Dimensionarea prizei de pământ. Scheme de legare la pământ

Dimensionarea unei prize de pământ[1] este un proces esențial pentru a asigura o rezistență de împământare corespunzătoare și o funcționare sigură a sistemului electric. Aceasta presupune determinarea numărului, tipului și dimensiunilor electrozilor de pământ, precum și a modului de dispunere a acestora, în funcție de rezistivitatea solului și de cerințele sistemului electric. În continuare vom prezenta principalii pași și factori de luat în considerare.

1. Măsurarea rezistivității solului

• Rezistivitatea solului \((\rho\)) este un parametru-cheie care influențează dimensionarea prizei de pământ. Aceasta se măsoară în \(\Omega \cdot m\) (ohm-metri) și variază în funcție de:
  • tipul de sol (nisip, argilă, rocă etc.);
  • umiditatea solului;
  • temperatura și conținutul de săruri.
• Pentru determinarea rezistivității solului se folosesc metode de măsurare, precum metoda Wenner (sau metoda celor patru electrozi).

2. Calculul rezistenței de împământare

• Rezistența de împământare \((R)\) trebuie să fie cât mai mică, pentru a asigura o dispersie eficientă a curentului electric. Aceasta depinde de:
  • rezistivitatea solului \((\rho\));
  • dimensiunile și numărul electrozilor;
  • modul de dispunere a electrozilor.
• Formule de calcul:
  • Pentru o tijă verticală:
    \( R = \frac{\rho}{2\pi L}\left(\ln\frac{4L}{d} – 1\right) \)

    unde:

    • \(L\) = lungimea tijei (m);
    • \(d\) = diametrul tijei (m).
  • Pentru o placă orizontală:
    \( R = \frac{\rho}{4r} \)

    unde:

    • \(r\) = raza plăcii (m).
  • Pentru mai mulți electrozi:

    Rezistența totală se calculează ținând cont de influența reciprocă a electrozilor (efect de ecranare).

3. Stabilirea rezistenței maxime admise

• Rezistența de împământare trebuie să respecte normele locale și standardele internaționale (de exemplu, IEEE, IEC). De regulă:
  • pentru instalații electrice de joasă tensiune: rezistența maximă admisă este de \(4\,\Omega\) sau mai mică;
  • pentru instalații de înaltă tensiune sau stații de transformare: rezistența poate fi de \(1\,\Omega\) sau mai mică.

4. Alegerea tipului și a dimensiunilor electrozilor

• Tije verticale:
  • Lungimea: între 2 și 3 metri.
  • Diametrul: între 12 și 20 mm (pentru cupru sau oțel călit).
• Plăci orizontale:
  • Dimensiuni: de exemplu, 500 x 500 mm sau 1000 x 1000 mm.
• Benzi sau cabluri:
  • Secțiunea: 50 mm² sau mai mare.

5. Dispunerea electrozilor

• Electrozi verticali:
  • Se pot instala mai multe tije la o distanță minimă de dublul lungimii tijei, pentru a minimiza efectul de ecranare.
• Electrozi orizontali:
  • Se pot așeza în formă de stea, linie dreaptă sau plasă, în funcție de spațiul disponibil.
• Combinații:
  • Se pot combina tije verticale cu benzi orizontale, pentru a obține o rezistență mai mică.

6. Verificarea și optimizarea

• După instalare, se măsoară rezistența de împământare cu un telurmetru.
• Dacă rezistența de împământare este prea mare, se pot lua măsuri de optimizare, cum ar fi:
  • adăugarea de electrozi suplimentari;
  • utilizarea materialelor chimice (sare, bentonită) pentru a reduce rezistivitatea solului;
  • creșterea lungimii sau a numărului de electrozi.

7. Exemplu practic de dimensionare

• Date de intrare:
  • Rezistivitatea solului: \(100\,\Omega \cdot m\).
  • Rezistența de împământare dorită: \(5\,\Omega\).
• Soluție:
  • Se instalează o tijă de cupru de 2,5 m lungime și 16 mm diametru.
  • Rezistența estimată:
    \( R \approx \frac{100}{2\pi \cdot 2{,}5}\left(\ln\frac{4 \cdot 2{,}5}{0{,}016} – 1\right) \approx 34{,}6\,\Omega \)
  • Pentru a obține \(5\,\Omega\), se instalează 6 tije la o distanță de 5 m între ele.

