Výpočet uzemnění: pravidla, funkce a vzorce

Uzemňovací systém zajišťuje bezpečnost obyvatel a plynulý provoz elektrických spotřebičů. Uzemnění zabraňuje úrazu elektrickým proudem v případě úniku elektřiny do kovových prvků, které nevedou proud, ke kterému dochází při poškození izolace. Vytvoření bezpečnostního systému je zodpovědný úkol, proto je před jeho provedením nutné vypočítat uzemnění.

Přirozené uzemnění

V době, kdy se seznam domácích spotřebičů v domácnosti omezoval na jeden televizor, ledničku a pračku, se uzemňovací zařízení používala jen zřídka. Ochrana před únikem proudu byla přiřazena přirozeným uzemňovacím zařízením, jako například:

• neizolované kovové trubky;
• pažení vodních studní;
• prvky kovových plotů, pouliční lampy;
• opletení kabelových sítí;
• ocelové prvky základů, sloupy.

Nejlepší volbou pro přirozené uzemnění je ocelový vodovodní řad. Díky své velké délce minimalizují vodovodní potrubí odpor vůči proudění. Účinnosti vodovodního potrubí je dosaženo také díky jeho instalaci pod sezónní úrovní mrazu, a proto jeho ochranné vlastnosti nejsou ovlivněny ani teplem, ani chladem.

Kovové prvky podzemních železobetonových výrobků jsou vhodné pro uzemňovací systém, pokud splňují následující požadavky:

• je dostatečný (podle norem Pravidel pro elektroinstalaci) kontakt s jílovitým, písčito-hlinitým nebo mokrým pískovým podkladem;
• během stavby základu byla výztuž ve dvou nebo více oblastech vyvedena ven;
• kovové prvky mají svařované spoje;
• odolnost výztuže odpovídá předpisům PUE;
• existuje elektrické spojení se zemnící sběrnicí.

Upozornění! Z celého výše uvedeného seznamu přirozených uzemnění se počítají pouze podzemní železobetonové konstrukce.

Účinnost přirozeného uzemnění se určuje na základě měření provedených autorizovanou osobou (zástupcem Energetického dozoru). Na základě provedených měření specialista vydá doporučení ohledně potřeby instalace dalšího obvodu k přirozenému uzemnění. Pokud přirozená ochrana splňuje požadavky norem, pak Pravidla pro elektroinstalaci uvádějí, že další uzemnění je nevhodné.

Výpočty pro zařízení umělého uzemnění

Je prakticky nemožné provést absolutně přesný výpočet uzemnění. I profesionální projektanti pracují s přibližným počtem elektrod a vzdálenostmi mezi nimi.

Důvodem složitosti výpočtů je velké množství vnějších faktorů, z nichž každý má na systém významný vliv. Například není možné předpovědět přesnou úroveň vlhkosti, skutečná hustota půdy, její specifický odpor atd. nejsou vždy známy. Vzhledem k neúplné jistotě vstupních dat se konečný odpor organizovaného uzemňovacího obvodu nakonec liší od základní hodnoty.

Rozdíl mezi projektovanými a skutečnými hodnotami se vyrovnává instalací dalších elektrod nebo prodloužením tyčí. Předběžné výpočty jsou však důležité, protože umožňují:

• vyhnout se zbytečným výdajům (nebo je alespoň snížit) na nákup materiálů a výkopové práce;
• vyberte nejvhodnější konfiguraci uzemňovacího systému;
• zvolit správný akční plán.

Existuje celá řada softwarových programů, které usnadňují výpočty. Pro pochopení jejich fungování je však zapotřebí určitá znalost principů a povahy výpočtů.

Ochranné komponenty

Ochranné uzemnění zahrnuje elektrody instalované v zemi a elektricky připojené k uzemňovací sběrnici.

Systém obsahuje následující prvky:

1. Kovové tyče. Jedna nebo více kovových tyčí usměrňuje proud šíření do země. Jako elektrody se obvykle používají kusy dlouhého kovu (trubky, úhelníky, kulaté kovové výrobky). V některých případech se používá ocelový plech.
2. Kovový vodič, který spojuje několik zemnicích elektrod do jednoho systému. K tomuto účelu se obvykle používá horizontálně instalovaný vodič ve tvaru úhelníku, tyče nebo pásku. Kovové spojení je přivařeno ke koncům elektrod zakopaných v zemi.
3. Vodič, který spojuje zemnící elektrodu umístěnou v zemi s přípojnicí, která je připojena k chráněnému zařízení.

Poslední dva prvky se nazývají stejně – uzemňovací vodič. Oba prvky plní stejnou funkci. Rozdíl spočívá v tom, že kovové spojení je v zemi a uzemňovací vodič pro připojení ke sběrnici je umístěn na povrchu. V tomto ohledu jsou vodiče předmětem různých požadavků na odolnost proti korozi.

Principy a pravidla výpočtů

Půda je jednou ze součástí uzemňovacího systému. Její parametry jsou důležité a zapojují se do výpočtů stejně jako délka kovových částí.

Při provádění výpočtů se používají vzorce uvedené v Pravidlech pro elektroinstalaci. Používají se variabilní data shromážděná instalatérem systému a konstantní parametry (k dispozici v tabulkách). Mezi konstantní data patří například odpor půdy.

