och potentialutjämning. Av R. Forshufvud 7 maj 2007. Sidan 1 (5) Fjärravläsning. Dämpning av PLC-signaler med hjälp av störskyddstransformator och potentialutjämning. Av Ragnar Forshufvud. 7 maj 2007. 0. Om begreppet jordning Det råder en viss förvirring i terminologin, eftersom jordning inte behöver ha något samband med marken. Det går sålunda utmärkt att jorda elektroniken i ett flygplan. I denna rapport används dock samma praxis som i Elinstallationsreglerna, där jordning innebär förbindning med mark. Annan jordning kallas potentialutjämning. 1. Beskrivning av problemet I flera olika system för fjärravläsning av elmätare används PLC = Power Line Communication. Man använder elnätet för att sända information om elmätarens ställning. Signalerna kan vara biologiskt störande och har framkallat reaktioner hos många som är medvetet elöverkänsliga. Säkert finns det en stor grupp människor vars välbefinnande störs av signalerna utan att de förstår orsaken. Erfarenheten visar att PLC-signaler tar sig in på neutralledare och skyddsledare. Även om man lyckas avstyra fjärravläsning för egen del får man in grannarnas PLCsignaler. Problemet är störst när avståndet till energileverantörens transformator är stort, så att ledningarna blir långa. Störningar på skyddsledaren är mycket störande, eftersom de strålar ut från alla skärmade och alla skyddsjordade föremål. Jag föreställer mig att PLC-signaler i A-bandet är tillräckligt lågfrekventa för att man skall kunna reducera dem utan alltför drastiska åtgärder. A-bandet omfattar frekvensområdet 9 95 kilohertz; i regel utnyttjar man bara dess övre del, 60 95 kilohertz. En känd metod att stoppa störningar är en isolera sig från distributionsnätet med en egen transformator. Transformatorn kan ha en inbyggd skärm i form av en metallfolie mellan primärsida och sekundärsida, och kallas då störskyddstransformator. Man kan diskutera om det är nödvändigt med en sådan skärm, när man har en skärmad elinstallation. Men en skärmad elinstallation är sällan alldeles tät. Det brukar finnas läckor, och därför anser jag att det är bäst att ha en skärm i transformatorn. 1 Om man inte vill koppla ihop skärmen och skyddsledaren med den störningsbehäftade PEN-ledaren måste man göra ett eget jordtag, som inte kopplas ihop med PEN-ledaren. Transformatorn skall alltså inte ha genomgående skyddsjord. Husets skyddsledare kopplas ihop med transformatorns sekundärlindning, eller 1 Normalt finns det på elnäten högfrekventa störningar, vars spektra kan sträcka sig in i mikrovågsområdet. En störskyddstransformator kan vara verksam mot PLC-signaler men släppa igenom andra, mer högfrekventa störningar. Denna rapport behandlar uteslutande PLC-problemet. 1
och potentialutjämning. Av R. Forshufvud 7 maj 2007. Sidan 2 (5) sekundärlindningarnas föreningspunkt, om det är en trefastransformator, och med jordtaget. Normalt är det inte tillåtet i vårt land att koppla bort skyddsledaren från PEN-ledaren och ansluta den till ett eget jordtag. Den troliga anledningen är att resistansen i svensk mark oftast är så hög att det är omöjligt att uppfylla kravet på snabb utlösning av säkringen vid kortslutning mellan en fas och skyddsjord. Det normala i Sverige är TN-C-S, vilket innebär fem sorters ledare inne husen (tre faser, neutral och skyddsledare) och fyrledarkabel från transformatorn. Men om man har en egen transformator utan genomgående skyddsledare, och om man kopplar ihop sin skyddsledare med neutralledaren vid denna transformator, och endast där, och ansluter föreningspunkten till ett eget jordtag, så har man ett äkta femledarsystem, precis som sjukhusen har. Den enda skillnaden är att sjukhusens transformatorer är mycket större. Om det blir kortslutning mellan en fasledare och skyddsledaren, så går säkringen direkt. Huruvida man måste ha tillstånd från Elsäkerhetsverket, eller om det räcker med att man demonstrerar att säkringen löser ut som den skall, är tills vidare en öppen fråga. Intressant i sammanhanget är att många fritidsbåtar har en isolertransformator utan genomgående skyddsjord för anslutning till landnätet. Anledningen är att landnätets obalansspänning är något som man inte vill få ombord. Den skulle nämligen kunna orsaka korrosion på metalldelar under vattenytan. 