji transformatorowej jakiś gruby pręt w ziemię i podpiąć go do pozostałych faz. W ten sposób prąd zyskuje drogę znacznie łatwiejszą od tej prowadzącej przez powietrzne kondensatory.

Tak jak sieć izolowaną nazywaliśmy siecią typu I, tak teraz, po jej uziemieniu, możemy nazwać ją już siecią typu T. Dlaczego tak? Otóż litera T pochodzi od francuskiego terre oznaczającego ziemię. Ciekawostka jest taka, że Francja była ostatnim krajem Europy Zachodniej, który wprowadził jakiekolwiek przepisy o ochronie przeciwporażeniowej. Dlaczego w takim razie to ich normy i nazewnictwo stały się wzorem dzisiejszych standardów? Trudno powiedzieć.

Wróćmy może jednak do tematu uziemienia, które historycznie wykonywano na 3 sposoby: najpierw był wspomniany już kawał metalu wbity w ziemię, później wymyślono uziemianie przez rezystor oraz przez tzw. cewkę Petersena. Pierwszy sposób, zdecydowanie najprostszy, nie jest jednocześnie najlepszy, ale za to jest diabelnie skuteczny (pewnie dlatego nazywamy go uziemieniem skutecznym). Jeśli bowiem do awarii i zwarcia doziemnego nie dojdzie jakoś baaaardzo daleko (a w dawnych czasach sieci nie były rozległe), wówczas ziemią popłynie gigantyczny prąd. Jak duży? Mówimy tu o tysiącach amperów, a więc wartościach mogących bez trudu rozgrzać transformator do białości i całkowicie go zniszczyć. Nie brzmi rozsądnie? Całość nabiera sensu dopiero wtedy, gdy na fazach założymy bezpieczniki, które wytrzymują kilkaset amperów, ale powyżej pewnej wartości topią się od razu.

Rezultat jest taki, że w momencie zwarcia doziemnego jednej z faz, już pierwszy impuls prądu doziemnego przepala przynajmniej jeden bezpiecznik (zwykle ten z uszkodzonej fazy). Prąd się wtedy wyłącza i ani transformator, ani słup nie ulegają uszkodzeniu, bo są obiektami znacznie masywniejszym i potrzeba więcej czasu, by wyrządzić im szkodę. Tym sposobem awarii ulega jedynie bezpiecznik, który jest elementem łatwo wymienialnym. Oczywiście powyższy sposób to dość duże uproszczenie, bo współczesne systemy zabezpieczenia przed zwarciem doziemnym są znacznie bardziej zaawansowane. Mam jednak nadzieję, że sama koncepcja jest w miarę jasna.

Problem nr 2 i 3 – przepięcia i elektryczność statyczna

Pamiętasz co działo się, gdy piorun uderzył w sieć izolowaną? Wówczas cała ta dodatkowa energia nie miała za bardzo jak spłynąć do ziemi i musiała rozwalać izolatory oraz transformatory. W sieci uziemionej typu T problem ten częściowo zanika. Owszem, sieć dalej może ulec awarii, bo błyskawica to niewyobrażalna siła, ale przynajmniej po dotarciu do stacji transformatorowej większość energii odpłynie uziemieniem, nie powodując większych strat.

Współczesne sieci posiadają oczywiście znacznie więcej zabezpieczeń przed wyładowaniami atmosferycznymi, jak choćby specjalny uziemiony przewód prowadzony na szczycie słupów. O tym jednak opowiemy sobie innym razem.

A co ze wzrostem potencjału spowodowanym elektrycznością statyczną? W sieci uziemionej typu T problem ten, najprościej mówiąc, przestaje istnieć. Za sprawą uziemionej stacji transformatorowej elektrony mają wymarzoną wręcz drogę, by sukcesywnie zeskakiwać z linii, dzięki czemu potencjał nie ma szans wzrosnąć choćby odrobinę.

I co… To tyle?

Myślę, że tak, choć zdaje sobie sprawę, że mogłem poruszyć nieco więcej wątków. Osoby zainteresowane rozwinięciem wątku uziemiania przez rezystor (Francuzi byli jej fanami, tak na marginesie) oraz przez cewkę Petersena zapraszam do bibliografii. Zamieściłem tam namiary na artykuł pana Edwarda Musiała, który przedstawił te zagadnienia w bardzo przystępny sposób.

