Instalatii de legare la pamint

11.1. CONSIDERAŢII GENERALE
Prin legare la pământ se înţelege stabilirea în mod voit a unui contact electric cu pământul. Scopurile legării la pământ sunt următoarele:
• protecţia vieţii oamenilor:
 protecţia personalului de deservire sau a altor persoane care ating  părţi metalice din instalaţiile electrice care în mod normal nu sunt sub tensiune, dar care pot intra accidental sub tensiune;
 protecţia personalului care execută lucrări de reparaţii şi revizii (cuţitele de legare la pământ, scurtcircuitoarele mobile);
 protecţia persoanelor împotriva curenţilor de trăsnet;
• realizarea unor condiţii cerute de exploatarea corectă a instalaţiilor electrice:
 stabilizarea potenţialelor unor puncte faţă de pământ  (de exemplu, legarea la pământ  a punctului neutru);
 realizarea unor circuite de întoarcere prin pământ a curenţilor normali de lucru (de exemplu, tracţiunea electrică);
 crearea unor circuite de impedanţă corespunzătoare necesare funcţionării unor protecţii etc.
Deşi este posibil ca pentru fiecare dintre aceste funcţiuni să se realizeze câte o instalaţie de legare la pământ separată, la noi în ţară şi în multe alte ţări o singură instalaţie de legare la pământ este folosită în comun pentru realizarea funcţiunilor de mai sus.
Evident că, o astfel de instalaţie trebuie să corespundă tuturor condiţiilor impuse de fiecare funcţiune în parte.
De regulă, condiţiile cele mai severe le impune funcţiunea de protecţie a vieţii oamenilor împotriva accidentelor prin electrocutare.
În cele ce urmează, ne vom ocupa, în principal, de această primă funcţiune a unei instalaţii de legare la pământ.
11.1.1. TIPURI DE REŢELE
În funcţie de tratarea neutrului, reţelele electice se împart în două mari categorii:
• reţele cu neutrul izolat (simbol I), din care fac parte:
 reţele cu neutrul izolat (nelegat la pământ);
 reţele cu neutrul legat la pământ prin bobină de stingere (compensare);
• reţele cu neutrul legat la pământ (simbol T, de la franţuzescul Terrei), din care fac parte:
 reţele cu neutrul legat la pământ prin rezistenţă;
 reţele cu neutrul legat efectiv la pământ.

Pentru protecţia împotriva accidentelor prin electrocutare în instalaţiile electrice se folosesc două metode de bază de protecţie:
• legarea la pământ de protecţie (simbol T);
• legarea la conductorul de nul de protecţie (simbol N).
Ca urmare, putem discuta despre următoarele tipuri de instalaţii electrice, prin prisma celor două aspecte de mai sus:
• instalaţii tip IT = reţele cu neutrul izolat (I), în care metoda de protecţie de bază este legarea la pământ (T);
• instalaţii tip TT = reţele cu neutrul legat la pământ (T), în care metoda de protecţie de bază este legarea la pământ (T);
• instalaţii tip TN = reţele cu neutrul legat la pământ (T), în care metoda de protecţie este legarea la nul (N).
Observaţie: nu se realizează reţele tip IN.
Reţelele electrice de înaltă tensiune (Un  1000V) pot fi din categoria cu neutrul izolat sau din categoria cu neutrul legat la pământ. În toate aceste reţele metoda de bază de protecţie împotriva accidentelor prin electrocutare este legarea la pământ  de protecţie (deci pot fi reţele tip IT sau TT).
Reţelele electrice de joasă tensiune (Un  1000V) pot fi, de asemenea, din cele două categorii în cele ce priveşte tratarea neutrului, dar metodele de bază de protecţie diferă. În cazul reţelelor de joasă tensiune cu neutrul izolat se foloseşte ca metodă de protecţie de bază legarea la pământ  de protecţie (deci, reţele tip IT ). În schimb, în reţelele de joasă tensiune cu neutrul legat efectiv la pământ metoda de protecţie de bază este, de regulă, legarea la conductorul de nul de protecţie (deci, reţele tip TN).
11.1.2 PRINCIPALELE PĂRŢI COMPONENTE  ALE UNEI INSTALAŢII DE LEGARE LA PĂMÂNT ŞI REZISTENŢA ACESTORA
O instalaţie de legare la pământ poate fi considerată ca fiind formată din două părţi principale:
• priza de pământ, compusă din:
 electrozi metalici îngropaţi în sol (de regulă, din oţel);
 solul din jurul electrozilor;
• reţeaua de legare la priza de pământ, compusă din totalitatea electrozilor metalici prin care se realizează legătura între părţile metalice ale echipamentelor care trebuie legate la pământ şi priza de pământ; este realizată în mod uzual din conductor de oţel lat.
Un curent care se scurge în pământ printr-o instalaţie de legare la pământ parcurge părţile metalice (reţeaua de legare la priză şi electrozii metalici îngropaţi) şi volumul de sol din jurul electrozilor.
Solul este considerat un conductor cu o rezistivitate   mult mai mare decât a părţii metalice a instalaţiei de legare la pământ : sol /oţel  108 1012 . Ca urmare, la trecerea curentului electric, rezistenţa opusă de instalaţia de legare la pământ este practic concentrată în volumul de sol din jurul electrozilor.
Deoarece din electrozii metalici curentul se dispersează în sol, rezistenţa opusă de acesta la trecerea curentului este denumită şi rezistenţă de dispersie.

