Transcript Jordning - Mericon
Jordning!?
Christian Karlsson Försäljningsingenjör/produktspecialist Mericon Sverige AB
Introduktion
“The term “ground” too often seems to be associated with a sort of cure-all concept, like snake oil, money or motherhood. Remember that, while you can always trust your mother, you should never trust your “ground.” Examine and think about it.” Brokaw, P., “An I.C. Amplifier Users’ Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Right for a Change,” Application Note, Analog Devices, 1982.
Introduktion
“For every grounding problem there are many solutions, most of which are wrong. . . .” GROUNDS FOR GROUNDING A Circuit-to-System Handbook Elya B. Joffe Kai-Sang Lock
Introduktion Första jordningen
Introduktion Jordning idag
• • Frekvens 0 Hz -> GHz Strömstyrka µA -> 200-300kA
Introduktion Jord/Ground/Earth definitioner
450000 400000 350000 300000 250000 200000 150000 100000 50000 0
Introduktion Skillnader elektronik/elkraftsjord
Funktion/skydd
Funktion Funktion Skydd Skydd
• • •
Introduktion Mål med jordning
Skyddsjord – att förhindra skador på människor eller material vid kortslutning, isolationsfel eller andra störningar( ex åska) EMI/EMC-jordning – kontrollera läckströmmar i kabelskärmar samt som referensplan för kablar placerade i närheten av dem.
Signal/funktionsjordning – returledare samt referensplan, inget säkerhetstänk.
Jordning STV och elanläggningar systemjord
1. Säkerställa att inga levande varelser utsätts för elektriska stötar vid normal drift och vid fel.
2. Tillhandahålla en väg för felströmmar så att skyddsapparaterna kan detektera fel och automatiskt frånkoppla felet.
3. Hålla systemspänningen inom rimliga nivåer vid fel.
4. Kontrollera spänningen till jord så att isolationen kan optimeras på krafttransformatorer.
Standarder
“I have decided that a standards review is a long-winded, boring and generally demoralising exercise ! “ Dr Franco D’Alessandro
Jordning av STV och anläggningar Standarder/Guider
De mest använda i Världen • IEEE • IEC • AU/NZ • VAST !?
Standarder utbredning
• IEEE – Världsomspännande, Nordamerika. • IEC- Europa, Mellanöstern, Asien.
• AU/NZ – Australien/Nya Zeeland , Stillahavsområdet, Sydöstra asien.
• VAST – Sverige.
Standarder utbredning Historia/anknytning
• • • Asien : Filippinerna IEEE på grund av Amerika Indien, Malaysia IEC/BS på grund av brittiskt styre Kina både IEEE och IEC
IEEE
• • • • • •
IEEE 80
Comprehensive document that is specific to 50-60 Hz AC substations (incl. distribution, transmission and generating plant substations). Covers all aspects of substation earthing design to meet equipment (resistance) and personnel (step and touch potential) protection targets. Document is broken up into 3 main parts – safety aspects, practical design aspects and grounding system assessment. No coverage of the effects of lightning surges entering the substation. It is a Guide, not a Standard.
IEEE
• • • • • • •
IEEE 81
Accompanies IEEE 80 and is in two parts. Part 1 covers the majority of field measurements that do not require special high-precision equipment and measuring, and that do not encounter unusual difficulties such as may be found with extensive grounding systems, abnormally high stray ac or dc currents, etc. So, part 1 is for “normal measurements” of soil resistivity, earthing system resistance and impedance and earth surface potentials. Intention is to assist the engineer or technician in obtaining and interpreting accurate, reliable data. Part 2 covered the measurement of impedance and safety characteristics of large, extended or interconnected grounding systems. However, this document has been withdrawn (no longer in circulation). Once again, IEEE 81 is a Guide, not a Standard.
IEEE
• • • • •
IEEE 367
Practice for determining electric power station earth potential rise and induced voltage from a power fault. Covers: – Determination of the appropriate value of fault current to be used in the EPR calculation; – Consideration of the waveform, probability, and duration of the fault current; – Determination of inducing currents, the mutual impedance between power and telephone facilities, and shield factors; – – – Vectorial summation of EPR and induction; Considerations regarding the power station EPR zone of influence; and Communications channel time requirements for non-interruptible services. Geared towards telecommunication, protection and relay engineers. Mostly outside the scope of this Earthing course. It is a Recommended Practice, not a Standard.
IEC
• • • • • •
IEC 60479-1
Identical to AS/NZS 60479.1, covering the effects of shock current on human beings and livestock, i.e., personnel safety issues. Data are based on experiments with animals and corpses, they are quite conservative, hence even applicable to children. Covers body impedance and body current thresholds for various physiological effects. This information is combined to derive estimates of AC and DC touch voltage thresholds for certain body current pathways, durations, contact moisture conditions, skin contact areas etc. Uses basic statistical distribution (percentiles) – values for 5, 50 and 95% of the populations.