My tymczasem pędzimy dalej. W kolejnym artykule do naszych sieci typu I oraz typu T dołożymy kolejną literkę. Opowiem wówczas czym są sieci typu TN, TT i IT, która z topologii jest najpopularniejsza na świecie, dlaczego Norwegowie tak długo stosowali sieci izolowane i czemu do dziś są one nieodzowne w szpitalach i kopalniach.

Do usłyszenia!


Dzięki za poświęcony czas!


Bibliografia

  1. Ochrona od porażeń w układach IT, TT i TN. Współdziałanie dwóch różnych układów w jednej instalacji – E. Musiał, Politechnika Gdańska, 2012 (http://www.edwardmusial.info/pliki/ochrona_it_tt_tn.pdf , dostęp: 25.10.2021)
  2. Analiza przepięć ziemnozwarciowych w sieciach rozdzielczych – P. Oramus, J. Furgał, Przegląd Elektrotechniczny, nr 6/2015, strony 149-152
  3. Elektroenergetyka w zarysie, Przesył i rozdział energii elektrycznej – I. Wasiak, Politechnika Łódzka, 2009
  4. Instalacje elektryczne w obiektach budowlanych – B. Lejdy, M. Sulkowski, PWN, 2019

Podobało się? Zajrzyj na
PATRONITE
i wspieraj moją dalszą pracę!
Krótka Historia Elektryczności
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Pewnie!

Ten post ma 19 komentarzy

  1. Szymon

    Co ty chłopie piszesz? Przecież go zabije jak dotknie drugą ręką drugiego bolca. No ale fakt będzie świecić jaśniej. XD AAA chyba że chodziło o bolec uziemiający, dobra nie ważne.

  2. Andrzej

    Witam serdecznie,
    Bardzo dziękuję za Pańskie artykuły, które wciągają jak najlepszy serial… Brakuje mi czasu, chociaż chciałbym przeczytać za każdym razem dalej i dalej i dalej. Moje zainteresowanie tematyką elektryczności wyniknęło przy okazji zamiaru zainstalowania instalacji fotowoltaicznej na gruncie w ogrodzie. Pan elektryk z firmy, która ma ją zamontować zaproponował : panele na konstrukcji metalowej w ogrodzie a pod panelami falownik. Od falownika, około 70 m do domu do rozdzielnicy, w ziemi ma być poprowadzony kabel miedziany 4 żyłowy x 6mm2 ( 3 fazy i neutralny ). Zapytałem elektryka dlaczego nie chce dać kabla 5 żyłowego , czyli dodatkowego przewodu uziemiającego w celu wyrównania potencjałów . Odpowiedział, że nie ma takiej potrzeby, bo dom już ma swoje uziemienie, a konstrukcja metalowa pod panele będzie miała swoje uziemienie. Trochę zacząłem czytać i zazwyczaj jest napisane, że od falownika do przyłącza powinien być kabel 5 żyłowy. Mam zatem dwa pytania do Pana :
    1. Czy elektryk ma rację i nie będzie błędem zastosowanie kabla AC bez przewodu uziemiającego ?
    2. Jeżeli takie połączenie jest błędne, to jakie mogą być skutki i jak wytłumaczyć elektrykowi po co jest potrzebny dodatkowy przewód uziemiający.
    Jestem laikiem i brak mi wiedzy aby ocenić poprawność takiej instalacji i przedstawić elektrykowi odpowiednie argumenty.
    Temat może zainteresować więcej osób, bo fotowoltaika jest coraz bardziej popularna, a słyszy się o błędach w montażu i pożarach instalacji.
    Pozdrawiam Pana i wszystkich zainteresowanych elektrycznością.