11.1.3. POTENŢIALUL SOLULUI ÎN ZONA UNEI PRIZE DE PĂMÂNT LA TRECEREA UNUI CURENT ELECTRIC PRIN PRIZĂ
La trecerea unui curent (pe care o să-l notăm de aici încolo cu Ip) prin electrozii prizei şi apoi prin volumul de sol din jurul acestora, solul din zona prizei va căpăta potenţiale diferite de zero.



Fig.11.1 Curba distribuţiei de potenţial

Pentru cazul simplu al unui singur electrod implantat în pământ valorile potenţialului pământului din jurul acestuia sunt reprezentate calitativ în diagrama de mai sus (fig.11.1), numită  şi pâlnia de potenţial.

11.1.4. MODURI ÎN CARE SE POT PRODUCE ACCIDENTELE PRIN ELECTROCUTARE

• Prin atingere directă a unui conductor aflat în mod normal sub tensiune. Măsurile de protecţie constau în împrejmuiri, supraînălţări şi prin instruirea personalului să respecte regulile de lucru în instalaţiile electrice sub tensiune.
• Prin atingere indirectă, adică prin atingerea unor părţi metalice care în mod normal nu sunt sub tensiune, dar care în mod accidental pot intra sub tensiune.Pentru a ilustra două dintre cazurile de astfel de electrocutări să revenim la curba distribuţiei de potenţial în jurul unei prize, la scurgerea unui curent prin ea, în pământ (fig.11.2).



Înainte de a aborda problema electrocutărilor prin atingere indirectă, să remarcăm că potenţialul cel mai înalt se atinge în zona electrozilor îngropaţi în pământ. Diferenţa de potenţial între aceste puncte şi solul aflat la distanţă suficient de mare (unde V=0) se  numeşte tensiune pe priză:

(11.1)

În cazul trecerii unui curent Ip prin priză, toate părţile metalice legate la priza de pământ vor avea acestă tensiune.
11.1.5. COMBATEREA PERICOLULUI TENSIUNII DE ATINGERE ŞI A TENSIUNII DE PAS
Electrocutare prin tensiune de atingere. Să presupunem că un om se află în apropierea unui echipament electric în timpul unui defect care are drept consecinţă trecerea unui curent prin instalaţia de legare la pământ. Dacă el atinge cu mâna carcasa metalică a echipamentului, legată la  priza de pământ,  atunci va fi supus unei diferenţe de potenţial numită tensiune de atingere  (a se vedea figura 11.2):
(11.2)

Se observă că, Ua < Up. Se notează cu ka coeficientul de atingere:

(11.3)

Electrocutare prin tensiune de pas. Tensiunea de pas este diferenţa de potenţial ce apare între cele două tălpi ale unui om care păşeşte într-o zonă în care se află amplasată o priză de pământ, în  cazul scurgerii prin aceasta a unui curent în pământ (vezi figura 11.2):

(11.4)
Analog, se defineşte coeficientul de pas:

(11.5)

Situaţia cea mai gravă apare atunci când omul atinge cu o mână o carcasă a unui echipament intrată accidental sub tensiune (Up), iar cu cealaltă mână ţine, de exemplu, un cablu derulat de lungime mare, care la celălalt capăt este în contact cu pământul  aflat la distanţa de priză:

(11.6)