Určení vhodného obrysu

Nejprve je nutné zvolit tvar obrysu. Návrh se obvykle provádí ve formě určitého geometrického obrazce nebo jednoduché čáry. Volba konkrétní konfigurace závisí na velikosti a tvaru lokality.

Nejjednodušší způsob, jak realizovat lineární obvod, je vykopat pouze jeden rovný výkop pro instalaci elektrod. Elektrody instalované ve vedení však budou stíněny, což zhorší situaci s rozptylovým proudem. V tomto ohledu se při výpočtu lineárního uzemnění používá korekční faktor.

Nejběžnějším schématem pro vytvoření ochranného uzemnění je trojúhelníkový obrysový tvar. Elektrody jsou instalovány ve vrcholech geometrického obrazce. Kovové kolíky by měly být od sebe dostatečně daleko, aby nerušily rozptyl proudů, které do nich vstupují. Tři elektrody se považují za dostatečné pro uspořádání ochranného systému pro soukromý dům. Pro organizaci účinné ochrany je také nutné správně zvolit délku tyčí.

Výpočet parametrů vodiče

Délka kovových tyčí je důležitá, protože ovlivňuje účinnost ochranného systému. Důležitá je také délka kovových spojovacích prvků. Kromě toho na délce kovových částí závisí spotřeba materiálu a celkové náklady na uzemnění.

Odpor svislých elektrod je určen jejich délkou. Další parametr – příčné rozměry – nemá významný vliv na kvalitu ochrany. Přesto je průřez vodičů regulován Pravidly pro instalaci elektrických instalací, protože tato vlastnost je důležitá z hlediska odolnosti proti korozi (elektrody musí sloužit 5–10 let).

Za jiných podmínek platí pravidlo: čím více kovových výrobků je v obvodu zapojeno, tím vyšší je bezpečnost obvodu. Práce na organizaci uzemnění je poměrně pracná: čím více zemních elektrod, tím více výkopových prací, čím delší jsou tyče, tím hlouběji je třeba je zatloukat.

Co zvolit: počet elektrod nebo jejich délku – to je na organizátorovi práce. V této věci však platí určitá pravidla:

1. Tyče musí být instalovány nejméně 50 centimetrů pod sezónní úrovní mrazu. Tím se eliminuje vliv sezónních faktorů na účinnost systému.
2. Vzdálenost mezi svisle instalovanými uzemňovacími tyčemi. Vzdálenost je určena konfigurací obvodu a délkou tyčí. Pro výběr správné vzdálenosti použijte příslušnou referenční tabulku.

Řezaný válcovaný kov se zatlouká do země do hloubky 2,5–3 metrů pomocí kladiva. To je poměrně pracný úkol, i když vezmete v úvahu, že od zadané hodnoty je třeba odečíst přibližně 70 centimetrů hloubky výkopu.

Ekonomické využití materiálu

Protože průřez kovu není nejdůležitějším parametrem, doporučuje se zakoupit materiál s nejmenší plochou průřezu. Je však nutné dodržet minimální doporučené hodnoty. Nejúspornější (ale zároveň odolné úderům kladivem) varianty kovových výrobků:

• trubky o průměru 32 milimetrů a tloušťce stěny 3 milimetry;
• rovnoúhlý (strana – 50 nebo 60 milimetrů, tloušťka – 4 nebo 5 milimetrů);
• kulatá ocel (průměr od 12 do 16 milimetrů).

Jako kovové spojení by optimální volbou byl ocelový pás o tloušťce 4 milimetrů. Alternativně by byla vhodná ocelová tyč o tloušťce 6 milimetrů.

Upozornění! Vodorovné tyče jsou přivařeny k vrcholům elektrod. Proto je třeba k vypočítané vzdálenosti mezi elektrodami přidat dalších 18–23 centimetrů.

Vnější uzemňovací část může být vyrobena z pásku o šířce 4 mm (šířka – 12 mm).

Vzorce pro výpočty

Dále si ukážeme, jak vypočítat uzemnění pomocí vzorců a uvedeme příklad výpočtů. Vzorec vybereme na základě typu uzemňovacích elektrod.

Pro výpočet odporu svislé elektrody je vhodný univerzální vzorec.

Při výpočtech se neobejdete bez referenčních tabulek, kde jsou uvedeny přibližné hodnoty. Tyto parametry jsou určeny složením půdy, její průměrnou hustotou, schopností zadržovat vodu a klimatickým pásmem.

Instalujeme požadovaný počet tyčí, bez ohledu na hodnotu odporu vodorovného vodiče.

Vypočítáváme data pro horizontální část uzemňovacího systému.

Úroveň odporu svislé tyče určujeme na základě indikátoru odporu zemnicí elektrody horizontálního typu.

Na základě získaných výsledků nakupujeme potřebné množství materiálu a plánujeme zahájit práce na vytvoření uzemňovacího systému.

Závěr

Vzhledem k tomu, že nejvyšší odolnost půdy je pozorována v období sucha a mrazu, je nejlepší plánovat organizaci uzemňovacího systému pro toto období. V průměru trvá výstavba uzemnění 1–3 pracovní dny.

Před zasypáním výkopu zeminou je třeba zkontrolovat funkčnost uzemňovacích zařízení. Optimální prostředí pro testování by mělo být co nejsušší, v půdě by nemělo být mnoho vlhkosti. Vzhledem k tomu, že zimy nebývají vždy bez sněhu, je nejjednodušší začít s budováním uzemňovacího systému v létě.