Analys av nollföljdsproblem Jordtagsutformning, Jordtagskontroll och riskhantering jordfelshantering i drift Elforsk rapport 10:07 Arne Berlin 01-2010
Analys av nollföljdsproblem Jordtagsutformning, Jordtagskontroll och riskhantering jordfelshantering i drift Elforsk rapport 10:07
Arne Berlin Januari 2010
Förord Detta projekt formulerades från projektidéer som arbetades fram via Elforsk workshop sommaren 2008. Projekt har genomförts av Arne Berlin, Henrik Elfving och Erik Torkildsson Vattenfall Consultant AB. Del 1 har i huvudsak framarbetats av Henrik, del 2 av Arne och Erik medan del 3 har i huvudsak framarbetats av Arne. Projektet genomfördes mellan 2009-06 - - 2009-12. Styrgruppen omfattades av Åke Sjödin och Susanne Olausson Elforsk samt P- O Olofsson Vattenfall Eldistribution AB, Per Bengtsson Fortum Distribution AB, Roger Petersson Göteborg Energi Nät AB, Roger Lagerström Eon Distribution AB. Jag vill även tacka alla kollegor inom Vattenfall som deltagit eller bidragit till projektet och framförallt fältprovet i Bäckefors. Del 2 blev mer omfattande än ursprunglig plan vilket gjorde att del 3 fick minska i omfattning. Projektet har varit intressant och stimulerande där teori och praktik sammanfogades. Sammantaget uppnådde projektet den målsättning som presenterades vid uppstartmötet 3 juni 2009. Rapporten kan användas som underlag för framtida riktlinjer - gemensamt inom branschen eller i enskilda distributionsbolag och framtida utvecklingsprojekt. Trollhättan Januari 2010 Arne Berlin Vattenfall Power Consultant AB Projektledare
Sammanfattning Denna rapport behandlar utformning av jordtag, en ny metod att fastställa utbredda jordtag och en riskanalysmetod att värdera försämrad jordfelsegenskap under drift. Rapportens utgångspunkt är kablifierade landsbygdsnät. Del 1 behandlar utformning av jordtag. Den traditionella metoden att utforma jordtag i kablifierade landsbygdsnät är med både ytjordtag, i form av längsgående marklina med MV-kabeln, och djupjordtag i form av 3-6 m långa järnspett med kopparlina. En allmän teknisk och ekonomisk analys visar att utformningen kan ifrågasättas utifrån dagens krav på jordtag. Marklina längs MV-kabeln torde ha en mycket marginell betydelse för systemets förmåga att leda tillbaka jordfelsströmmar. Kabelskärmar har en avgörande betydelse för jordtagets återledningsförmåga och de beröringsspänningar som kan uppkomma i PEN ledarsystem. Två alternativa metoder föreslås, vilka blir både bättre och billigare. Del 2 behandlar problem med att fastställa utbreda jordtag och en ny metod kallad Högspänningsmetoden med enbart spänningsmätning presenteras. Metoden bygger på att mäta beröringsspänning direkt vid ett stumt jordfel. Vid närmare analys visade sig att ett stumt jordfel orsakar en strömtransient vilken i sin tur orsakar en transient beröringsspänning av betydande storlek. Metoden fick modifieras genom att jordfelet fick utföras via en dämpspole. Den modifierade metoden och existensen av transienten verifierades i ett fältprov utanför Bäckefors i Dalsland. Metoden bör kontrolleras ytterligare innan man kan rekommendera den. Det finns ytterligare alternativa metoder beskrivna som man också skulle kunna utvärdera och pröva. Då man i del 2 har verifierat beröringsspänningens transient i kabelnät skapar det frågor om man inte bör beakta denna i framtida krav på jordtagsutformningen. Dagens krav är enbart formulerade utifrån en beräkning i stationärtillstånd. Ett MV-nät som har en betydande andel markkabel erhåller varierande jordfelsegenskaper vid olika driftläggningar. Nätet är ofta optimerat och designat för en normaldriftläggning men det är mycket vanligt att varierande omfattning av reservdriftläggningar förekommer i nätet. Detta leder till en mer eller mindre försämrad jordfelshantering. Del 3 behandlar en riskanalysmetod att hantera och värdera en försämrad jordfelshantering som orsakas av olika långa driftläggningar. Metodens ingående parametrar är inte djupanalyserade utan framtagna ur ett mer rimlighetsresonemang. Metoden är enkel och snabb att genomföra. Kapitel 4 beskriver förslag till implementering och fortsatt arbete till projektets resultat.
Summary This report deals with the design of the earth electrode, a new method to determine the widespread earth electrode and a risk analysis method to evaluate impaired characteristic of earth fault during operation. The report's starting point is MV underground cable network in rural areas. The report is focused on MV underground cable network in rural areas. Part 1 deals with the design of the earth electrode. The traditional approach to design an earth electrode in MV cable network are both shallow earth electrode, along the MV cable, and deep earth electrode in the shape of 3-6 meter long iron rod. The technical and economic analysis shows that its possible to simplify the traditional design of earth electrode. Ground wire along the MV cable should have a very marginal role in the system's ability to conduct back earth fault current. The impact on the earth electrode are very depended on the cable screen and have a large effect on the touch voltage in the PEN system.two alternative methods are proposed, which is both better and cheaper. Part 2 deals with problems in establishing spread earth electrode and a new method called "high-voltage method with only voltage measurement" is presented. The method is based on measuring the touch voltage directly from an real earth fault. On closer analysis showed that an earth fault causes a transient current which in turn causes a transient touch voltage of a significant size when the fault resistance is zero. The method has to be modified. By doing the earth fault test through a coil, the voltage transients was eliminated. The new method got better and safer. The modified method and the existence of transients were verified in a high voltage test in Bäckefors in western part of Sweden. This method should be checked further before we can recommend it. There are additional alternatives described as one could also evaluate and examine. The verified touch voltage transients in cable network create questions if the demands on the design of earth electrode should be change in the future. Today's requirements are only formulated based on an estimate of the stationary state. An MV networks with lot of underground cables will have varying characteristic of earth fault at various operational network load flow configurations. The network is often optimized and designed for a normal operational network configuration, but it is very common with alternative network configuration in operation. This leads to a more or less impaired earth fault operation. Part 3 deals with a risk analysis methodology to manage and evaluate the deterioration earth fault operation caused by different time of the operational network configuration. Method of input parameters is not deep analyzed without developed from a more reasonable reasoning. The method is simple and quick to implement.
