TRECEREA CURENTULUI ELECTRIC PRIN PAMANT

Intr-un circuit electric care se inchide prin pamant se stabileste un curent numit curent de defect, de scurgere sau de punere la pamant.

Curentii de scurgere iau nastere atunci cand elemente conductive ale instalatiei electrice, care in mod normal nu se afla sub tensiune, ajung accidental sub tensiune ca urmare a unor defecte de izolatie a elementelor parcurse de curenti electrici. Scurgerea curentului de defect in pamant modifica starea circuitului, respectiv distributia potentialelor electrice, in diversele puncte ale solului din jurul prizei de pamant.

Se considera ca solul este omogen avand rezistivitatea electrica r iar scurgerea curentului de defect I_p se face printr-un electrod emisferic de raza r, cu baza la suprafata solului (fig.11.4).

Liniile de curent vor fi radiale, iar suprafetele exponentiale niste emisfere concentrice cu electrodul. La distanta x de centrul electrodului densitatea de curent are expresia:

. (11.3)

scazand rapid cu cresterea distantei.

Intensitatea campului electric se determina din forma locala a legii lui Ohm, liniile campului electric coincizand cu cele ale densitatii de curent:

.       (11.4)

Cum

, (11.5)

rezulta expresia potentialului electric:

. (11.6)

Admitand ca pentru x = potentialul electric V( ) = 0 si avand in vedere relatiile (11.3), (11.4) si (11.6) rezulta expresia potentialului electric la distanta x de centrul electrodului:

. (11.7)

Potentialul unui punct de pe suprafata solului variaza dupa o lege hiperbolica, intre o valoare maxima pe electrod

(11.8)

si zero la o distanta foarte mare de electrod. Se considera ca la distanta de 20 m potentialul electric atinge practic valoarea zero dupa care incepe zona de potential nul.

Diferenta de potential dintre electrod si zona de potential nul poarta denumirea de tensiunea prizei de pamant :

.           (11.9)

Tensiunea unui punt de pe sol (x > r) fata de zona de potential nul are expresia:

Suprafata pamantului din jurul unei prize de pamant, pana in zona de potential nul (x < 20 m), se numeste zona de influenta a prizei de pamant.

Rezistenta de dispersie a prizei de pamant se defineste cu ajutorul raportului:

In cazul electrodului emisferic rezistenta de dispersie a prizei de pamant are expresia:

Pentru alte configuratii ale electrozilor expresiile rezistentei prizei de pamant sunt date in STAS 6119.78 si prezentate in tabelul 11.1.

Tabelul 11.1

Rezistenta prizelor de pamant, in functie de forma si adancimea de ingropare a electrozilor

Rezistenta prizei de pamant depinde de forma si dimensiunile electrozilor, fiind proportionala cu rezistivitatea solului.

Pamantul se prezinta ca un corp bun conducator de electricitate a carui rezistivitate depinde de compozitia, umiditatea, temperatura si gradul de afanare. Umiditatea influenteaza foarte mult rezistivitatea solului. Un teren foarte uscat poate fi considerat izolant. Rezistivitatea scade rapid cu cresterea umiditatii intre 0 si 15% si mai incet pana la umiditatea de 80%. Cresterea umiditatii peste acest procent duce la o crestere a rezistivitatii solului.

Scaderea temperaturii (inghetarea solului) face sa creasca rezistivitatea electrica.

In terenuri uscate sau supuse uscarii se poate micsora rezistenta de dispersie a prizelor de pamant, pana la o treime sau chiar o cincime, prin imbibarea terenului din imediata apropiere a prizei cu o solutie de soda in apa. In locul solutiei de soda se poate folosi sare de bucatarie presarata pe pamant in jurul prizei si stropita apoi cu apa.

Pentru reducerea rezistentei de dispersie, precum si pentru modificarea repartitiei potentialelor in zona de influenta a prizei, se folosesc prize de pamant multiple, formate din mai multi electrozi legati intre ei in paralel.

Cand distanta dintre electrozi este mare, peste 40 m, zona lor de influenta nu se intersecteaza, rezistenta echivalenta a n electrozi identici fiind:

in care R₁ este rezistenta unui singur electrod. In practica distantele dintre electrozi sunt mai mici, 3 la 5 m, ceea ce va produce o ecranare reciproca, astfel incat rezistenta de dispersie rezultanta va fi mai mare:

unde u este coeficientul de utilizare, avand valori subunitare, care ia in considerare cresterea rezistentei de dispersie datorita interactiunii zonelor de influenta. In [32] se dau valorile coeficientului de utilizare, care depinde de forma, dimensiunile, numarul si dispunerea electrozilor.

