Podstawowe błędy przy projektowaniu i budowie uziomów fundamentowych

4. Łączenie uziomu fundamentowego z instalacjami przewodzącymi pod powierzchnią gruntu

4.1. Kryteria doboru uziomów

W przypadku zwykłych obiektów, nie posiadających instalacji odgromowej, gdzie system uziemiający ma zapewnić jedynie poprawną pracę instalacji elektrycznej nie ma ściśle określonych wymagań jakie musi on spełniać [3]. Jednak w wielu przypadkach, gdy uziomowi stawia się ściśle określone wymagania dotyczące wartości jego rezystancji, np. ze względu na ochronę od porażeń w sieciach energetycznych lub gdy obiekt wyposażony jest w instalację odgromową układ uziomów musi spełniać określone warunki. W takich przypadkach uziom fundamentowy występujący jako jedyny element układu uziomów może okazać się niewystarczający i konieczne będzie jego uzupełnienie o dodatkowe uziomy sztuczne pogrążone w gruncie.

W normie PN-EN 62305-3 [4], zawierającej zalecenia odnośnie do projektowania i montażu urządzeń piorunochronnych, jako podstawowe dla układu uziomów zawarto kryterium minimalnej długości uziomu l1 zgodnie z rysunkiem 3, zalecając przy tym dodatkowo, aby wartość rezystancji uziomu odgromowego nie była większa od 10 Ω. Długość l1 zależna jest od przyjętej klasy instalacji odgromowej LPS odpowiednio do wymaganego poziomu ochrony odgromowej LPL oraz od lokalnej rezystywności gruntu ρ. W przypadku uziomów fundamentowych, które wchodzą w skład uziomów typu B, przyjmuje się, że kryterium długości uziomu jest spełnione w przypadku, gdy promień re koła o powierzchni A = ·re2 równej co do wartości powierzchni zajmowanej przez fundament, jest nie mniejszy niż długość l1. W przypadku IV i III poziomu ochrony odgromowej, dla którego przyjmuje się stałą – niezależną od rezystywności gruntu – wartość l1 = 5 m dla spełnienia tego warunku fundament budynku musi obejmować powierzchnię co najmniej A = 78,5 m2, czyli dla przykładu jego wymiary będą wynosiły: 8,86 m x 8,86 m lub 5,23 m x 15 m. Powierzchnia ta musi być odpowiednio większa dla obiektów o stwierdzonym podwyższonym zagrożeniu piorunowym odpowiadającym II. i I. poziomowi ochrony odgromowej, położonych w terenach o trudnych warunkach glebowych, gdzie występują grunty o wyższej rezystywności. Przykładowo, dla obiektu dla którego przyjmuje się najwyższy I. poziom ochrony odgromowej, położonego w terenie o rezystywności gruntu ρ = 1000 Ωm długość uziomu l1 powinna wynosić 20 m, co odpowiada już powierzchni A = 1257 m2 (przykładowe wymiary powierzchni zajętej przez uziom: 35,45 x 35,45 m, 10 x 125,70 m).

Warunek ten można pominąć, jeżeli rezystancja uziemienia samego uziomu fundamentowego jest mniejsza niż 10 Ω, jednak można się posiłkować taką wiedzą wyłącznie w przypadku obiektów już istniejących, gdy dostosowujemy ich instalacje do wymogów aktualnych norm. W obiektach projektowanych, jak wiadomo, nie sposób pomierzyć taką rezystancję, gdyż ich po prostu jeszcze nie wybudowano. Oczywiście, doświadczony inżynier jest w stanie oszacować przewidywaną wartość rezystancji uziomu fundamentowego na podstawie wzorów występujących w poradnikach, jednak do tego celu konieczne będzie wykonanie pomiarów lokalnej rezystywności gruntu.