Innehåll 1 Del 1: Analys jordtagsutformning 1 1.1 Syfte och bakgrund... 1 1.2 Arbetssätt/Metodbeskrivning... 1 1.3 Grundförutsättningar... 2 1.3.1 Risk för personfara... 2 1.3.2 Beröringspänning enligt norm... 2 1.3.3 Max 100 V beröringspänning vid avstämt nät... 2 1.3.4 Påverkan vid onormal driftläggning... 3 1.3.5 Strömtransienter... 3 1.3.6 Felbortkopplingstider... 3 1.3.7 Dubbla jordfel... 3 1.3.8 Potentialutjämning... 3 1.3.9 Jordtagsledare... 4 1.3.10 Påverkan från direktjordade elnät... 5 1.4 Analys av jordtagsmetoder... 5 1.4.1 Djup eller ytjordtag... 5 1.4.2 Markens resistivitet... 5 1.4.3 Berggrundens resistivitet... 6 1.5 Mätmetoder och Beräkningar av jordtag... 7 1.5.1 Svag och starkströmsmetoden... 7 1.5.2 Beräkningar av jordtag enligt EBR... 7 1.5.3 Kontroll av skärm i sammanhängande kabelnät enligt EBR... 8 1.5.4 Jordtag i större sammanhängande kabelnät... 8 1.5.5 Jordfelströmmens återledningsväg... 9 1.6 Samjordning med överliggande nät... 10 1.6.1 Samjordning med överliggande högohmigt jordade nät... 10 1.6.2 Samjordning med överliggande direkt jordade nät... 10 1.7 Skydd mot blixtnedslag... 11 1.8 Ekonomisk bedömning... 11 1.8.1 Djupjordtag... 11 1.8.2 Jordlina... 12 1.8.3 Jämförelse... 12 1.8.4 Prisjämförelser för jordtag i fullt utbyggda distributionsnät... 13 1.9 Sammanställning och rekommendationer... 14 1.9.1 Jämförelser mellan små och stora nät... 14 1.9.2 Jämförelse av jordtag i blandnät med delar som inte är samjordade... 16 1.9.3 Jämförelse 20 kv nät... 16 1.9.4 Kontrollmätning... 16 1.9.5 Förslag till jordningsprinciper... 16 1.9.6 Förslag till fortsatta arbeten... 17 2 Del 2: Analys jordtagskontroll 18 2.1 Inledning och bakgrund... 18 2.2 JORDTAG... 18 2.2.1 Jordtagsresistans... 18 2.2.2 Beröringsspänning... 19 2.3 Nuvarande metoder för jordtagsmätning... 21 2.3.1 Starkströmsmetoden (Stam och regionnät)... 21 2.3.2 Bryggmetoden... 21 2.3.3 Högfrekvensmetoden (Stam och regionnät)... 22 2.3.4 Tångmetoden (slingresistans)... 23 2.3.5 Skärmkontrollmetoden... 23 2.4 Jordtagskontroll mellanspänningsnät enligt EBR... 24
2.4.1 Landsbygdsnät... 24 2.4.2 Friledningsmatat kabelnät... 24 2.4.3 Sammanhängande kabelnät... 25 2.5 Alternativa grundprinciper för jordtagsmätning... 26 2.5.1 Starkströmsmetoden... 26 2.5.2 Högspänningsmetod med ström- och spänningsmätning... 27 2.5.3 Högspänningsmetoden med enbart spänningsmätning.... 27 2.5.4 Vidareutveckling av Högspänningsmetoden med enbart spänningsmätning... 28 2.6 Förslag till mätmetod... 30 2.7 Analys av jordfelets stationära tillstånd... 30 2.8 Analys av jordfelets transienta tillstånd... 33 2.8.1 Transienter vid jordfel... 33 2.8.2 Urladdningsintervallet... 34 2.8.3 Omladdningsintervallet... 34 2.8.4 Övergångsintervallet... 36 2.8.5 Kvasistationära tillståndet... 36 2.8.6 Bortkoppling av en reaktiv felimpedans, ZF=RF+jXF... 36 2.9 Fältprov Högspänningsmetoden med enbart spänningsmätning (metod 1.1)... 37 2.9.1 Basutrustning... 37 2.9.2 Säkerhetsanalys... 38 2.9.3 Mätteknik... 41 2.9.4 Planering Nossebro nätet... 42 2.9.5 Planering Bäckefors nätet... 43 2.9.6 Resultat fältprov Bäckefors fältprov... 45 2.9.7 Jämförelse med simulering i PSCAD/EMTDC.... 45 2.9.8 Slutsatser... 46 3 Del 3: Riskanalys jordtagshantering i drift. 47 3.1 Inledning... 47 3.2 Det högimpedansjordade systemets jordfelsegenskaper... 47 3.3 Konsekvensbeskrivning... 49 3.3.1 Konkreta orsaker som kan försämra jordfelshanteringen.... 49 3.3.2 Felbortkoppling... 50 3.3.3 Konsekvens felfunktion i reläskydd... 50 3.3.4 Konsekvens beröringsspänning... 52 3.4 Sannolikhet... 53 3.4.1 Sannolikhet till jordfel, n 1... 53 3.4.2 Varaktighet, tillgänglighet, n 2... 53 3.4.3 Sannolikheten för en försämrad jordfelshantering... 54 3.5 Riskanalysmatris... 55 3.6 Exempel på tillämpning av riskanalysmatris... 56 3.7 Slutsatser... 56 4 Rekommendationer 57 5 Referenser Fel! Bokmärket är inte definierat. Bilaga1: Planering av fältprov Bilaga 2: Mätresultat fältprov i Bäckefors Bilaga 3: Simulering motsvarande fältprovet i Bäckefors
1 Del 1: Analys jordtagsutformning 1.1 Syfte och bakgrund Denna del av rapporten skall ge underlag för vilka jordningsmetoder som kan vara lämpliga i olika typer av kablifierade distributionsnät. Eftersom jordtagen kan vara utbredda och sammanhängande kommer mätningar med konventionella metoder för att verifiera det resulterande jordtagsvärdet att vara svåra och kostsamma att utföra. Metoderna kommer att baseras på teorier kring jordtag i homogena markskikt och erfarenheter från jordtagsmätningar av enskilda jordtag. Rapporten behandlar de jordtag som är sammanhängande (samjordade). Enskilda jordtag vid stolpar, stag, frånskiljare etc. berörs inte. Frågan kring jordtag i kablifierade distributionsnät har under en längre tid diskuterats. Det har visat sig att den spänningsättade jordfelströmmen ökar i och med att näten kablifieras mer och mer. Detta ställer krav på bättre jordtag för att uppfylla kraven på framförallt beröringsspänningar. Nätstationsjordtagen i kabelnät blir sammanhängande vilket medför mycket låga resulterande jordtag. Nya jordtag utförs i regel med längsgående jordlina i mellanspänningnätet samt med ett antal jordspett i lågspänningsnät och nätstationer. Grundfrågan är vilken nytta ytjordtaget respektive djupjordtaget har i ett kablifierat nät. Är det möjligt att förenkla jordtagen till en lägre kostnad. Ett växande problem är Cu-stölder nätbolagen gräver ned Cu-linor medan tjuvar gräver upp dem. Hur viktigt är det att återställa systemet nya kopparlinor? Historiskt har kraven på resulterande jordtag varierat. I samband med att kraven på bortkoppling av högomiga jordfel (3000 och 5000 ohm) infördes nollpunktsmotstånd med lägre märkström. Detta innebar att den spänningssättande jordfelströmmen minskade och jordtagen kunde därigenom också göras billigare. Jordtagen i de befintliga näten kan variera stort beroende på när i tiden de gjordes och hur god markresistiviteten är i området. 1.2 Arbetssätt/Metodbeskrivning I första hand kommer grundförutsättningar gås igenom som visar vilka jordfelströmmar som uppstår i kabelnät. Därefter visas hur personfaran beror på jordtag, jordfelström och felbortkopplingtid. Utifrån detta kommer jordtagen i samjordade kabelnät att studeras, dels utifrån de metoder som används för närvarande (EBR), dels bedöma vilka krav som kan behöv ställas för nya jordtag i nät som kablifieras. En bedömning i fråga om kostnader för jordag kommer också att göras. Utifrån detta kommer en rekommendation att utföras utifrån storlek på kabelnätet och områdets markförhållanden. 1