IEC
• • • • • • • •
IEC 61936-1
Provides common rules for the design and the erection of electrical power installations in systems with nominal voltages above 1 kV AC and nominal frequency up to and including 60 Hz, so as to provide safety and proper functioning for the use intended. Minimum requirements valid for IEC countries, although the aim is a gradual worldwide alignment of the practices for the design and erection of HV power installations. Covers the special requirements for transmission, distribution power generation and industrial installations. IEEE 80 is a normative reference in this standard. Chapter 10 covers Earthing Systems – overview of criteria for the design, installation, testing and maintenance of an earthing system to achieve personnel and equipment protection. Information on hazards to human beings comes from IEC 60479.1. Has a useful section on the relationship between HV and LV earthing systems.
IEC
• • • • IEC EN 50522 Verkar bli Europastandard för jordning över 1kV Gäller nu i Sverige Avsnitt 9 i SS 421 01 01 ersätts av SS-EN 50522, utgåva 1, helt från 2013 Steg och beröringspänningar från IEC 60479-1
AZ/NZS
• • • • • • AS/NZS 60479.1
Identical to IEC 60479.1, covering the effects of shock current on human beings and livestock, i.e., personnel safety issues. Data are based on experiments with animals and corpses, they are quite conservative, hence even applicable to children. Covers body impedance and body current thresholds for various physiological effects. This information is combined to derive estimates of AC and DC touch voltage thresholds for certain body current pathways, durations, contact moisture conditions, skin contact areas etc. Uses basic statistical distribution (percentiles) – values for 5, 50 and 95% of the populations.
Main differences:
• • •
Origins of personnel safety data
There is a difference between the American (IEEE) and European (IEC) calculation of safe currents, body impedance etc. (Biegelmeier vs Dalziel) and hence the safe levels of step and touch voltages.
Specifika tillämpningar
• • • • • Substations → ENA EG0/EG1, IEEE 80 Power Installations → IEC 61936,IEC 50522 Industrial / Commercial → AS/NZS 2067 Mining → AS/NZS 3007 etc.
Mätning /Beräkning av Jord
Dessa krav kommer alltid att finnas oavsett standard.
1. Resistans 2. Impedans 3. Steg/beröringsspänningar 4. Felströmstålighet
Mätning beräkning
• • • • Resistivitetsmätning Konstruktion Beräkning Mätning
Resistivitetsmätning
Prio ETT Vet man resistiviteten i jorden kan man konstruera det mest effektiva jordningssystemet
Resistivitet Väldigt varierande
Resistivitet
• Resistivitet beror också på fuktigheten och temperaturen i marken
Mätning resistivitet
Modell av resistiviteten
Exempel
Beräkning av jordtaget
Beräkning Jordtag
Lösning
Slutmätning
• • • Fall of potential Slope Method The four potential Method NEC (USA) Telecom Power Lightning < 25 W < 5 W < 1 W < 10 W
Olika typer av jordtatg
Horisontella elektroder • Radialer • Ringledare • Rutnät Vertikala elektroder • Jordspett • Jordplåt • Jordlina Betongomslutna elektroder
Horisontella Ledare
Rutnät
Vertikala elektroder
Betongomslutna elektroder
Exempel Ställverk
Jordning för Åska
• • • • Åskan är en högfrekvent impuls.
Frekvens från 0-1 MHz Mest energi i 10 kHz området Medelenergin vid ca 500 kHz
Hög spänning och hög di dt
Typisk bild av åsknedslag
Medel och toppström 30 – 200 kA Lång svans
=> f low
Ljudtryck 90 Atm. vid 500 m Väldigt kort stigtid
=> f high
Total Energi 10 9 - 10 10 Joules Få µs Varaktighet 20 – 350
m
s + återkommande 5-50
m
s)
Impedansen viktigare än resistansen
V
L dI dt
IR Z
R
G
j
L j
C
First lightning stroke: Resistive component is ~ 50% Subsequent strokes: Resistive component is only 5% Inductive component dominates
Olika jordtag
Åskjordtag effektiv längd
Taking all of the factors and dependencies into account, the latest research clearly shows that: Z 0.7 x R, provided that
l < l
eff Approximate Critical (or Effective) Lengths: ( W m): 100 1000 2000 5000
l
eff (m): 10 30 50 80
Lösningar
• • • • • • Varje elektrod bör max vara 100m Dela upp i flera korta elektroder Använd ett så symmetriskt jordtag som möjligt Använd jordförbättringsmassa Utnyttja byggnaden Nyttja jordspett
Exempel vindkraft
Jordning behöver kvalitetsanslutningar
• •
Exotermisk vs mekanisk
Mekanisk = pressning, bultad osv. Baseras på mekaniskt tryck.
Exotermisk / svetsad = molekylär förbindning (permanent anslutning).