Valorile maxime admise normate pentru tensiunea de atingere şi   tensiunea de pas.  Aşa cum s-a prezentat în capitolul anterior, în România, metodologiile folosite pentru dimensionarea instalaţiilor prin care se asigură protecţia împotriva accidentelor prin electrocutare, se bazează pe respectarea unor valori limită nu pentru curenţii ce trec prin corpul omenesc, ci pentru tensiunile accidentale la care acesta poate fi supus.
Curentul electric este periculos chiar atunci când nu trece prin corpul omenesc. Arcul electric produs de un curent poate provoca orbiri sau arsuri ca urmare a metalului topit pe care îl împrăştie.
La trecerea curentului prin corpul omenesc prin intermediul sistemului nervos sunt afectate musculatura, sistemul respirator, sistemul circulator şi se pot produce arsuri ale ţesuturilor. Deci, efectele specifice electrocutării sunt produse de trecerea unui curent prin corpul omenesc.
Curentul ce trece prin corpul omenesc (Ih) este raportul dintre diferenţa de potenţial ce poate să apară între două părţi ale corpului omenesc (şi care depinde de modul de producere al electrocutării) şi rezistenţa corpului omenesc (Rh).
În calcule se iau valori acoperitoare, mult mai mici decât cele reale:
• Rh = 1000  pentru cazul electrocutărilor prin atingere directă;
• Rh = 3000  pentru cazul electrocutărilor prin atingere indirectă.
Pe baza celor arătate mai sus privind curenţii maximi admisibili şi valorile de calcul ale rezistenţei corpului omenesc s-au calculat valori admisibile pentru tensiunile accidentale la care poate fi supus un om într-o instalaţie electrică. Ca urmare, normele prevăd valori maxime admise pentru tensiunile de atingere şi de pas în funcţie de:
• tensiunea nominală a instalaţiei: joasă tensiune sau înaltă tensiune;
• durata defectului condiţionată de modalităţile de eliminare a defectelor;
• zona de amplasare a instalaţiei electrice.

Aceste valori sunt prezentate în tabelele 11.1 şi 11.2.


Tabelul 11.1
Valorile maxime admise pentru tensiunile de atigere şi de pas  în cazul unui defect la instalaţii de joasă tensiune  [V], conform 1.RE - Ip - 30 -90






11.2. REALIZAREA PRIZEI DE PĂMÂNT ŞI A REŢELEI DE LEGARE LA PRIZĂ A ECHIPAMENTULUI ELECTRIC
Prizele de pământ se pot clasifica, pe baza anumitor criterii, în mai multe categorii. Astfel, după scopul pentru care au fost introduşi electrozii în sol prizele, pot fi:
• prize naturale constituite din elemente conductive ale unor construcţii sau instalaţii destinate altor scopuri şi care sunt în contact permanent cu pământul, putând fi folosite în acelaşi timp şi pentru trecerea curenţilor în pământ;
• prize artificiale constituite din electrozi implantaţi în pământ anume în scopul asigurării trecerii curenţilor spre pământ.
După numărul şi tipul electrozilor folosiţi, prizele artificiale se clasifică în:
• prize simple constituite din câte un singur electrod;
• prize multiple constituite din cel puţin doi electrozi legaţi între ei prin elemente conductoare de legătură;
• prize complexe constituite dintr-un ansamblu de electrozi verticali şi orizontali legaţi între ei.
După adâncimea de îngropare a electrozilor, prizele artificiale pot fi:
• prize de suprafaţă care au electrozii, de regulă, orizontali îngropaţi la o adâncime de cel mult 1,2 m;
• prize de adâncime care au electrozii (predominant verticali) îngropaţi până la    4 m adâncime;
• prize de mare adâncime sunt prize cu electrozi verticali îngropaţi la adâncimi mai mari de 4 m; ele se execută prin forare şi, de regulă, ţevile metalice folosite pentru forare rămân în pământ pe post de electrozi ai prizei.
Este evident că, ori de câte ori este posibil, trebuie folosite în primul rând prizele naturale. Acestea pot fi constituite din:
 stâlpii metalici, stâlpii din beton armat, fundaţiile din beton armat ale construcţiilor; aceste elemente constituie prize foarte sigure în exploatare deoarece au o durată lungă de funcţionare, rezistenţe de dispersie reduse, nu necesită verificări periodice, nu se corodează, betonul din jurul armăturilor are o rezistivitate chiar mai mică decât a solului (din cauza capilarităţii); este necesară însă realizarea continuităţii electrice a armăturilor (se face prin sudură);
 conductele metalice de apă şi alte fluide necombustibile, armaturile metalice exterioare ale cablurilor electrice, ţevile metalice pentru forare; la toate acestea trebuie să se ia măsuri pentru asigurarea continuităţii lor electrice.
Dacă nu se dispune de priză naturală sau dacă rezistenţa de dispersie a acesteia este insuficientă pentru asigurarea condiţiilor cerute, trebuie realizată priza artificială, ale cărei elemente componente sunt prevăzute special pentru trecerea curenţilor spre pământ, fiind interzisă folosirea lor în alte scopuri.
Pentru executarea acestor prize se folosesc electrozi din oţel şi, numai în cazuri speciale, electrozi din cupru. Nu se folosesc funii de oţel şi nici electrozi de aluminiu. Primele se corodează foarte repede, iar electrozii de aluminiu au rezistenţă mecanică redusă şi, în plus, se acoperă cu un strat superificial de oxid, care este izolant.
Ţinând seama de rezistenţa de dispersie cerută şi de terenul disponibil pentru instalaţia de legare la pământ, electrozii bandă sunt folosiţi adeseori şi în formă poligonală, inelară, de raze, în zig-zag sau în reţea.
În fiecare caz în parte trebuie avută în vedere influenţa reciprocă a diferitelor elemente din care se compune priza de pământ, influenţa geoelectrică a solului, costul materialelor şi a manoperei pentru executarea prizei respective.
Dacă electrozii unei prize multiple sunt amplasaţi la o distanţă de peste 40 m, repartiţia curentului ce trece din electrod în pământ se face uniform în toate direcţiile.
În marea majoritate a cazurilor, în practică nu se poate respecta distanţa de 40 m între electrozi. Dacă această distanţă este mai mică, prizele se influenţează reciproc nefavorabil în ceea ce priveşte trecerea curenţilor în pământ, liniile de curent abătându-se de la forma lor radială. Acest fenomen măreşte rezistenţa reală a prizei multiple în comparaţie cu valoarea rezistenţei sale echivalente teoretice (calculată pentru electrozi care nu se influenţează).
Alegerea tipului cel mai indicat de priză de pământ, ţinând seama de optimizarea instalaţiei de legare la pământ, prezintă adeseori, contrar aparenţelor, anumite dificultăţi.