1.3 Grundförutsättningar 1.3.1 Risk för personfara Jordtagens viktigaste uppgift är att minimera risken för personfara. Riskerna kan minimeras på ett antal olika sätt varav bra jordtag är ett sätt. I detta avsnitt kommer analys av beröringsspänningar pga. den resistiva strömkomponenten för jordfel i högohmigt jordade nät analyseras. Näten förutsätts vara avstämda och drivas vid normaldriftläggning. Övriga sätt att påverka riskerna kommer att redovisas men inte närmare analyseras i detta avsnitt. 1.3.2 Beröringsspänning enligt norm Beröringsspänningen enligt norm (SS 421 01 01) delas i upp i två delar. En del gällande de beröringsspänningar som gäller för mellanspänningsanläggningar. I dessa fall kan högre beröringsspänningar tillåtas. Normalt dubbla spänningen jämfört med tabell 9.1, (se figur 2.2.2) i SS 421 01 01. Anledningen till att högre beröringsspänningar är främst att tilläggsresistans medräknas t ex i skor och potentialutjämning i golv eller mark. I fråga om samjordade system med TN lågspänningssystem hänvisas beröringsspänningen till tabell 9.1 i SS 421 01 01. I detta fall delas beröringsspänningen upp i två fall ett där jordning enbart sker i transformatorstationen och ett fall där jordning sker på fler ställen utefter lågspänningssystemets PEN-ledare. Värsta fallet är då jordning enbart görs på ett ställe i transformatorstationen då kan tabell 9.1 användas direkt. 1.3.3 Max 100 V beröringsspänning vid avstämt nät Som ett grundfall används 100 V som max beröringsspänning vid avstämt samjordat nät och normaldriftläggning. Nätets totala resistiva jordfelsströmkomponent beräknas för fullt kablifierat nät. Strömmen beräknas med nollföljdseffektmetoden eller med hjälp av beräkningsprogram. Nollföljdseffektmetoden finns beskriven sedan tidigare och går ut på att summera alla nollföljdseffekter i nätet vid ett stumt jordfel och sedan räkna ut den totala resistiva jordfelsströmkomponenten. Om nätet är kompenserat på rätt sätt med utlokaliserade nollpunktsreaktorer kan bidragen enkelt summeras. Bidrag från den centrala nollpunktsreaktorn, nollpunktmotståndet, transformatorn beaktas samt bidragen från de utlokaliserade kompenseringarna. Kablarnas bidrag till den resistva felströmskomponenten kan i stort sett försummas om nätet är kompenserat på rätt sätt. Vid större nät och då utlokaliserad kompensering inte görs fullt ut kan beräkningsprogram behöva användas. Den beräknade resistiva felströmskomponenten tillsammans med värde på maximal beröringsspänning ger sedan krav på vilka jordtagsvärden som måste uppfyllas. Exempelvis innebär en maximal resestiv strömkomponent på 20 A att jordtagen i detta fall inte får överstiga 5 ohm vid 100 V maximal beröringsspänning. 2
1.3.4 Påverkan vid onormal driftläggning Onormal driftläggning kan förkomma, dels reservdriftläggning som kan påverka den resistiva strömkomponenten vid jordfel och dels fel på avstämningen mot den kapacitiva strömkomponenten. Dessa tillstånd kan ge upphov till högre beröringsspänningar och behandlas i separat avsnitt. 1.3.5 Strömtransienter Peronrisker föreligger också med strömtransienter som kan inträffa initialt när jordfel startar. Kablifieringen ger upphov till betydlig högre värden på dessa transienter jämfört med rena friledningsnät. Det finns inga elsäkerhetskrav som dimensionerar hur stora beröringsspänningar som dessa får ge upphov till. 1.3.6 Felbortkopplingstider Personrisken minskar med kortare felbortkopplingstid (strömmens som en funktion av varaktigheten, SS 421 01 01). Ur personsäkerhetssynpunkt är det önskvärt att ha så korta felbortkopplingstider som möjligt. Tillåten beröringsspänning 100 V är angiven vid 1 sekund och ca 75 V vid fortvarighet. Frågan är om kortare felbortkopplingstider kan innebära andra krav på jordtagsvärden. Frågan behandlas inte i detta avsnitt. 1.3.7 Dubbla jordfel Gällande dubbla jordfel finns inte några krav i fråga om beröringsspänningar. Goda jordtag och potentialutjämning är dock alltid till fördel i fråga om att minska riskerna för personfara och även risker för förstörd utrustning. Dubbla jordfel nära varandra i olika faser innebär att en tvåfasig kortslutningsström leds via skärmkretsen. Skärmar och skall termiskt vara dimensionerade för dubbla jordfel. Om värdet 200 A/mm² och 1 sekund för kopparledare används kan nedan angivna maximala kortslutningseffekter användas. Kabelns skärm skall således väljas utifrån maximal tvåfasig kortslutningsström. Eventuell förekommande jordfelsström i samband med dubbelt jordfel saknar betydelse i fråga om skärmkretsens dimensionering. - 25 CU => max 117 MVA - 35 CU => max 163 MVA 1.3.8 Potentialutjämning Att potentialutjämna är alltid till fördel i fråga om risker med beröringsspänningar som kan förorsaka personfara. I de beräkningar som görs förutsätts att sann jordpotential finns i närheten av personen som kan 3
utsättas för beröringsspänning. I praktiken måste det dock i princip finnas en isolerad ledare som kommer utifrån och finns i närheten av ett jordat samjordad lågspänningssystem. Alternativet är att lågspänningsjorden (skyddsledare) dras ut till något område, vattendrag, byggnad etc. som står på sann jordpotential. I fråga om lågspänningssystemet brukar detta var jordat på flera ställen och på så vis bidrar detta till potentialutjämning. Områden som innesluts av flera jordspett har mindre risk för höga beröringsspänningar medan områden som ligger i jordningssystemets ytterkanter har större risk. Potentialutjämningen påverkas också av markresistiviteten som ger en större spänningstratt i de fall markresistiviteten är hög vilket på så vis kan vara till fördel i fråga om potentialutjämning. Att samjorda den utifrån inkommande isolerade ledare med lågspänningssystemets skyddsjord kan vara ett sätt att eliminera risken för beröringsspänning. Den andra risken med att lågspänningsskyddsjorden dras ut utanför området kan lösas genom att skapa utbredda jordtag. Detta innebär att spänningstratten blir flackare och därmed innefattar ett större potentialutjämnat område. I flera andra länder jordar man varje fastighet lokalt och samjordar lågspänningsskyddsjorden med fastigheten. Detta är då ett sätt att minska risken för beröringsspänningar. Metoden kan dock ha andra problem och system i Sverige är inte uppbyggt på detta vis. Vid nybyggnad och ombyggnad skall samtliga ledande delar införas på samma ställe i fastigheten. På sikt innebär detta att mer eller mindre alla fastigheter kommer att potentialutjämnas och risken för farliga beröringsspänningar i fastigheterna kommer att minimeras. I en riskanalys behöver bl a. dessa faktorer värderas för att på så vis kunna bedöma riskerna i befintliga nät och finna metoder för att eliminera riskerna. 1.3.9 Jordtagsledare Enligt SS 421 01 01 skall jordtagsledare av mekaniska skäl samt för förmåga att motstå korrosion ha minsta areorna: - Koppar 16 mm² - Aluminium 35 mm² - Stål 50 mm² I de fall stora mängder lina används bör frågan om korrosion och mekanisk hållfasthet övervägas närmare eftersom kostnaderna att förlägga linor av denna area kan bli betydande. 4