Dupa modul de amplasare a electrozilor, prizele de pamant pot fi verticale, numite si de adancime, realizate din tevi de otel zincate, folosite cand straturile de adancime ale solului au rezistivitati mai mici decat cele de suprafata si orizontale sau de suprafata realizate din platbanda din otel zincata, utilizate in situatia contrara.

Prizele mixte se obtin prin combinarea unei prize verticale de rezistenta R_pv cu o priza orizontala de rezistenta R_ph , rezistenta echivalenta a prizei mixte fiind:

1. TENSIUNEA DE ATINGERE SI TENSIUNEA DE PAS

Tensiunea de atingere U_a este tensiunea la care este supus omul cand atinge simultan un element conductiv intrat accidental sub tensiune, legat la o priza de pamant si avand potentialul acesteia si un punct de pe sol situat la distanta x de priza de pamant:

in care

este factorul de atingere.

Din relatia (11.16) rezulta ca tensiunea de atingere este numai o fractiune din tensiunea prizei la care este legat elementul atins, fiind minima cand omul se afla in apropierea prizei si maxima cand se afla in zona de potential nul.

Tensiunea de pas U_pas este tensiunea dintre doua puncte de pe sol situate la o distanta a egala cu pasul omului, care sta pe sol in zona de afluenta a unei prize de pamant:

in care:

poarta denumirea de factor de pas.

Fig. 11.5. Tensiunea de atingere si de pas in cazul scurgerii unui curent de defect la pamant.

In figura 11.5 sunt aratate tensiunile de atingere si de pas pentru o priza emisferica. Si tensiunea de pas are valoarea maxima in imediata apropiere a electrodului prizei.

La proiectarea unei instalatii de legare la pamant tensiunea de atingere se considera ca fiind tensiunea la care este supus omul aflat la distanta de 0,8 m fata de obiectul atins, iar tensiunea de pas - tensiunea la care este supus omul cand atinge doua puncte de pe sol sau pardoseala, situate la distanta de 0,8 m intre ele, in zona de influenta a unei prize de pamant.

2. INSTALATII DE LEGARE LA PAMANT

Instalatia de legare la pamant este constituita din priza de pamant (electrozii ingropati in pamant, legati conductiv intre ei) si conductoarele de legare la pamant a carcaselor metalice ale tuturor utilajelor (fig.11.6).

Fig. 11.6. Instalatie de legare la pamant: 1- priza de pamant verticala; 2;5 - piese de separatie; 3;6 - centura generala de legare la pamant; 4;7 - legaturi derivatie.

Conductoarele de legare la pamant alcatuiesc o retea comuna de legare la pamant, numita reteaua principala de legare la pamant la care se leaga prin intermediul conductoarelor de ramificatie partile metalice (masele) ale tuturor echipamentelor electrice si tablourilor de distributie. Reteaua principala de legare la pamant din platbanda din otel, obisnuit, este in circuit inchis urmarind, pe la interior, conturul cladirii. Daca utilajele se afla la distante relativ mari unele de altele instalatia de legare la pamant poate fi si de tip deschis. Legarea retelei principale la priza de pamant se face prin cel putin doua legaturi diferite, racordate in locuri distincte. Conductoarele de ramificatie se executa din platbanda de otel sau funie de cupru.

Prizele de pamant, din punct de vedere constructiv, pot fi: prize de pamant naturale si prize de pamant artificiale.

Prizele de pamant naturale utilizate numai in curent alternativ sunt constituite din elemente conductive ale constructiilor. Ele prezinta o serie de avantaje cum ar fi cheltuieli minime de investitii si exploatare, durata mare de functionare etc.

Ca prize de pamant naturale se pot folosi:

- elementele metalice ale constructiilor aflate in contact direct cu pamantul sau prin intermediul fundatiilor de beton;

- armaturile metalice ale betonului armat aflat in contact direct cu pamantul;

- conductele metalice ingropate in pamant pentru transportul fluidelor necombustibile, daca se asigura continuitatea electrica necesara;

- invelisurile si armaturile cablurilor electrice subterane.

La constructiile noi se recomanda prevederea unui conductor pe contur, inglobat in fundatia cladirii odata cu turnarea acestora (priza de fundatie).

Prizele de pamant artificiale, realizate din tevi, bare, benzi sau placi din otel zincat sau in cazuri justificate din cupru (in soluri agresive chimic), ingropate in pamant in mod special si exclusiv pentru realizarea legaturii la pamant prezinta dezavantajul ca necesita importante cheltuieli de investitii. Prizele de pamant artificiale se prevad numai in cazul in care prizele de pamant naturale nu asigura valoarea prescrisa pentru rezistenta de dispersie a prizei.