    1. Artur Szulc

      Dzień dobry,
      Nie jestem zawodowym elektrykiem montującym instalacje PV, więc w tej kwestii nie mam odwagi doradzać. Jako automatyk miałem jednak sporo do czynienia z falownikami/przemiennikami częstotliwości wszelkiej maści i w tej sprawie mogę się wypowiedzieć. A zatem: jeśli chodzi o falowniki, to cała ich elektronika spoczywa zazwyczaj na metalowym radiatorze i jest przykryta plastikową obudową. Radiator ma specjalne wycięcia pod śruby, dzięki czemu cały falownik można bez trudu przykręcić do ściany, metalowej konstrukcji lub płyty. W ten sposób wiele osób może mieć wrażenie, że falownik jest poprawnie uziemiony, bo metal dotyka metalu. Mimo to, jeśli weźmiesz dowolny falownik i otworzysz jego instrukcję obsługi, to w każdym przypadku zauważysz, że producent wyraźnie pisze i zaznacza obrazkowo, że do falownika należy doprowadzić niezależny przewód uziemiający. Falowniki mają nawet specjalną śrubkę do przyłączenia takiego przewodu. Tak przynajmniej jest w falownikach przemysłowych – czy falowniki do instalacji PV mają takie same wymagania? Trudno mi powiedzieć, najlepiej to sprawdzić.
      Dlatego najlepsze rozwiązanie dla Ciebie jest takie: jeśli masz falownik, to przejrzyj jego instrukcję i sprawdź, czy i w jakich sytuacjach wymaga on przewodu żółto-zielonego. Dla mnie instrukcja producenta to rzecz święta, bo jeśli będzie potrzeba skorzystania z gwarancji, to tylko montaż zgodnie z instrukcją daje Ci pewność, że zostanie ona uwzględniona.
      Jeśli instrukcja podana przez producenta nie przekona elektryka, to pozostaje albo powiedzieć, że to ty decydujesz jako inwestor, albo zmienić wykonawcę.
      Jeśli nie masz fizycznej instrukcji falownika, ale znasz jego model, to taką instrukcję na pewno znajdziesz w internecie.

    2. Artur Szulc

      Dodam jeszcze, że być może elektryk zamierza podłączyć do falownika PE, ale po prostu połączyć go z konstrukcją paneli, zamiast ciągnąc do samego domu. Trudno mi powiedzieć, czy jest to dobre rozwiązanie – być może w instrukcji falownika będzie coś na ten temat. Dochodzi tu bowiem kwestia ochrony przed wyładowaniami atmosferycznymi obiektów oddalonych od budynku głównego. Polecam też poszukać na facebooku jakiejś grupy skierowanej do użytkowników albo monterów instalacji PV. Oczywiście na grupach takich znajduje się cała masa pseudo-fachowców, ale przy większej liczbie porad łatwiej będzie odsiać te dobre od tych złych.

      1. Andrzej

        Witam serdecznie,
        Artur dziękuję za wyjaśnienia. Falownik zgodnie z instrukcją powinien mieć przewód uziemiający PE podłączony do obudowy. Elektryk zrobi uziemienie konstrukcji paneli o rezystancji mniejszej od 10 ohm i z tego uziemienia dodatkowo pójdzie przewód na obudowę falownika. Jednak falownik ma po stronie AC pięć wyjść, łącznie z PE. W instrukcji jest napisane : Punkt PE na porcie wyjściowym AC jest używany tylko jako punkt ekwipotencjalny PE i nie może zastępować punktu PE znajdującego się na obudowie. Dlatego moje wątpliwości . Czy brak przewodu PE do wyrównania potencjałów może być niebezpieczny ? Czy jego brak oznacza, że potencjał obudowy uziemionego falownika będzie inny od potencjału np. na obudowie pralki ? Odległość falownika od przyłącza w domu to 70m. Jeszcze jedno. Okazuje się, że gniazdka w domu mają bolec, ale nie podłączony. Są tylko dwa przewody neutralni i fazowy. Czyli pralka i inne urządzenia nie są chronione ? Sprawdziłem, że jest to sieć TT. Podobno nie można w takiej sieci łączyć przewodu neutralnego z kołkiem ochronnym w gniazdkach. Czy to prawda ? Jak wtedy mają być chronione urządzenia ?

  3. Kamil

    Witam , doceniam bardzo wszystkie Pana można by rzec internetowe wykłady i dziękuje za regularne wstawianie.
    Mam jedno zasadnicze pytanie , jak elektrony to robią że przez ziemie łączą się z punktem neutralnym transformatora i zamykają w ten sposób obwód oraz dlaczego zbyt dużą energię można po prostu posłać do ziemi?Pewnie źle coś rozumuję ale z góry dziękuje za odpowiedź.

    1. Artur Szulc

      Elektrony płyną zawsze do źródła. Jeśli zabierzesz je z ziemi i poślesz w niebo, to one bardzo chętnie na tę ziemię wrócą. Najczęściej poprzez błyskawicę. Jeśli energia nie pochodzi oryginalnie z ziemi to niekoniecznie będzie chciała tam wrócić.
      A jak elektrony przez ziemię łączą się z punktem neutralnym transformatora? Wyobraź sobie ziemię łączącą twój dom z transformatorem jako długi kabel niezbyt dobrej jakości. Elektrony płyną nim tak samo jak każdym innym, tyle że wolniej, bo ziemia ma niższą przewodność. Niestety jest ona wystarczająco duża, by zrobić nam krzywdę.

