Napięcie krokowe a napięcie dotykowe w siatce uziemiającej stacji transformatorowej — dlaczego odstęp oczek i warstwa żwiru mają znaczenie

Przewodnik o konwencjonalnej granicy napięcia dotykowego UL opisuje próg napięcia stosowany wewnątrz instalacji do oceny samoczynnego wyłączenia zasilania. Ten artykuł dotyczy powiązanego, lecz odrębnego zagadnienia, specyficznego dla układu uziemienia stacji transformatorowej średniego lub wysokiego napięcia (własnej stacji transformatorowej, powszechnej na przykład przy większym przyłączu rolniczym, ogrodniczym lub przemysłowym): rozróżnienia między napięciem dotykowym a napięciem krokowym oraz tego, dlaczego fizyczny projekt siatki uziemiającej stacji — a nie tylko jej całkowita wartość rezystancji (zob. przewodnik o pomiarze rezystancji uziemienia dotyczący tego odrębnego pomiaru) — decyduje o tym, jak bezpieczny jest w rzeczywistości teren wokół niej.

Dwie różne drogi prądu przez ciało, przy tym samym systemie uziemienia

Gdy prąd zwarcia doziemnego przepływa przez system uziemienia stacji, podnosi lokalny potencjał otaczającej ziemi względem „prawdziwej", odległej ziemi — a ten podwyższony potencjał nie spada natychmiast do zera na krawędzi zakopanej elektrody; maleje stopniowo wraz z odległością. Z tego samego gradientu potencjału wynikają dwie różne sytuacje:

• Napięcie dotykowe: różnica potencjałów między uziemioną częścią metalową (na przykład obudową transformatora lub ogrodzeniem wokół stacji) a punktem na gruncie w odległości, którą stojąca osoba może osiągnąć, dotykając tej części — droga prądu przebiega w przybliżeniu od ręki do stóp, przez klatkę piersiową.
• Napięcie krokowe: różnica potencjałów między dwoma punktami na gruncie, w których lądują dwie stopy osoby podczas jednego kroku, idącej przez gradient potencjału — nie trzeba w ogóle dotykać żadnej uziemionej części metalowej; droga prądu przebiega od stopy do stopy, przez nogi.

Oba zjawiska są napędzane tym samym leżącym u podstaw zjawiskiem (prądem zwarciowym podnoszącym lokalny potencjał ziemi), ale są oceniane względem różnych wartości granicznych w EN 50522, częściowo dlatego, że droga prądu od stopy do stopy jest uznawana za stwarzającą inne ryzyko niż droga od ręki do stóp przy tym samym napięciu.

Dlaczego gradient jest najbardziej stromy blisko elektrody

Potencjał w gruncie wokół systemu uziemienia nie maleje liniowo wraz z odległością; maleje najszybciej blisko elektrody i spłaszcza się dalej od niej. Napięcie krokowe zmierzone tuż przy krawędzi pojedynczego, skoncentrowanego uziomu prętowego jest zatem znacznie wyższe niż napięcie krokowe zmierzone na tej samej długości kroku 1 m, kilka metrów dalej, mimo że oba kroki pokonują tę samą odległość fizyczną.

Dlaczego siatka stacji jest siatką oczkową, a nie pojedynczą elektrodą

Właśnie dlatego system uziemienia stacji jest zwykle projektowany jako zakopana pozioma siatka oczkowa wzajemnie połączonych przewodów pokrywająca cały obszar roboczy (często łączona z pionowymi uziomami prętowymi w strategicznych punktach), zamiast polegać na jednej lub kilku skoncentrowanych elektrodach. Siatka oczkowa celowo spłaszcza gradient potencjału na obszarze, po którym dana osoba może faktycznie chodzić lub stać: ponieważ przewody uziemiające są rozłożone pod całą powierzchnią, a nie skoncentrowane w jednym punkcie, potencjał na tej powierzchni pozostaje stosunkowo jednolity, dzięki czemu zarówno napięcie dotykowe przy każdej dostępnej części metalowej, jak i napięcie krokowe w dowolnym miejscu w obrębie obszaru siatki, pozostają w akceptowalnych granicach. Odstęp oczek jest zwykle zmniejszany w pobliżu ogrodzenia i wokół punktów dostępu, gdzie osoba jest najbardziej narażona na znalezienie się w chwili wystąpienia zwarcia.