Mekanisk vs exotermisk anslutning efter 10 år
Exotermisk förbindning
• • • • • Fördelar med exotermisk ansl. CADWELD: Lossnar aldrig Korroderar ej Ökar inte resistansen på ledaren Försämrar ej ledaren Livslängd längre än ledaren.
Mekanisk anslutning
Cadweld anslutning
Grounding and lightning protection The six point plan
CADWELD PLUS inget startmaterial
1
.Placera svetsmetallburken i degeln 2. Anslut tändkabeln till läppen på svetsmetallen 3.Sätt på locket på svetsformen.
4. Tryck ner tändknappen tills reaktionen startar När svetsen är klar ta bort den tomma burken och borsta formen ren.
1 2 1 3 4
Cadweld filmer
Djupjordning i berg och hård mark
Bergborrade hål fyllda med GEM
• • • • • • • • • •
Fördelar med bergborrade hål och djupjordning
Enda möjligheten till att nå önskat resistansvärde inom rimligt avstånd/kostnad vid tuffa jordningsförhållanden såsom: berg, sand , grus mm. Stabilt resistansvärde, liten säsongsvariation påverkas inte av torka/regn/tjäle.
Underhållsfritt Liten åverkan på mark Kompakt utförande , kan installeras under fundament eller i närheten.
Kostnaden/resultatet kan relativt gott estimeras på förhand Kan med fördel installeras på vintern, tjälen gör marken mer stabil vid borrning.
Möjlighet att nå grundvatten/lerlager djupt nere under mark.
Kombineras med fördel med andra metoder som ringjord och fundamentsjord.
Väl beprövat ca 3-5000 anläggningar utförda i bla Norge
Vindkraftpark Vänern
Grounding and lightning protection The six point plan • • • • • • • •
Exempel på resistiviten i olika jordtyper .
Havsvatten Lera Grundvatten Regnvatten Sand blandat med lera Berg, sandsten, etc Lavasten Granit Is, glaciärer 10 - 20 Ωxm 40 50 - 150 150 - 250 150 - 300 1000-2000 > 4000 >5000 >100.000
(frusen mark genererar hög resistivitet)
Svetsning av jordspett för bergborrade hål
Svetsform: GFC-P143Y3 Svetsmetall 90F20.
Spett 5/8”, Cu-lina 50 mm2 Svetsform:GEC-P143 Svetsmetall 150F20 Spett, 5/8”, mellanrum 3 mm
Cu-lina
3 mm
Grounding and lightning protection The six point plan
GEM åtgång i olika typer av hål
En säck GEM innehåller 11.3 kg. 1 säck blandas med 5-8 liter vatten
Diameter tum Diameter mm
2 3 4 5 50 75 100 125
Antal kg GEM /meter hål
3,6 7,5 10 11,3
Max borr djup m
6 10 10-25 >25m Jord Berg Sand, etc Berg
Vid vatten i bergborrade hål
• Placera jordelektroden i hålet • Pumpa ner GEM med hjälp av en slang ned till botten av hålet • GEM kommer att blockera för mer inträngning av grundvatten • GEM kommer att pressa befintligt vatten ut ur hålet • Fyll GEM till toppen, jordningen är klar.
• Hål djupare än 10 meter kan ej tömmas med vakumpump Vatten
Entreprenör Berg Grundvatten
Jordning i sandig 1
.Tube hammered down in sand to protect sand to flow down when drill is pulled up 2.Groundrod electrode as long as hole is deep.
3.CADWELD molecular welded together, GE-weld, weld in horizontal position before placed in holes.
4. GF-weld 5. CU conductor 6. GEM.
1 Dry sand 25m 6
By Gunnar Mustaparta 12. January 2007.
Rock
Groundwater 5 4 3 2
Grounding and lightning protection The six point plan
Grounding of industrial buildings.
When mesh net under building: Exothermic welds because of reliability.
If stone and rocky ground: Use GEM around conductors.
Use vertical rod electrodes., when drillholes, fill holes with GEM.
Use more equipotential conductors, less area, instead of few big area.
GEM GEM GEM
Grounding and lightning protection The six point plan •
Windmill groundings, lightning protection
If enough depth in soil, hammer down the rods (to resistance level) In desert area, dry sand over rock, drill through a tube ( as formwork ) to depth for groundwater, i.e. 25 meters Plan for more groundrod electrodes, if resistance is too high ( dotted lines) Keep bending radius, > 200 mm.
Borrdjup 6 50m
Principskiss Jordning bergborrade hål
Trafo station Ev grundvatten
Grounding and lightning protection The six point plan
1.
Undvik vatten i hålet före du häller i GEM 2. Använd jordförbättringsmassa som härdar 3. Använd inte vanlig kopparlina då den har en fjädereffekt och kan fastna halvägs eller trycka mot väggen 4.
Använd inga mekaniska anslutningar då det finns risk för oxidering i skarvarna Berg
i.e. 15 m deep
O XI D E RI N G