Dimensionarea prizei de pământ este un proces complex, care necesită cunoașterea condițiilor solului, a cerințelor sistemului electric și a normativelor aplicabile. O dimensionare corectă asigură siguranța persoanelor și a echipamentelor, precum și o funcționare optimă a instalației electrice.

Scheme de legare la pământ

Schemele de legare la pământ (denumite și sisteme) sunt esențiale pentru asigurarea siguranței și funcționării corecte a instalațiilor electrice. Ele definesc modul în care conductoarele și echipamentele electrice sunt conectate la pământ pentru a preveni electrocutarea, a proteja împotriva supratensiunilor și a asigura stabilitatea sistemului electric. Schemele descriu: – cum este conectat neutrul sursei, – cum sunt legate masele (carcasele) echipamentelor la pământ, – relația dintre conductoarele L, N, PE.

1. Sistemul TN (Terra-Neutral)

• Caracteristici:
  • Punctul neutru al sursei (transformatorului) este legat direct la pământ.
  • Părțile conductoare ale instalației (cum ar fi carcasa echipamentelor) sunt legate la pământ prin intermediul conductorului de protecție (PE).
• Variante:
  • TN-S: Conductorul neutru (N) și conductorul de protecție (PE) sunt separați pe toată lungimea instalației.
    • Sistem utilizat în clădiri moderne.
    • Asigură o protecție bună împotriva curenților de defect.
  • TN-C: Conductorul neutru (N) și conductorul de protecție (PE) sunt combinați într-un singur conductor (PEN).
    • Sistem mai simplu și mai economic, dar mai puțin sigur.
    • Utilizat în instalații mai vechi.
  • TN-C-S: Combinație între TN-C și TN-S. În prima parte, neutrul și protecția sunt combinate (PEN), iar apoi sunt separate.
    • Sistem utilizat în instalații mixte.

2. Sistemul TT (Terra-Terra)

• Caracteristici:
  • Punctul neutru al sursei este legat la pământ.
  • Părțile conductoare ale instalației (masele echipamentelor) sunt legate la o priză de pământ proprie, independentă de cea a sursei.
  • Curentul de defect se închide prin pământ, ceea ce face ca protecția să necesite dispozitive diferențiale (RCD).
• Aplicații:
  • Sistem utilizat în zone rurale sau unde sistemul TN nu este fezabil.
• Avantaje:
  • Simplu de implementat.
• Dezavantaje:
  • Rezistența de împământare trebuie să fie foarte mică, pentru a asigura funcționarea corectă a RCD-urilor.

3. Sistemul IT (Izolat-Terra)

• Caracteristici:
  • Punctul neutru al sursei este izolat de pământ sau legat la pământ printr-o impedanță mare.
  • Părțile conductoare (masele echipamentelor) ale instalației sunt legate la o priză de pământ.
• Aplicații:
  • Utilizat în instalații critice, cum ar fi spitalele, centralele electrice sau platformele petroliere.
  • Asigură continuitatea alimentării chiar și în cazul unui prim defect la pământ.
• Avantaje:
  • Siguranță ridicată, deoarece primul defect nu provoacă deconectarea instalației. La primul defect de izolație, curentul de defect este foarte mic, iar alimentarea nu se întrerupe imediat (este permisă funcționarea controlată).
• Dezavantaje:
  • Necesită o monitorizare continuă a izolației, pentru a detecta primul defect.

4. Comparație între sistemele de împământare

5. Elemente comune ale sistemelor de legare la pământ

• Electrod de pământ: Tije, plăci sau benzi îngropate în pământ.
• Conductor de protecție (PE): Leagă părțile conductoare ale instalației la pământ.
• Conductor neutru (N): Transportă curentul în condiții normale.
• Conductor PEN: Combinație între PE și N (utilizat în sistemele TN-C).

6. Exemple practice

• Clădire rezidențială: Sistem TN-S (separare între PE și N).
• Zonă rurală: Sistem TT (priză de pământ separată și RCD).
• Spital: Sistem IT (izolare și monitorizare continuă).

Alegerea schemei de legare la pământ depinde de tipul instalației, cerințele de siguranță și condițiile locale. Fiecare sistem are avantaje și dezavantaje specifice, iar proiectarea trebuie să respecte standardele și normele aplicabile.