11.2.1.  PRIZA ARTIFICIALĂ PENTRU STAŢII EXTERIOARE
Priza artificială pentru staţii exterioare se realizeză dintr-o priză formată din electrozi verticali (priza verticală), o priză din electrozi orizontali (priza orizontală) şi o priză de dirijare a potenţialelor (fig 11..
Prizele verticală şi cea orizontală se realizează prin amplasarea electrozilor verticali, respectiv, orizontali, pe un contur situat pe teritoriul staţiei la circa 1,5 m de gard în interior. Electrozii verticali sunt, de regulă, din ţeavă de oţel cu diametrul de 2" - 2 12"  (50 - 65 mm), cu lungimea lv = 3 m. Adâncimea de îngropare a capătului superior al electrozilor este cuprinsă între 0,8 - 1,0 m.
Electrozii orizontali sunt, de regulă, realizaţi din oţel lat sau rotund şi prin intermediul lor se realizează legătura între electrozii verticali, la capătul superior al acestora. Rezultă că adâncimea de îngropare a electrozilor orizontali este tot h = 0,8 - 1,0 m.
Lungimea unui electrod orizontal lo constituie totodată şi distanţa dintre doi electrozi verticali. În mod frecvent, lo = (2 sau 3) x lv, respectiv  lo= 6 sau 9 m;  mult mai rar se foloseşte  lo = 1 x lv = 3 m. Secţiunea acestor electrozi trebuie să asigure, în caz de defect, trecerea unui curent egal cu jumătate (conductoarele formează un contur închis) din curentul maxim de scurtcircuit care poate să parcurgă părţile metalice ale instalaţiei  de legare la pământ (Isc).
Ca urmare:

(11.7)

Priza de dirijare a potenţialelor se execută din electrozi orizontali îngropaţi la adâcimi de ordinul h = 0,4 - 0,6 m. Electrozii se dispun sub formă de benzi paralele cu latura mai lungă a staţiei şi vor trece prin zonele de deservire a echipamentelor din staţie la o distanţă de circa 0,6 m de acestea. Distanţa medie între două benzi poate fi de ordinul 5 -10 m. De la conturul pe care sunt amplasate prizele verticală şi orizontală până la prima bandă a prizei de dirijare se lasă o distanţă de circa 3,5 m (vezi fig. 11..
Priza de dirijare a potenţialelor se leagă la conturul prizelor verticală şi orizontală în mai multe puncte. Secţiunea minimă a acestor electrozi orizontali, din oţel lat sau rotund, trebuie să respecte, de asemenea, condiţia (11.7).