1.3.10 Påverkan från direktjordade elnät Om det finns jordtag eller längsgående jordlinor i närheten av direktjordade elnät (konstruktionsspänningen 145 kv eller högre) finns risk för förhöjd spänning i det samjordade distributionsnätet. Om det t ex inträffar ett jordfel i det direktjordade nätet och distributionsnätet är jordat i närhet av där jordfelsströmmen går ner i marken finns det risk att hela distributionsnätets skyddsjordningssystem kan få förhöjd spänning. Utbredningen av den spänningstratt som jordfelsströmmen förorsakar kan variera stort beroende på markresistiviteten. Även utformningen av det direktjordade nätets jordtag påverkar, t ex om stolparna har jordade regler, förekomsten av topplinor etc. Det är då en viktig fråga att kontrollera det sammanhängande skyddsjordningssystem för distributionsnät som kan finnas inom spänningstrattens område och vilken spänningshöjning som det kan medföra. Det är inte bara att ange ett standardavstånd hur nära en jordad stolpe i det direktjordade systemet som man kan förlägga sin distributionsnätjordning. Det krävs alltid en bedömning av hur spänningstratten som jordfelsströmmen i det direktjordade nätet förorsakar. En bedömning kan t ex. göras utifrån jordtagsmätningar av stolpjordtagen i det direktjordade systemet. I de fall distributionsnätets jordningsystem är nära eller passerar ett direktjordat system finns risk för induktion i samband med jordfel i det direktjordade systemet. Detta behöver alltid beaktas och beräknas från fall till fall. Normalt skall man undvika att dra kablar parallellt med direktjordade ledningar. En bedömning med avseende på längder, eventuella topplinor, och jordagens placering behöver alltid göra i dessa fall. 1.4 Analys av jordtagsmetoder 1.4.1 Djup eller ytjordtag Två typer av jordtag behandlas i rapporten. Djupjordtag är vertikala jordtag som går ner tillräckligt djupt för att komma ner till grundvattennivå. Jordtagen ger lägre jordtagsvärden jämför med motsvarande lika långt horisontell ytjordtag. Djupjordtagen är stabilare eftersom de inte påverkas av markuttorkning och tjäle. Markuttorkning och tjäle kan påverka markens resistivitet avsevärt och därigenom också jordtagsvärdet. Det är också djupjordtag som rekommenderas att utföras enligt gällande föreskrifter och rekommendationer. Ytjordtag används bl.a. för att potentialutjämna marken för att undvika stegspänningar. 1.4.2 Markens resistivitet Markens resistivitet (ρ) har en direkt påverkan på jordtagets avledningsresistans (R) där jordledarens längd (L) påverkar enligt formeln nedan. 5
(1) R = ρ L Markresestiviteten (övre skiktets resistivitet) kan variera stort. Tabell 1 ger ungefärliga riktvärden för olika typer av mark, berg och vatten. Tabell 1.1 Markresistivitet för olika typer av mark, berg och vatten Lera Lerblandad sand Gyttja, torv, mull Sand, mjäla Morängrus Urberg Sjövatten Havsvatten 10-70 ohm*m 40-300 ohm*m 50-250 ohm*m 1000-3000 ohm*m 1000-10000 ohm*m 10000-50000 ohm*m 100-400 ohm*m 1-50 ohm*m I beräkningar av enskilda jordtagsvärden antas homogena markskikt gälla för att beräkningar enkelt skall kunna göras. I verkligheten kan ytskiktet variera och djupjordtag kan behövas för att komma ner i skikt med bättre ledningsförmåga. För att verifiera beräkningar krävs att mätningar görs. 1.4.3 Berggrundens resistivitet Förutom det övre skiktets resistivet påverkar även det undre skiktet (berggrunden). Detta skikt har mindre betydelse i fråga om lokala distributionsnät men har stor betydelse i fråga om nät med större utbredning t ex direktjordade region och stamnät. Resistiviteten för bergrunden kan i vissa områden uppgå till mer än 10 000 ohm*m och i andra områden kan den vara mindre än 600 ohm*m. Som medelvärde bruka 3000 ohm*m anges. Principiellt kan man säga att ett mer utbrett jordtag och ett större avstånd till dit jordfelströmmen återleds ju mer påverkar berggrundens resistivitet. 6
1.5 Mätmetoder och Beräkningar av jordtag 1.5.1 Svag och starkströmsmetoden I fråga om mätningar i distributionsnät används normalt alltid svagströmsmetoden medan starkströmsmetoden används i fråga om större sammanhängande jordtag i nät som är direktjordade. För att metoden skall ge god noggrannhet fungerar svagströmsmetoden för små sammanhängande jordtagsområden i marker med god resistivitet. Motsatsen är starkströmsmetoden som fungerar för större sammanhängande jordtagsområde och med mark av sämre resistivitet. I fråga om direktjordade nät krävs också högre noggrannhet vilket också talar för starkströmsmetoden. Mätmetoderna bygger på samma princip, skillnaden är att mätströmmen är mycket högre med starkströmsmetoden samt att avstånden för mätkretsen skiljer sig betydligt. Svagströmsmetoden innebär avstånd på ca 100-200 m och är mycket enklare att hantera medan starkströmsmetoden behöver mätledningar på ca 10 km. Starkströmmetoden kräver att ledningar tas ur drift eftersom det inte är möjligt att dra ut så långa mätledningar som krävs. (Se vidare kapitel 2) 1.5.2 Beräkningar av jordtag enligt EBR Resulterande jordtag för sammanhängande jordtag med utbredning mindre än 3 km beräknas enlig EBR i samband med idrifttagning. Resulterande jordtag beräknas enligt formeln nedan där R1, R2, osv. är uppmätta enskilda jordtag (svagströmsmetoden). Enskilda jordtag med hög resistans tas inte med eftersom de inte påverkar nämnvärt. Om avstånden mellan enskilda jordtag är mindre än 50 m medräknas bara ett av dessa. (2) R Re s = 1 R 1 1 + R 2 1 1 + R 3 1 +... R Mätning görs även med jordtagen sammanhängande för att få fram resulterande jordtagsvärde. Resulterande jordtagsvärde samt beräknade värden jämförs med högst tillåtna jordtagsvärde. Utifrån resulterande jordtagsvärden bestäms ett av dessa som referensvärde som används vid senare kontrollmätningar. Högsta tillåtna resulterande jordtagvärde faställs av hur stor jordfelström som normal kan uppstå (resistiv strömkomponent). Historisk har nollpunktsmotståndet märkström använts samt lite tillägg för resistiv restström och eventuell lite marginal för snedavstämning. Kravet 100 V används i fråga om samjordade nät. n 7