1.1 Jordresistans När jag studerade hur man beräknar jordresistans, det vill säga serieresistansen i ett jordtags ekvivalentschema, fann jag att ett jordspett, 2 meter långt, nedkört i den skånska myllan kunde ge en jordresistans på 30-40 ohm. Beräkningarna redovisas i ett appendix till denna rapport. Där framgår också att samma jordspett, nerbankat i marken någonstans ovanför morängränsen, där elöverkänsliga ofta har sitt ensliga boende, kan ge en jordresistans på 1000 ohm eller mer! Något omskakad ställde jag mig den grundläggande frågan: Vad är det vi vill åstadkomma? Svaret är att vi vill befria ett hus från elektriska fält och givetvis handlar det här om växelfält. När två ledande kroppar har olika elektrisk potential uppstår ett elektriskt fält mellan dem. Konsten att eliminera detta fält heter potentialutjämning det betyder att man kopplar ihop de två kropparna med en elektrisk ledare, så att de får samma potential. I vårt fall består den ena kroppen av skyddsledaren och allt som är hopkopplat med den: alla skärmade och alla skyddsjordade föremål. Den andra kroppen är den mark som omger huset. Vi kan försöka åstadkomma en potentialutjämning genom att koppla ihop dessa två kroppar, vilket kan ske med hjälp av ett jordtag. Det är likgiltigt om vi därigenom lyckas minska störningarna på skyddsledaren, eller om resultatet snarare kan beskrivas så att störningarna i marken ökar! Huvudsaken är att vi får bort potentialskillnaden. 2
och potentialutjämning. Av R. Forshufvud 7 maj 2007. Sidan 3 (5) En hög markresistivitet är ett problem, men ett problem som går att bemästra. Ju högre markresistiviteten är, desto mer arbete måste man lägga ner på jordtaget för att få god kontakt med omgivande mark. Många gånger kan en avskärmning av huset vara en bättre och billigare lösning. Här följer några alternativ. 2. Alternativa jordtag och ett alternativ utan jordtag 2.1 Jordspett Detta är den vanligaste formen av jordtag. Bekvämt och billigt, och man kan komma ner till frostfritt djup, om inte berget lägger hinder i vägen, eller marken är full av stenar. Det är dock det enda positiva man kan säga om denna enkla typ av jordtag. 2.2 Flera jordspett runt huset, förbundna med en slinga i form av en nedgrävd jordlina. Man skapar ett område innanför slingan som visserligen inte är helt fältfritt, men där den elektriska fältstyrkan ändå är kraftigt reducerad. Man får god kontakt med omgivande mark, och jordspetten slås ner till frostfritt djup, om markförhållandena tillåter. En lösning som är överlägsen ovanstående. En ringledare runt en byggnad som förbinder ett antal djupjordtag är ofta ett utmärkt jordningssystem. (Referens 1.) 