Z przykrością należy jednak stwierdzić, iż w rzeczywistości projektanci instalacji odgromowych najczęściej nie uwzględniają tego kryterium, gdyż nie wykonują pomiarów rezystywności gruntu oraz nie liczą w sposób prawidłowy zagrożenia piorunowego projektowanych obiektów. Jak wiadomo wykonanie pomiarów wymaga odwiedzenia miejsca przyszłego palcu budowy, co przy obecnych bardzo niskich kosztach prac projektowych bardzo często nie jest praktykowane. Taka sama sytuacja ma dzisiaj miejsce również w stosunku do sposobu określenia przez projektantów wymaganego poziomu ochrony odgromowej, który ma bezpośredni wpływ, jak opisano to wcześniej, na wielkość powierzchni zajmowanej przez uziom fundamentowy, która spełnia, lub nie, wymagania norm. Przegląd aktualnych dokumentacji projektowych pokazuje, że pomimo wymagania, aby poziom LPL był określny na podstawie obliczeń prowadzonych na podstawie arkusza 2. normy PN-EN 62305 projektanci bardzo rzadko się tą normą posługują. Jak w takiej sytuacji udaje im się zaprojektować odpowiedni uziom fundamentowy bez odpowiednich obliczeń zagrożenia piorunowego i pomiarów lokalnej wartości rezystywności gruntu pozostanie tajemnicą projektantów. Zdając sobie sprawę z realiów dzisiejszych czasów pozostaje jednak otwartym i bardzo zasadnym w tej sytuacji pytanie o uczciwość projektanta wobec zamawiającego projekt. Zgody na dalsze trwanie takiego stanu rzeczy być nie może i stąd, między innymi, wynikła potrzeba napisania niniejszego artykułu.

Innym głównym warunkiem, jaki bywa stawiany systemowi uziemiającemu, jest wymagana wartość rezystancji uziemienia. Kryterium to dotyczy przykładowo:

•  słupów linii napowietrznych powyżej 45 kV, dla których wymagana wartość rezystancji nie powinna przekraczać 10 Ω, 15 Ω lub 20 Ω w zależności od rezystywności gruntu i napięcia znamionowego linii [11, 12],
• obiektów zagrożonych wybuchem, dla których rezystancja uziemienia instalacji piorunochronnej musi być możliwie jak najmniejsza i nie większa niż 10 Ω.

Jeszcze ostrzejsze wymagania stawiane są w obiektach, w których rezystancja uziemienia musi spełniać wymagania związane z ochroną od porażeń w instalacjach wysokiego i niskiego napięcia, np. w przypadku stacji transformatorowych. W tym przypadku często wymagana jest rezystancja uziemienia o wartości pojedynczych omów, a czasem i mniejszych wartości. Należy również uwzględnić fakt, iż w trakcie eksploatacji rezystancja uziomu fundamentowemu z czasem wzrośnie.

4.2. Konieczność rozszerzenia uziomu o dodatkowe uziomy sztuczne

W przypadku, gdy uziom fundamentowy nie spełnia któregoś z wymaganych kryteriów (wymiarów geometrycznych, rezystancji) to musi być rozszerzony o dodatkowe, połączone z nim uziomy sztuczne pogrążone w gruncie. Szczególnie w przypadku niewielkich obiektów, takich jak zewnętrzne rozdzielnie wolnostojące, stacje transformatorowe czy kioski aparaturowe spełnienie wymagań częstokroć nie jest możliwe ze względu na zbyt małą objętość fundamentu. Najlepszym rozwiązaniem w takim przypadku jest wykonanie dodatkowego zewnętrznego sztucznego uziomu otokowego wzmocnionego dodatkowymi uziomami pionowymi (dla uniezależnienia się od zmian warunków środowiskowych), których długość dobierana jest odpowiednio dla spełnienia określonego kryterium długości uziomu lub rezystancji uziemienia.

Inną sytuacją, w której uziom fundamentowy będzie wymagał podłączenia zewnętrznych przewodników ułożonych bezpośrednio w gruncie jest konieczność zastosowania wysterowania potencjałów w pobliżu przewodzących ścian budynku lub uziemionego ogrodzeniu obiektu dla zmniejszenia zagrożenia rażeniem istot żywych napięciem krokowym (rys. 4). W tym przypadku rozmieszczenie w ziemi kolejnych warstw przewodów uziemiających, np. pomiedziowanych taśm stalowych, w odległościach co około 2-3 m od uziomu fundamentowego i pomiędzy kolejnymi warstwami, pogrążanych przy ścianie budynku lub ogrodzeniu na głębokość 1 m, a w kolejnych warstwach coraz głębiej o 0,5 m daje gwarancję zbudowania bezpiecznego i długotrwałego urządzenia uziemiającego.

Na rysunku 5 z kolei przedstawiono wyprowadzenie połączenia z uziomu fundamentowego do studzienki kontrolno-pomiarowej zlokalizowanej przy powierzchni gruntu, łączącej w jednym punkcie pod ziemią uziom fundamentowy, przewód odprowadzający i dodatkowy pionowy uziom sztuczny.