Om utbredningen begränsas till 3 km får lågspänningskabelns skyddsledare, återledare eller skärm så låg resistans att den inte påverkar det resulterande jordtagsvärdet och har försummats. Att enbart mäta resulterande jordtagsvärden i större sammanhängande kabelnät med flera nätstationer antas inte kunna göras med acceptabel noggrannhet då svagströmsmetoden används. I dessa fall krävs andra metoder alternativt kan svagströmmetoden i kombination med beräkningar tillämpas. 1.5.3 Kontroll av skärm i sammanhängande kabelnät enligt EBR Mätprincipen går i princip ut på att frigöra fasledarna och spänningssätta en av faserna mot jordtaget via en vridtransformator. Andra sidan av kabeln kortsluts alla faserna och ansluts mot jordtaget. Strömmen genom den spänningssatta fasen och summaströmmen genom hela kabeln mäts. Med hjälp av kvoten av dessa strömmar kan det sedan avgöras om skärmen är hel och hur stor andel av strömmen som går via de parallella yttre jordtagen. 1.5.4 Jordtag i större sammanhängande kabelnät Jordtagsvärdena kommer att förbättras i och med att kabelnäten sammankopplas via kabelskärmar i mellanspänningnätet. Någon vedertagen metod för hur dessa större sammanhängande jordtag beräknas eller mäts finns inte utan normalt förlitar man sig på att områdena är säkert förbundna med varandra och därigenom ger ett tillräckligt lågt resulterande jordtagsvärde. Enligt EBR kan enskilda jordtag parallellkopplas och utifrån dessa räkna fram ett resulterande jordtagsvärde. Denna princip skulle också kunna användas om fler nätstationsområden sammankopplas via kabelskärmar och eventuella jordlinor. Frågan är då om det bara är att parallellkoppla varje resulterande jordtagsvärde för varje nätstationsområde och därigenom få ut ett totalt resulterade jordtagsvärde. Metoden kan användas om övre och undre skiktets resistivitet är låg. Frågan är bara vid vilken gräns på markresistivitet som metoden inte kan tillämpas rakt av. När utbredningen ökar kommer under skiktets resistivitet att bli mer betydelsefull. Kombinationen stor jordtagsyta hög markresistivitet samt berggrund med hög resistivitet kan innebära att avstånd upp till 10 km kan krävas för att spänningstratten för jordtagen reducerats till sann jord. Under dessa förhållande kan metoden med parallellkoppling inte användas utan att reduktionsfaktorer används. Skärmen och den eventuella jordlinans resistans kan nu inte försummas eftersom avstånden kan vara relativt långa och de resulterande jordtagen för varje nätstationsområde kan vara relativt låga. Om markresistiviten är god t ex om undre skiktets resistivitet är under 2500 ohm*m och övre skiktet under 3000 ohm*m (sand, mjäla eller bättre) samtidigt som nätstationsområden inte är närmare än 1 km mellan varandra kan metoden att parallellkoppla nätstationsområdenas jordtagsvärden med 8
varandra antas kunna tillämpas. Metoden måste givetvis verifieras via mätningar (starkstömsmetoden) om den säkert skall kunna tillämpas. Vid andra resistiviteter på övre och undre skikten behöver reduktionsfaktorer tillämpas. Dessa kommer inte att tas fram i denna rapport. Det bör dock beaktas att totala resulterande jordtagsvärdet inte blir större med en sammankoppling mellan nätområdena utan ger alltid ett lägre värde på resulterande jordtag. Om metoden tillämpas på ett nät där två nätstationsområden med egna resulterande jordtagvärden på 20 ohm och en förbindelse via skärm på 1 ohm kommer total resulterande jordtag att uppgå till ca 10,2 ohm vilket i så fall är en avsevärd förbättring. Om ytterligare ett område anslut åt motsatt håll förbättras jordtagsvärdet till ca 6,9 ohm. Den största förbättringen sker när de två första områdena sammankopplas. Om övre och undre skiktens markresistivitet är höga kan metoden inte tillämpas fullt ut. I dessa fall krävs ytterligare att flera områden parallellkopplas för att uppnå fallet med 10,2 ohm. 1.5.5 Jordfelströmmens återledningsväg Återledningsvägen för jordfelsströmmen har stor betydelse i fråga om vilken beröringsspänning som kan uppstå. Om nätet är fullt kablifierat och alla stationer är förbundna med varandra kommer riskerna med beröringsspänningar att försvinna eftersom ingen ström lämnar systemet och ge upphov till förhöjd spänning. Även om inte hela nätet är sammankopplat men att fler och fler nätstationsområden kopplas samman med varandra kommer strömmen som ger upphov till potentialhöjning att påverkas. T ex kommer en del av jordfelsströmmen inte att lämna området och bidrar inte till potentialhöjningen, t ex kommer en del av strömmen att slutas tillbaks via utlockaliserad kompensering och kablar. Problemet kommer, som tidigare diskuterats, att i huvudsak uppstå i de områden som inte är sammankopplade med varandra. T ex de områden som sedan tidigare har haft dåliga jordtag och inte byggts om. 9
1.6 Samjordning med överliggande nät 1.6.1 Samjordning med överliggande högohmigt jordade nät Dessa nät har ofta systemjordning som begränsar jordfelsströmmen till 25-100 A. Ett jordfel i överliggande system som är samjordat med underliggande 10 kv eller 20 kv system kan medföra potentialhöjning även i underliggande system. Normalt begränsas jordfelsströmmen i överliggande nät och gemensamt stationsjordtag har ett så lågt värde att höga beröringsspänningar inte uppstår. I vissa fall kan dock gemensamt stationsjordtag ha dåligt jordtag och en hög beröringsspänning kan då uppstå. I och med kablifieringen och när första kabeln förläggs mellan fördelningsstation och nätstation kan beröringsspänningen även spridas ut i lågspänningnätet. Detta behöver i vissa fall beaktas och speciellt i områden där markresistiviteten är hög. När fler och fler kablar ansluts och samjordas minskar problemet i och med att det gemensamma jordtaget förbättras. Nätstationsjordtag LV system PEN MV system Arne Berlin 1 Figur 1.6.1: Normalt förekommande samjordning av nätstationsjordtag i kabelnät. 1.6.2 Samjordning med överliggande direkt jordade nät I dessa fall kommer jordfelsströmmen att var betydligt högre och kan också ge upphov till betydligt högre beröringsspänningar. Visserligen kan man normalt räkna med kortare felbortkopplingstider vilket är till fördel. Normalt är underliggande nät oftast ordenligt samjordade kabelnät och på så vis får man ett bra jordtag och god potentialutjämning. I vissa fall kan det dock finnas fall med friledningar ut från stationen som ersätts med kabel. I dessa fall krävs att en riskanalys görs med avseende på hur bra resulterande jordtag kan bli, storlek på jordfelsströmmen samt vilka felbortkopplingstider 10