      1. Kamil

        a co jeśli napotkają po drodze punkt neutralny innego transformatora? Wiedzą do którego mają wrócić?Pozdrawiam

        1. Artur Szulc

          Wiedzą, bo tylko jeden transformator je „przyciąga”. Ten, który stanowi domknięcie obwodu. Nic poza źródłem, z którego pochodzą, nie ma znaczenia.

          1. Kamil

            Mam jeszcze jedno pytanie jeśli można czy teoretycznie gdyby punkt neutralny transformatora nie byłby uziemiony czyli była by to sieć typu I , czy gdybyśmy dotknęli fazy to nie kopnąłby nas prąd bo nie domkneli byśmy obwodu?

          2. Artur Szulc

            W sieci typu I dotknięcie dowolnego przewodu jest dla nas bezpieczne (o ile przewód ten nie jest w innym miejscu uszkodzony).

  4. Konrad

    To czy to jest dobre rozumowanie, że w przykładzie z probówką prąd płynie z fazy, przez probówkę i przez ciało człowieka do ziemi (bez względu na posiadane aktualnie obuwie) i przez ziemię aż do punktu neutralnego transformatora który jest uziemiony? (Pomimo tego, że transformator może być oddalony o kilka kilometrów od punktu w którym stoimy?) Pytam konkretnie o fakt przewodnictwa gruntu, bo jeżeli moje rozumowanie jest słuszne (a może nie być) to nie potrafię sobie wyobrazić przepływu prądu przez ziemię aż do transformatora.

    1. Artur Szulc

      Współcześnie nasze domy wyposażone są w uziemiony, żółto-zielony przewód. Stąd prąd musi przebyć niewielką odległość w ziemi, by wskoczyć na ten przewód i dalej popłynąć nim do transformatora. Bez tego przewodu faktycznie dzielił by nas od transformatora spory kawałek ziemi i płynący prąd prawdopodobnie nie byłby w stanie rozpalić diody probówki. Nie zmienia to faktu, że jakiś mikroskopijny prąd by płynął i nie ma w tym nic dziwnego. Prądy płyną w ziemi i powietrzu bez ustanku. Czy wiesz, że przy słonecznej suchej pogodzie, nad płaskim gruntem, napięcie między gruntem, a czubkiem twojej głowy może wynosić od 100 do 200 V? To sprawia, że między twoim ciałem, powietrzem i ziemią bez ustanku dochodzi do wymiany ładunków elektrycznych i przepływu mikroprądów. Niestety żarówki tym nie zapalisz 🙂

      1. Konrad

        Dziękuję za szybką odpowiedź, rozjaśniło mi to sprawę ale postawiło kolejne pytanie, a ciekawość nie pozwala mi przestać pytać. Co w przypadku sieci TN-C jeżeli mamy tylko przewód PEN? (Przyjmuję, że w budynku nie ma rozdziału PEN na PE i N ani żadnego doziemienia) Z informacji które zdążyłem nabyć wynika, że przewód ten będzie najprawdopodobniej uziemiony najbliżej na którymś słupie. Jeżeli taki słup byłby zbyt daleko od nas to probówka mogła by nie zaświecić? Czy raczej PEN jest „doziemiany” wystarczająco często, żeby taka sytuacja nie mogła mieć miejsca?

        1. Artur Szulc

          Zbyt dużo zmiennych, by odpowiedzieć na to jednoznacznie. Prąd między nami a ziemią będzie płynął zawsze, ale od rezystywności gruntu, naszej izolacji od ziemi i odległości od słupa zależy jak duży on będzie. Probówka ma pewien próg poniżej którego nie rozbłyśnie. Kiedyś w pracy założyłem buty na dość grubej, gumowej podeszwie i probówka świeciła tak słabo, że musiałem drugą ręką dotykać obudowy badanego urządzenia, by być pewnym na sto procent, że napięcie jest. Zrób sobie zresztą prosty test: załóż buty, albo stań na czymś gorzej przewodzącym i włóż probówkę go gniazdka. Świeci? Pewnie świeci. A teraz palcem drugiej ręki dotknij bolca w gniazdku. Świeci jaśniej? Właśnie zmniejszyłeś rezystancję obwodu 🙂