2.3 Jordnät. Om man har gott om pengar och en stor tomt kan man komplettera slingan enligt 2.2 med radiella linor nedgrävda i marken. Då får man något som liknar de jordnät som används för att förbättra verkningsgraden hos antenner för mellanvåg och långvåg. Benämningen jordnät antyder att de ursprungligen har utförts som spindelnät, med tvärgående trådar mellan de radiella, men att man senare har slopat dessa, eftersom de inte ger någon nämnvärd förbättring. Strandén beskrev jordnät med följande ord: Som det idealiska jordnätet brukar man räkna ett nät, nedgrävt 15 à 30 cm i marken, bestående av ca 120 trådar, vilka utstråla radiellt från en punkt mitt under antennen och vilka äro ungefär en halv våglängd långa och jämnt fördelade i alla riktningar, alltså på inbördes vinkelavstånd av 3 o. Minskar man på jordnätstrådarnas längd, är det vidare ej någon märkbar fördel att ha så många trådar som 120, utan man kan samtidigt minska på trådantalet utan att jordmotståndet ökar nämnvärt. [4] Nå, så ambitiösa skall vi givetvis inte vara. Men radiella linor kan förbättra kontakten med marken runt huset, om de så bara är två eller tre. Strandén: Det fördelaktigaste utförandet av jordnätet får bedömas från fall till fall. Vid mark med god ledningsförmåga erfordras exempelvis ej så stort jordnät som vid mark med dålig ledningsförmåga. Strandén talar om trådar, inte om linor, och givetvis kan man använda metalltrådar av kostnadsskäl. För själva jordtaget finns det dock föreskrifter för minsta tillåtna area, se tabell 54A i Elinstallationsreglerna, SS 436 40 00. 2 Kraven är förmodligen formulerade med tanke på att jordelektroden skall tåla ett blixtnedslag utan att brinna upp. Om man förbättrar slingans kontakt med marken genom radiella ledare bör man 2 För ledare oskyddad mot korrosion krävs 25 mm 2 koppar eller 50 mm 2 varmförzinkat stål. 3
och potentialutjämning. Av R. Forshufvud 7 maj 2007. Sidan 4 (5) vara noga med valet av material. Kopplar man ihop olika metaller kan det finnas risk för galvanisk korrosion. 2.4 Faradaybur Den radikala lösningen är att utföra hela huset som en faradaybur och potentialutjämna mellan PEN-ledaren och väggarna i buren. Då behövs inget eget jordtag, och man slipper de strömmar som annars skulle passera genom jordtaget ut i marken och ge magnetiska växelfält. En enklare variant av faradayburen är ett hus i armerad betong, där man har tagit med armeringen i potentialutjämningen. Fönster och dörrar utgör öppningar i buren, men dessa kan åtgärdas, till exempel genom att man väljer fönster i metallram med metalliserade glas, och tapetserar dörrarna med folie, som måste tas med i potentialutjämningen. Glöm inte att sätta in jordfelsbrytare! Eftersom störningarna har en frekvens som är lägre än 100 kilohertz (våglängd 3000 m) är kraven på burens täthet måttliga några springor här och där kan tolereras. Det är viktigt att potentialutjämningen görs så nära störkällan som möjligt, alltså där kabeln kommer in i huset. Jag vill också påminna om möjligheten att göra en faradaybur av ett trähus med hjälp av skärmande material (metallnät, metallfolie eller skärmande färg). Skärmande färg är ett kapitel för sig. Det finns numera flera tillverkare/leverantörer av elektriskt ledande avskärmningsfärg: Biologa med RTK i Vallentuna som svensk representant, Caparol och SEM-TECH Technologies. Den sistnämnda vet vi inte mycket om, hemsidan www.semtechsystems.com är under uppbyggnad. Biologa och Caparol föreskriver att färgskiktet skall förbindas med potentialutjämningsskenan, och det är ju nödvändigt om skiktet skall göra nytta vid de frekvenser som ligger i A-bandet. Det har framhållits att en spik, avsedd att hänga en tavla på, som råkar tränga in till en spänningsförande ledare, kan medföra risk för brand genom att det går ström genom skiktet till jord. Lämpliga åtgärder: Måla över avskärmningsfärgen med annan färg, så att luftens syre stängs ute. Installera jordfelsbrytare. Om det inte går ledningar uppe vid taket, sätt en trälist där, så att tavlorna kan hängas på ståltrådar fästa vid listen, som i utställningslokaler. 