man kan räkna med. I vissa fall kan det t.o.m. bli aktuellt att inte samjorda systemen. Om distributionsnätet samjordas med överliggande direktjordade nät kan det finnas risk för att del av jordfelsströmmen söker sig ner i distributionsnätet vid jordfel i överliggande nät. Detta bör kontrolleras från fall till fall så att skärmen och eventuell jordlina termiskt klarar detta. Det är speciellt viktigt att kontrollera då enbart en eller ett fåtal kablar är ansluten till gemensam station och jordtagsförhållandena längre ut i distributionsnätet är goda. 1.7 Skydd mot blixtnedslag I denna rapport kommer skydd mot blixtnedslag inte närmare att analyseras. Problemet uppstår där blixten söker sig ner till jord. Om risk finns för direkta nerslag i t ex en nätstation är det fördel om jordtagen är flera och går ut åt olika håll. Att använda två korta linor i stället för en lite längre är till fördel ur denna synvinkel. Det ger också en bättre potentialutjämning kring stationen. 1.8 Ekonomisk bedömning 1.8.1 Djupjordtag Enligt EBR (P2) uppgår en stång inklusive arbete till ca 180 kr per meter. Tillkommer jordlina och mätning på ca 1000 kr per jordtag. Det finns även andra metoder som inte anges i EBR och beräknas ligga prismässigt på ungefär samma nivå. Jordtagsresistansen för ett enskilt jordtag kan ungefärligt beräknas med följande formel där R är jordtagets resistans, ρ är markresistiviteten och L är jordspettets nerdrivningsdjup. (3) R = ρ L I SS 421 01 01 finns en mer utförlig formel men skillnaderna är relativ små för de dimensioner och längder som normala används för jordspett. Osäkerheten i markresistiviteten påverkar betydligt mer. Som jämförande exempel antas markresistiviteten uppgå till 500 ohm*m och 5 m jordspett slås ner på fem ställen i ett nätstationsområde. Resulterande jordtag för området uppgår då till 20 ohm och priset för jordtagen uppgår till 9 500 kr. Om markresistiviteten i stället uppgår till 3000 ohm*m spetten drivs ner 10 m per styck och slås ner på 15 ställen uppgår priset för att åstadkomma ett resulterande jordtag på 20 ohm till 42 000 kr. 11
1.8.2 Jordlina Priset för jordlina uppgår till ca 20 000 kr per km för CU 25 lina och till ca 30 000 kr per km för CU 35 lina. I priset ingår arbete men inte schaktning. Det förutsätts att linan läggs i samma kabelgrav som jordkabeln mellan nätstationerna. Frågan är vilket mängd lina som krävs för att uppnå samma resulterande jordtag (20 ohm) som fallen ovan med markresistiviteten 500 ohm*m och 3000 ohm*m. För horisontell förläggning brukar det normal behövas den dubbla längden för att uppnå samma resultat som för vertikal förläggning. Med dessa antaganden behövs då 50 m respektive 300 m lina. Och priset för en motsvarande CU 25 lina skulle då uppgå till 1 000 kr respektive 6 000 kr. I detta fall är då förläggning med jordlina mest fördelaktig i fråga. Eftersom jordlinorna inte är längre än någon eller några km påverkas inte jordtaget av linans egenresistans. Som jämförelse har en CU 16 lina resistansen 1,14 ohm/km, en Cu 25 lina 0,73 ohm/km och en 35 lina resistansen 0,52 ohm/km. Jordlinans egenresistans kan normalt försummas i relation till övriga jordtagsresistanser och på så vis har linans dimension ingen större betydelse. Linans dimension har dock en viss betydelse i fråga om dubbla jordfel och dess mekanikiska hållfasthet. Eftersom markresistiviteten inte är homogen och att jordlina inte läggs tillräckligt djup för att eliminera risk för tjäle och uttorkning är bedömning svår. Om tjäle eller markuttorkning inträffar kommer markresistiviteten att kraftigt försämras. 1.8.3 Jämförelse Som prisjämförelse är jordlina billigare (ca 5-10 gånger) för att uppnå ett givet värde för resulterande jordtag. Eftersom jordlian medför en hög osäkerhet pga. skiftande markresistivitet kan en del av dess fördel borträknas. Även med denna osäkerhet antas jordlina vara betydligt billigare. Frågan är dock hur markuttorkning och tjäle påverkar. Dessa förhållande påverkar under en begränsad tid och på så vis kan ur risksynpunkt en viss försämring av jordtagsvärde accepteras. Frågan är dock vilket resulterande jordtagvärde som vill uppnås. Om t ex 1 km jordlina läggs med hela vägen mellan två nätstationer kommer bara linan att ge ett jordtagsvärde på 1-6 ohm för markresistiviteter mellan 500-3000 ohm*m. Om nu ett antal jordlinor finns nerlagda och med ytterligare ett antal djupjordtag kommer det totala resulterande jordtagvärde att bli mycket lågt. Samtidigt kommer den spänningssättande ström som lämnar systemet att minska. Frågan är då vilken nytta som detta låga jordtagsvärde ger. Om t ex nätet är litet och fullt utbyggt ger en resistiv strömkomponent på 15 A samtidigt som resulterande jordtagsvärden är på några ohm. Man får då en beröringsspänning på ca 15 V som kan jämföras med 100 V som en normal människa skall klara utan stor risk. Varför lägga ner pengar på detta? Det finns några fördelar som det kan medföra och frågan är om merpriset för att lägga jordlina hela vägen kan motiveras för ett sådant nät. Fördelar som kan nämnas är att nätet fullt utbyggt ges möjlighet att drivas lågohmigt jordat utan nollpunktsreaktor och utlokaliserad kompenseringar. Kan också ge säkerhetsmarginal mot onormala driftläggningar, fel på nollpunktsreaktor och 12