          1. Konrad

            Dziękuję za odpowiedzi. Wnioskował bym jeszcze, w miarę możliwości oczywiście, o poruszenie kiedyś tematu prądu chcącego wrócić zawsze do źródła (jeżeli jest w ogóle o czym pisać). Pozdrawiam

  5. Paweł

    Dziękuję za odpowiedz chociaż dalej nie wiele rozumiem? chodzi mi oczywiście o moje pytania związane z siecią jednofazową.Pomysł z drugim artykułem rewelacja tam można by to wyjaśnić.Miałbym dodatkowe pytanie które śmiało mogło by się znaleźć w kolejnym opracowaniu.Dlaczego uziemienie jakiegoś punktu obwodu elektrycznego nie zmienia rozpływu prądu?
    No nic nie pozostało mi nic innego jak uzbroić się w cierpliwość i czekać na kolejne wspaniałe artykuły i rozwiązanie moich pytań :)))) pozdrawiam

  6. Paweł

    Bardzo fajny i ciekawy artykuł, śmiało można napisać że został poruszony wstęp do układów trójfazowych i układów sieci nn.
    Miałbym jednak pytanie z podstaw układu jednofazowego.bo nie zostało to jasno wytłumaczone albo po prostu ja tego nie ogarniam.
    To jak to w końcu jest z tym prądem przemiennym jest? Czym właściwie się różni przewód fazowy od neutralnego bazuję na rysunku z artykułu Jak działa sieć jednofazowa(ostatni rysunek z domkiem)
    Czy według tego konkretnego rysunku potencjał dodatni lub ujemny pojawi się raz na przewodzie fazowym następnie na neutralnym? teoretycznie mamy tak jakby dwa przewody fazowe(neonówka będzie świecić na jednym i na drugim) w takim układzie przewody niczym się od siebie nie różnią ,śmiało możemy nazwać zarówno fazę jako N a przewód neutralny jako L. Przypominam że rozpatrujemy tylko ten przypadek z rysunku bez żadnego uziemienia które za pewne dużo zmieni tylko co?(tak wiem zostało to jakby wyjaśnione w ostatnim artykule ale … ) Tu mi właśnie brakowało odpowiedzi takiej dosadnej w najnowszym artykule na zadane wcześniej pytania ?
    • dlaczego to właśnie przewód neutralny jest uziemiony?
    • co daje jego uziemienie?
    Bardzo bym prosił o wyjaśnienie mi tych wątpliwości? czy to w komentarzu czy w następnym artykule lub jak by nie był to problem aktualizacji do artykułu. Było by super

    1. Artur Szulc

      Cześć Paweł!

      No tak, zabrakło odpowiedzi na te pytania, bo ewidentnie zbyt wcześnie je postawiłem. Żeby dokładnie wyjaśnić dlaczego N’ka to N’ka, a faza to faza i czemu jeden przewód kopie, a drugi nie, muszę poczynić pewnie przygotowania. Dzisiejszy artykuł był pierwszym z nich, być może potrzebny będzie jeszcze jeden.
      Spróbuję jednak odpowiedzieć Ci w komentarzu, byś nie musiał czekać kolejne 2-3 tygodnie 🙂
      Zacznijmy od tego, że aby probówka świeciła w normalnej sieci, musisz zrobić dwie rzeczy: przyłożyć jej metalowy koniec do elementu pod napięciem i przyłożyć kciuk do metalowego kapsla na jej drugim końcu. Bez przyłożenia kciuka, probówka nie może zaświecić. Dlaczego? Bo probówka to zwykła żarówka i świeci tylko wtedy, gdy płynie przez nią prąd. Przykładając palec zamykasz obwód faza – ty – ziemia – N’ka (która jest uziemiona)
      Dlatego właśnie w sieci nieuziemionej probówka NIE ZAŚWIECI, bez względu na to czy przyłożysz ją do fazy, czy do N’ki. Powodem jest fakt, że nie zamykasz w ten sposób żadnego obwodu. Aby zaświeciła, musiałbyś przyłożyć ją do jednego przewodu i drugą ręką dotknąć drugiego przewodu. Aczkolwiek nie polecam tego próbować.
      I taka jest właśnie podstawowa różnica, jaką robi uziemienie. Z nim probówka zadziała, bez niego jest bezużyteczna 🙂

Dodaj komentarz