În jurul clădirilor aflate în incinta staţiei, în jurul fundaţiilor pentru transformatoare, se prevede un contur de dirijare aflat la circa 0,8 m de fundaţii.
În anumite situaţii, poate fi necesară executarea unui contur de dirijare şi în jurul împrejmuirii staţiei, în exterior, contur care însă se leagă numai la împrejmuire (gard). De regulă, gardul nu se va lega la priza de pământ.
Trebuie remarcat faptul că benzile paralele ale prizei de dirijare a potenţialelor servesc şi drept conductoare principale de legare la priza de pământ a echipamentelor din staţie. Aceste echipamente se vor lega prin conductoare de ramificaţie la două benzi vecine. Conductoarele de ramificaţie trebuie să aibă o secţiune care să respecte condiţia (11. deoarece este posibil ca ele să fie parcurse de întreg curentul de scurtcircuit. Conductoarele de coborâre de la stâlpii care au montate pe ei paratrăsnete se vor lega la aceste benzi în trei puncte (vezi fig.11..


11.2.2. PRIZA ARTIFICIALĂ PENTRU STAŢII INTERIOARE

Priza artificială pentru staţii interioare se compune din aceleaşi prize ca şi o staţie exterioară.
Prizele verticală şi orizontală se execută la fel ca în cazul staţiilor exterioare, din acelaşi fel de electrozi, însă de această dată pe un contur aflat în jurul fundaţiei clădirii la o distanţă de 1,5 - 2,0 m. Adâncimea de îngropare este  tot de 0,8 - 1,0 m. Secţiunea electrozilor orizontali trebuie să respecte condiţia (11.7).
Priza de dirijare este realizată din trei contururi concentrice cu conturul prizelor verticală şi orizontală: două contururi în interiorul acestuia şi unul în exterior (vezi fig.11.9). Evident, toate aceste prize se leagă între ele. Pentru legarea la pământ a aparatelor din staţie, în interiorul clădirii se execută un contur închis de conductoare principale de legare la priză la care urmează să fie legate echipamentele din staţie. Secţiunea acestor conductoare trebuie să respecte condiţia (11.7). Acest contur se va racorda la priză prin cel puţin două legături.



11.2.3.  PRIZELE POSTURILOR DE TRANSFORMARE INTERIOARE
Prizele posturilor de transformare interioare se bazează mult pe prizele naturale constituite din fundaţiile clădirii. La acestea se adaugă o priză artificială realizată din electrozi orizontali care constituie de fapt elementele de legătură între prizele naturale ale postului.
Dacă este nevoie, se poate realiza o priză artificială asemănătoare cu cea a staţiilor interioare.
11.2.4.  PRIZA ARTIFICIALĂ A STÂLPILOR LEA
Priza artificială a stâlpilor LEA se realizează din electrozi orizontali amplasaţi sub formă de contururi concentrice cu stâlpul (1 - 3 contururi), sub formă inelară sau pătratică, cu patru raze.
De la caz la caz, la extremităţile razelor se pot amplasa electrozi verticali.
11.2.5.  CONDUCTOARELE DE LEGARE LA PRIZĂ
Conductoarele de legare la priză pot fi la rândul lor naturale sau artificale. Se pot folosi drept conductoare de legare la priza de pământ următoarele elemente conductoare amplasate pe teren în alte scopuri:
 armăturile metalice ale construcţiilor de beton armat;
 ţevile de forare, ţevile din oţel pentru protecţia conductoarelor electrice;
 părţile de susţinere şi carcasele instalaţiilor de distribuţie;
 căile de rulare ale macaralelor, ale ascensoarelor etc.
Aceste elemente se pot folosi drept conductoare de legare la priză dacă li  s-a asigurat continuitatea electrică şi s-a verificat secţiunea lor la trecerea curenţilor de defect.
Conductoarele artificiale de legare la priză se realizează din oţel lat. Cele amplasate aparent se vopsesc în negru.
Mai trebuie remarcat faptul că fiecare element care trebuie legat la priză este necesar să aibă legătură proprie la conductoarele principale de legare la priză. Această legătură trebuie dimensionată astfel încât să suporte trecerea întregului curent de defect.
Secţiunea legăturii se poate calcula cu relaţia:

(11.