eventuell tjäle och markuttorkning. Kan ge extra säkerhet för skärmbrott om jordlina läggs med hela vägen. Kan ge så lågt jordtagsvärde att risk för potentialhöjningar pga. jordfel i närliggande direktjordade nät elimineras. Jordlina kan också användas som arbetsjord exempelvis vid kabelarbeten. 1.8.4 Prisjämförelser för jordtag i fullt utbyggda distributionsnät Som prisjämförelse är jordlina billigare (ca 5-10 gånger) för att uppnå ett givet värde för resulterande jordtag. Eftersom jordlian medför en hög osäkerhet pga. skiftande markresistivitet kan en del av dess fördel borträknas. Även med denna osäkerhet antas jordlina vara billigare. En kombination av de två jordtagsmetoderna kan i vissa fall rekommenderas att utföras eftersom djupjordtagen ger ett stabilare jordtag. 13
1.9 Sammanställning och rekommendationer 1.9.1 Jämförelser mellan små och stora nät Följande tabell ger en sammanställning på hur nätets sämsta resulterande jordtag i den nykablifierade delen uppskattas till och vid olika markresistiviteter. Hur stor investeringen i totala jordtag för hela nätet färdigbyggt blir för olika alternativ. Nätets storlek antas uppgå till 50 km totalt och antas ge ett resistivt (Ir) felströmsbidrag fullt kablifierat på ca 10 A inräknat 5 A nollpunktmotstånd och med utlokaliserad kompensering. Varje nätstationsområde antas antingen vara jordat på tre ställen med spett alternativt på tre ställen med en 25 m lång jordlina. Nätstationsområdena är antingen förbundet med enbart skärmkretsen eller med både skärm och längsgående jordlina. Området antas ha en nätstation efter varje km. Kabelskärmarna antas ha dimensionerna 25 CU eller 35 CU. Typ av jordningssystem Total investering Jordtag 500.ohm*m Jordtag 3000.ohm*m Enbart jordspett 3 st per nätst.omr Enbart jordlinor 3 st per nätst.omr 25 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 35 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 35 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 25 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 25 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 16 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 16 CU 285 000 kr 2-4 ohm 5-9 ohm 75 000 kr 2-4 ohm 5-9 ohm 1 785 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 1 575 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 1 285 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 1 075 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 925 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 715 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm Tabell 1.2 Sammanställning av investering för jordtag och förväntade resulterande jordtagsvärden för ett litet nät. Sammantaget visar sig alla jordningsmetoder uppfylla kravet 100 V beröringsspänning vid 10 A resistiv felströmsskomponent. Möjligtvis kan områden med extremt hög markresistivitet förväntas att inte uppfylla kraven 14
utan att längsgående jordlinor används. När nätet är fullt samjordat försvinner problematiken med beröringsspänningar eftersom jordfelsströmmen inte kommer att lämna systemet. Nästan all felström kommer att söka sig närmaste vägen tillbaks via skärmen pga. den induktiva verkan. På samma vis som för små nät görs en jämförelse med ett större nät. Nätet antas vara på 200 km och antas ge ca 25 A resistiv felström fullt kablifierat. Nätet förutsätts ha utlokaliserade kompenseringar placerade på rätt sätt. Typ av jordningssystem Total investering Jordtag 500.ohm*m Jordtag 3000.ohm*m Enbart jordspett 3 st per nätst.område Enbart jordlinor 3 st per nätst.område 25 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 35 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 35 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 25 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 25 CU 3 Jordspett + längsgående jordlina 16 CU 3 jordlinor + längsgående jordlina 16 CU 1 140 000 kr 2-4 ohm 5-9 ohm 300 000 kr 2-4 ohm 5-9 ohm 7 140 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 6 300 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 5 140 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 4 300 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 3 700 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm 2 860 000 kr 1-2 ohm 2-4 ohm Tabell 1.3 Sammanställning av investering för jordtag och förväntade resulterande jordtagsvärden för ett stort nät. Investeringen jämför med litet nät är fyra gånger högre Sammantaget visar sig alla jordningsmetoder uppfylla kravet 100 V beröringsspänning vid 25 A resistiv felströmskomponent förutom i de fall längsgående jordlinor inte används och när markresistivitet är hög. Det skulle dock i detta fall kunna kompletteras med flera lokala jordtag och på så vis skulle ett fall med 4 ohm resulterande jordtag kunna uppnås till en investering under 1000 000 kr. På samma vis som tidigare kommer problematiken att upphöra när nätet är fullt kablifierat. I de fall när jordlinor används kan en variation i jordtagen uppstå pga. uttorkning och tjäle. En vis säkerhetsmarginal kan då behövas. Denna bedöms kunna uppfyllas i de fall när längsgående jordlina används. 15
1.9.2 Jämförelse av jordtag i blandnät med delar som inte är samjordade Det kan konstateras att resulterande jordtagsvärden uppfyller kraven när näten kablifieras. Det är egentligen skärmförbindelsen som är grunden för att resulterande jordtag i alla fallen kraftigt reduceras. De nätdelar som blir kvar allteftersom kablifieringen fortskrider kommer att få stora problem. T ex kommer det större nätet som ger upp till 25 A resitiv felströmskomponent att ge problem eftersom befintliga resulterande jordtag kan var höga. Dessa jordtag kan vara så höga som upp till 20 ohm vilket i detta fall kan ge beröringspänningar på 500 V. Antingen behöver dessa jordtag förstärkas eller på andra sätt potentialutjämnas alternativt görs sista ombyggnaden av nätet samtidigt och i en stor skala. 1.9.3 Jämförelse 20 kv nät Beräkningarna har gjort för 10 kv nät. I fråga om 20 kv nät kan samma resonemang användas. Det bör dock beaktas att den resistiva jordfelströmmen i 20 kv nät kan bli något högre. 1.9.4 Kontrollmätning I de fall jordlina inte används kan krav på förbindingskontroll behövas. Frågan behöver undersökas närmare. För att detta skall vara enkelt kan det behöva finnas ställen där t ex en slingtång enkelt kan appliceras för att kunna göra jämförande mätningar och på så vis kontrollera om skärmkretsen är intakt. 