Warstwa żwiru (lub tłucznia) jako dodatkowa mitygacja

Warstwa materiału wysokorezystywnego — zwykle tłucznia lub żwiru, o rezystywności w przybliżonym rzędzie tysięcy omometrów, ułożona na całym obszarze roboczym stacji — dodaje rezystancję szeregową do kontaktu między stopami osoby a rzeczywistą powierzchnią ziemi. Ponieważ prąd ciała przy danym napięciu krokowym lub dotykowym zależy od całkowitej rezystancji w tej drodze prądowej, ta dodatkowa rezystancja kontaktu stóp bezpośrednio zwiększa dopuszczalne (tolerowane) napięcie dotykowe i krokowe dla tej konkretnej lokalizacji, bez zmiany zachowania elektrycznego samej zakopanej siatki. Jest to stosunkowo tania miara, zwykle stosowana w połączeniu z — nie zamiast — prawidłowym projektem siatki oczkowej.

Znaczenie praktyczne

Przy ocenie istniejącego terenu stacji lub specyfikowaniu nowego, potrzebna jest zarówno niska całkowita rezystancja uziemienia (zob. przewodnik o pomiarze rezystancji uziemienia), jak i projekt siatki, który ogranicza lokalne napięcie krokowe i dotykowe na dostępnym obszarze — technicznie niska wartość rezystancji całkowitej sama w sobie nie gwarantuje, że gradient potencjału w pobliżu krawędzi siatki lub wokół bramy dostępowej pozostaje w bezpiecznych granicach; a stan wysokorezystywnej warstwy powierzchniowej (grubość, czy żwir uległ erozji lub zanieczyszczeniu ziemią z upływem czasu) powinien zostać sprawdzony w ramach tej samej oceny, ponieważ pogorszona warstwa powierzchniowa niepostrzeżenie obniża dopuszczalne napięcie, na którym opierał się pierwotny projekt.

Częste błędy

1. Zakładanie, że niska całkowita rezystancja uziemienia automatycznie oznacza, że napięcia krokowe i dotykowe wokół stacji są bezpieczne — całkowita rezystancja i lokalny gradient potencjału na dostępnym obszarze to powiązane, lecz odrębne właściwości tego samego systemu uziemienia.
2. Poleganie na jednej, skoncentrowanej elektrodzie uziemiającej dla stacji zamiast na prawidłowo wykonanej siatce oczkowej — skoncentrowana elektroda wytwarza znacznie bardziej stromy, niebezpieczniejszy gradient potencjału w swoim bezpośrednim sąsiedztwie niż równoważna siatka oczkowa pokrywająca ten sam obszar.
3. Traktowanie warstwy żwiru/tłucznia jako czysto kosmetycznej lub służącej zwalczaniu chwastów, bez sprawdzania jej stanu podczas kontroli — pogorszona lub brakująca warstwa powierzchniowa usuwa mitygację, na której opierał się pierwotny projekt napięcia krokowego i dotykowego.
4. Niezmniejszanie odstępu oczek w pobliżu ogrodzenia i punktów dostępu, gdzie statystycznie osoba jest najbardziej narażona na przebywanie w chwili wystąpienia zwarcia.

Powiązane

• Konwencjonalna granica napięcia dotykowego UL — 50V i 25V
• Pomiar rezystancji uziemienia
• §705 — Budynki inwentarskie i gospodarstwa rolne
• §442 — Przepięcie tymczasowe na skutek zwarcia doziemnego w sieci wysokiego napięcia