3. Serieimpedans En potentialutjämning eliminerar elektriska spänningar, men ger samtidigt upphov till elektriska strömmar. I fallen 2.1 2.3 måste man räkna med att det kommer att ligga en serieresistans mellan jordtaget och omgivande mark, och för att få den elektriska fältstyrkan så låg som möjligt bör man försöka begränsa strömmen genom jordtaget med hjälp av en serieimpedans, som placeras så nära källan som möjligt. På det sättet minskar man också det magnetfält som strömmen alstrar. Man bör alltså se till att den egna transformatorn har så liten kapacitans som möjligt mellan primärsidan och skärmen, eftersom skärmen kopplas till jordtaget. Önskemålet måste balanseras mot ett annat önskemål: att det skall vara god magnetisk koppling mellan primär och sekundär. Transformatortillverkarna vet vilka möjligheter som finns. En enfas transformator för 10 ampere, för att ta ett exempel, kan ha en kapacitans mellan primärlindning och skärm på 1 nanofarad, om man lägger två millimeter mylar mellan lindningen och skärmen. (Baserat på diskussion 4
och potentialutjämning. Av R. Forshufvud 7 maj 2007. Sidan 5 (5) med Lennart Sjöholm på Nordtrafo AB. 3 ) Det ger en impedans på 2000 ohm vid frekvensen 80 khz. Motsvarande kapacitans i en trefastransformator för 16 ampere kan uppskattas till 4 nanofarad, vilket ger 500 ohm vid 80 kilohertz. 4 Man inser lätt att det kan bli en besvikelse om man försöker potentialutjämna med ett enstaka jordspett, eftersom jordresistansen kan bli 1000 ohm eller mer, om markförhållandena är ogynnsamma. Det finns ett annat sätt att öka serieimpedansen i skyddsledaren. Man kan låta den gå några varv genom en toroid av magnetiskt material. Då skulle man kunna avstå från egen transformator. För att åstadkomma en impedans som är lika stor som den som kapacitansen i den tänkta trefastransformatorn ger, alltså 500 ohm vid 80 khz, krävs en induktans på 1 millihenry. Det skulle kräva 62 varv på Amidons största järnpulverkärna T-400A-26, med 102 mm ytterdiameter 5. Efter induktansen skulle man i så fall koppla ihop skyddsledaren med det egna jordtaget, och från föreningspunkten gå vidare till husets skyddsjord och skärmar. Kostnaden skulle bli betydligt lägre än kostnaden för en transformator. Men för att resultatet skall bli bra krävs en skärmad elinstallation som är alldeles tät. 4. Slutsats Problemet med PLC-signaler på PEN-ledaren kan vara svårt att lösa. Det kan bli nödvändigt att omge byggnaden med ett bra jordtag, alternativt skärma hela byggnaden mot omgivningen. Det sistnämnda bör alltid övervägas om byggnaden är ett radhus eller kedjehus. Eftersom störningarnas amplitud, markens resistivitet och den boendes känslighet samtliga kan variera med flera tiopotenser är det omöjligt att säga hur omfattande åtgärder man måste tillgripa i det enskilda fallet. Ett visst experimenterande kan bli nödvändigt. 5. Tack till Clas Tegenfeldt för kritiska synpunkter på första versionen av denna rapport. 6. Referenser 1. H.Mörk, R.Birksjö, S.Gunnarsson, U.Rengman: Elektromagnetiska störningar, uppkomst och reduktion. ISBN 91-21-58820-1 (1991). Kapitel 10 Jordning, ss.117-132. 2. Elinstallationsguiden Vägledning till Elinstallationsreglerna. ISBN 91-89667-10-7 (2004). Kapitel 542 Anslutning till jord, ss.106-110. 3. Stig Ekelöf: Teknisk elektricitetslära. Ingenjörshandboken, del 3a, Teleteknik, allmän elektroteknik (1950). ss 800-801. 4. F. Strandén: Antenner och vågutbredning. Ingenjörshandboken, del 3a, Teleteknik, allmän elektroteknik (1950), s 735. 3 Nordtrafo ligger i Bjärtrå och Nyland nära Sollefteå. 4 Det återstår att undersöka om de uppskattade värdena på kapacitansen är realistiska. Om det inte finns något användbart simuleringsprogram måste man beställa en prototyp. 5 ELFA artikelnummer 58-726-92 5