1.9.5 Förslag till jordningsprinciper Utifrån en samlad ekonomisk bedömning visar det sig att korta jordlinor placerade på fler ställen är den billigaste lösningen. Det visar sig också att dimensionen på jordlina har stor betydelse. I princip kan man använda så klen dimension som möjligt med avseende på mekanisk hållfasthet. Eftersom det redan finns en jordförbindning via skärmen kan krav på lägre mekanisk hållfasthet accepteras eftersom linbrott inte medför något problem förutsatt skärmförbindelsen är intakt. Frågan är om inte en Cu 16 lina eller tom CU 10 lina skulle kunna räcka. Cu 35 lina är alldeles för dyr och anses inte ge någon motiverbar nytta och rekommenderas att inte användas. Linan och skärmens dimensioner kan göras klenare förutom i de fall där felströmmar vid dubbla jordfel är höga. I dessa fall kan skärmen belastas med hög ström och kan då behöva vara grövre. Om felbortkopplingstiderna kan hållas låga (kortare en 1 sekund) kan klenare dimensioner accepteras Om längsgående jordlina används kommer kraven på övriga jordtag att minska. Dess syfte kan då mer bli ett sätt att förbättra potentialutjämningen i marken som helhet och även kring nätstationen eller kabelskåpet. I de fall då distributionsområdet har mycket hög markresistivitet och nätet är stort kan längsgående jordlina motiveras. I övriga fall kan längsgående jordlina ersättas med fler kortare linor lokalt utplacerade på flera ställen. 16
Enda stora motiveringen till längsgående jordlina i stället för att ha många kortare linor och några djupjordtag lokalt placerade är dess reservförbindelse till skärmkretsen. Detta är då extra motiverat för satellitstationerna. Dessa placeringar av jordtag är också bra att använda sig av eftersom de kan ge en god potentialutjämning i marken som helhet när de placeras längs ut. Grundfrågan är hur väl man kan förlita sig på skärmkretsens förbindelse och skulle en parallellgående jordlina innebära att krav på skärmförbindelsekontroll kan slopas. Ytterligare en aspekt är om jordlina kan återanvändas. I så fall kan kostanden reduceras avsevärt förutsatt att koppar håller sitt värde. De stora spänningstransienter som uppstår i kabelnät kan innebära att högre krav på bättre jordtag eller säkerställande av skärmförbindningar uppfylls. Att göra fler mindre jordtag är en fördel ur stöldsynpunkt och säkerhetssynpunkt. Det värsta som kan hända är om man gör sig beroende av jordlina och skärm fullt ut och om båda dessa förbindelser försvinner. För t ex en satellitstation kan risken öka eftersom den bara har förbindelse åt ett håll. Jordlinans påverkan på kabelsystemets nollföljdresistans har inte beaktats. Anledningen är att dess bidrag till den spänningsättade jordfelsströmmen är försumbar när nätet har utlokaliserad kompensering placerade på ett bra sätt. Det råder också en del tvivel kring hur jordlinan påverkar nollföljdsresistansen. 1.9.6 Förslag till fortsatta arbeten Förslag till fortsatta arbeten ges enligt följande - Finna metoder att säkerhetställa förbindelsen skärm/jordlina mellan stationerna. - Utvärdera om klenar dimensioner på jordlina kan accepteras - Utvärdera riskerna med distributionsnät i anslutning till överliggande direktjordade nät och därigenom behöva ställa högre krav på hela systemets jordtag - Finna mätmetoder att jordtagsmäta ett större sammanhängde system för att verifiera de beräkningar som görs. 17
2 Del 2: Analys jordtagskontroll 2.1 Inledning och bakgrund Att kontrollera utbredda jordtag där både kabelskärmar i LV- och MVsystemet ingår blir mycket komplicerat. Befintliga mätmetoder bygger på en extern strömkrets som fördelar sig i kabelskärmar och djupjordtag. Jordfelsströmmen i felstället får således dela på samma återledningskrets som de kapacitiva strömmarna. Svagströmsmetoden får mycket svårt att placera ut sitt hjälpjordtag och mätsond på lämpligt ställe eftersom man i praktiken, vid lite sämre markförhållanden, inte når utanför jordtaget. Om man nu vill kostnadsoptimera utförandet av jordtagen krävs en bra och säker metod att fastställa jordtagets kvalite. Grundidén till nedan beskriven Högspänningsmetod bygger på att efterlikna så långt som möjligt ett dimensionerande jordfel. 2.2 JORDTAG 2.2.1 Jordtagsresistans Jordtagets kontakt med sann jord i mark definieras som jordtagsresistans. Jordtagsresistansen är den totala och avgörande parameter för jordtagets kvalite. För att ett enskilt jordtag ska få definieras som jordtag krävs att jordtagsresistansen är minst 50 ohm. Krav på det sammanhängande jordtagets resistans i en nätstation formuleras genom kvoten UBmax/Ijmax. Där UBmax är maximalt tillåten beröringsspänning vilken anges i elsäkerhetsföreskrifterna och Ijmax är den maximalt förekommande jordfelström som passerar jordtaget. Faktorn jordtagsresistans är egentligen utifrån kraven enbart en beräkningsparameter. Det egentliga kravet är maximalt tillåten beröringsspänning. Ij U B = IjxRj Rj Figur 2.2.1: Jordtagsresistansen som ett kretselement. Tillämpningen av detta förhållande i nätstation gör att det är mellanspänningsnätets jordfelsström som dimensionerar jordtaget i 18
nätstationen. Det som dimensionerar maximal jordfelströmmen är den valda systemjordningen inklusive jordfelsteknik. Lågspänningssystemets återledningskrets är så utformad att ström genom jordtaget är mycket liten och obetydlig. Vid PEN-ledaravbrott är det dock en fördel med låg jordtagsresistans men det är närapå omöjligt att erhålla ett jordtag som skulle ersätta återledaren för att begränsa beröringspänningen pga inre jordfel. Sammanfattningsvis kan man konstatera att ett jordtag skall klara ett stumt jordfel i matande mellanspänningssystem och inte ge högre beröringsspänning än elsäkerhetsföreskrifternas anvisningar. 2.2.2 Beröringsspänning Elsäkerhetsföreskrifternas anvisning på maximalt tillåten beröringsspänning kan härledas från en människas genomsittliga spänningstålighet. Denna kurva visar att människans spänningstålighet är en funktion av tiden. En god minnesregel är att man tål 100 V i 1 sekund. Människans spänningstålighet 900 800 700 600 Beröringspänning, V 500 400 300 200 100 0 0.01 0.1 1 10 Varaktighet, sek Figur2.2.2: Beröringsspänningens funktion av tiden då den utgör personfara enligt SS 421 01 01. Grundproblemet med beröringsspänning i PEN-ledarsystem är att änden av PEN-ledaren är långt borta från själva jordtaget. Befinner man sig 50-100 meter från jordtaget kan man utgå från att man står på sann jord. Tar man på en utsatt del vilken är lokalt högohmigt jordad som får 100 V bildar man en tillräcklig strömkrets för att uppleva obehag och på gränsen till livsfara. Potentialutjämning är naturligtvis den bästa motåtgärden för farliga 19