Prizele de pamant artificiale pot fi:

- simple daca sunt constituite dintr-un singur electrod plan, cilindric, sferic, inel etc.

- multiple daca sunt realizate prin legarea mai multor prize simple;

- complexe sau mixte daca sunt obtinute prin legarea prizelor multiple verticale si orizontale.

Instalatiile de legare la pamant pot fi:

- de exploatare, servind pentru stabilirea in mod voit a legaturii cu pamantul a unor elemente care fac parte din circuitele curentilor de lucru, cum ar fi neutrul secundarului transformatorului de putere;

- de protectie, prin care se stabileste, in mod voit, lega­tura cu pamantul a unor elemente conductoare, care nu fac parte din circuitele curentilor de lucru, dar care pot intra accidental sub tensiune.

Atat pentru priza de pamant de exploatare, cat si pentru cea de protectie, rezistenta de dispersie nu trebuie sa fie mai mare de 4W. In cazul instalatiilor electrice aflate in subteran rezistenta de dispersie nu trebuie sa depaseasca 2 W

3. MASURAREA REZISTENTEI PRIZELOR DE PAMANT

In vederea masurarii, priza trebuie separata de restul instalatiei de legare la pamant. Valoarea maxima a rezistentei instalatiei de legare la pamant impusa de norme consta din suma rezistentelor prizei propriu-zise si a conductoarelor de legatura dintre priza si utilajul cel mai indepartat.

Masurarea rezistentelor prizelor de pamant se face prin mai multe metode, dintre care cele mai utilizate sunt metoda voltmetrului si ampermetrului si metoda puntii. Masurarea trebuie facuta in curent alternativ pentru evitarea tensiunilor de polarizare, care ar putea aparea in cazul masurarii in curent continuu.

Principiul metodei voltmetrului si ampermetrului consta in masurarea tensiunii U_p a prizei care se verifica si a curentului I_p care trece prin ea (fig.11.7). Rezistenta se determina cu relatia:

Pentru efectuarea masuratorii sunt necesare: o sursa de curent separata (eventual un transformator de separare), un voltmetru cu rezistenta interioara mare de cel putin 1000W, un ampermetru, o priza auxiliara parcursa si ea de curentul I_p, de rezistenta R_a, ce poate fi de cateva zeci de ohmi si o sonda a carei rezistenta R_s trebuie sa fie neglijabila fata de rezistenta interioara a voltmetrului. In caz contrar rezistenta prizei se calculeaza cu relatia:

unde U_v este tensiunea indicata de voltmetru, iar R_v - rezistenta voltme­trului.

Fig. 11.7. Masurarea rezistentei de dispersie a prizelor de pamant prin metoda voltmetrului si ampermetrului.

Distanta dintre prizele R_p si R_a va fi suficient de mare, cel putin 40 m, incat intre ele sa existe o zona de potential nul, iar sonda sa fie situata in afara zonei de influenta a oricareia din celelalte doua prize.

In vederea maririi preciziei metodei voltmetrului si ampermetrului se fac trei masurari, aparatele fiind legate ca in figura 11.8.

Fig. 11.8. Schema celor trei masurari.

Rezistentele determinate in cadrul celor trei masurari sunt:

din care rezulta:

Rezultatele masurarilor sunt cu atat mai exacte cu cat valorile rezistentelor R_a si R_s sunt mai apropiate de valoarea rezistentei R_p.

Puntea de masurare portativa are ca sursa o baterie, care alimenteaza un invertor, ce produce un curent alternativ de audiofrecventa. Pentru masurare sunt necesare, de asemenea, o priza auxiliara si o sonda instalate ca in metoda voltmetrului si ampermetrului (fig.11.9).

Fig.11.9. Masurarea rezistentei prizelor de pamant prin metoda puntii.

Echilibrarea puntii se face deplasand cursorul C pe firul rezistent, care insumeaza rezistentele r₁ si r₂, indicatorul de nul fiind o casca telefonica. La echilibru in schema a respectiv b, avem relatiile:

in care R este o rezistenta de comparatie. Avand in vedere ca:

dupa efectuarea calculelor rezulta:

Pentru a nu micsora sensibilitatea puntii, rezistenta sondei nu trebuie sa fie mai mare de 200 - 300W. Rezistenta prizei auxiliare poate fi de cateva ori mai mare decat rezistenta prizei de masurat.