Podstawowe błędy przy projektowaniu i budowie uziomów fundamentowych

7. Przykłady spotykanych błędów projektowych

Przegląd projektów, dokumentacji powykonawczych oraz wizja lokalna współczesnych obiektów pokazuje, iż jednym z najważniejszych błędów popełnianych przez projektantów i wykonawców wykorzystujących uziomy fundamentowe jest dobór nieodpowiednich materiałów na zewnętrzne uziomy sztuczne. Problem ten dotyczy wszystkich obiektów, w których występują większe objętości fundamentów łączonych z uwagi na zagrożenie piorunowe z zewnętrznymi elementami instalacji odgromowej. Odnosi się to często do obiektów mających duże znaczenie dla gospodarki, wśród których warto wyróżnić obiekty energetyki oraz radio- i telekomunikacji, w przypadku których dbałość o jakość i trwałość systemów uziemiających powinna podlegać szczególnemu nadzorowi.

7.1. Obiekty radiokomunikacyjne

Obiekt radiokomunikacyjny to doskonały przykład, gdzie konieczne jest wykorzystanie uziomów fundamentowych z zewnętrznymi uziomami sztucznymi. Ilustracja takiego obiektu przedstawiająca największy wśród obiektów radiokomunikacyjnych, czyli radiowo-telewizyjne centrum nadawcze (RTCN) widoczna jest na rys. 7. Na rysunku widać szereg fundamentów: główny w postaci stopy fundamentowej pod stalowym trzonem masztu antenowego oraz fundamenty zakotwień licznych odciągów masztu. Wszystkie fundamenty z zasady łączy się w ziemi bednarkami stalowymi ocynkowanymi dla uzyskania niskorezystancyjnego układu uziomów. Tworzą one uziom promienisty ułożony wzdłuż linii odciągów z centralnym punktem zlokalizowanym pod masztem uzupełniony o uziom otokowy obiektu łączący wzdłuż ogrodzenia konstrukcje lamp oświetlenia ulicznego. Związane to jest ze stosukowo znaczną częstotliwością bezpośrednich wyładowań w takie maszty i koniecznością bezpiecznego rozproszenia prądów piorunowych w otaczającym maszt gruncie.

Na rysunku 8. przedstawiono przykład bednarki wykonanej ze stali ocynkowanej, która została wykorzystana jako dodatkowy uziom poziomy dla uziomu fundamentowego wysokiego masztu w takim obiekcie radiowo-telewizyjnym (rys. 8). Z udostępnionej informacji wynikało, że po kilku latach funkcjonowania obiektu pojawiły się problemy z występowaniem zakłóceń sygnałów radiowych. W poszukiwaniu przyczyn takiego stanu rzeczy uwaga analizujących skierowała się m.in. na rozbudowany układ uziomów. Po wykonaniu wyrywkowego odkopania części uziomów stwierdzono silną korozję złącz skręcanych w miejscach skrzyżowań bednarki ze stali ocynkowanej. Zaawansowany stan korozji, widoczny na rys. 8, bednarka osiągnęła już po 12 latach.

Przyczyn korozji należy upatrywać głównie w braku zgodności stali ocynkowanej zastosowanej na elementy uziomu powierzchniowego z potencjałem elektrochemicznym fundamentów masztu. Kłopotów można w takim przypadku uniknąć stosując się zasad dobrze przedstawionych w normie odgromowej PN-EN 62305-3, szczegółowo opisanych w niniejszym artykule. Zastosowanie bednarki pomiedziowanej łączonej w miejscach skrzyżowań i połączeń zgrzewaniem egzotermicznym rozwiązałoby wieloletnie problemy z obsługą tego obiektu.

7.2. Słupy energetyczne

W wytycznych projektowania napowietrznych linii energetycznych WN [12] grup energetycznych można znaleźć między innymi następujące zapisy:

„Dla słupów linii należy zawsze wykonać układ uziemiający. Dla słupów wykonanych z materiałów przewodzących należy wykorzystywać posadowienia (fundamenty) słupów, konstrukcje wsporcze słupów, a także zakopane części słupów, jako tzw. uziomy naturalne oraz instalować dodatkowo uziomy sztuczne”

Pomimo tego, że w tych samych wytycznych znajdują się zapisy wspominające o zagrożeniu korozją elektrochemiczną w przypadku łączenia miedzi lub stali pomiedziowanej ze stalą ocynkowaną, to nie ma tam żadnych wytycznych odnoszących się do właściwego doboru metali na uziomy, w tym zakazu stosowania stali ocynkowanej na uziomy sztuczne instalowane wokół słupów, elementy konstrukcji których zaleca się wykorzystywać jak część układu uziomów. Łatwo zrozumieć przyczynę takiej sytuacji biorąc pod uwagę ogromną liczbę słupów energetycznych linii WN. Stosowanie stali ocynkowanej na uziomy sztuczne łączone z fundamentem na etapie budowy z pewnością związane jest z niższymi kosztami. Oszczędności te mogą jednak okazać się pozorne po pewnym czasie, gdy stal ocynkowana w wyniku połączenia ze stalą fundamentów ulegnie przyspieszonej korozji i konieczna będzie wymiana systemu uziemiającego.

Stąd łatwo wysnuć wniosek, ze zapisy nakazujące wykorzystanie fundamentów jako uziomu naturalnego powinny być każdorazowo łączone z zakazem wykorzystywania stali ocynkowanej na uziomy sztuczne w gruncie.

Na rys. 9 przedstawiono przykład projektu uziemienia słupa energetycznego WN. Stal zbrojeniowa stóp fundamentowych słupa łączy się w takim przypadku z otokowym uziomem sztucznym poprzez konstrukcję słupa i przewody uziemiające. Zastosowanie w takim przypadku stali ocynkowanej na uziom sztuczny wokół słupa powoduje powstanie ogniwa galwanicznego i prowadzić będzie do przyspieszonej korozji uziomu sztucznego.

Analogiczna sytuacja występuje także w przypadku budynków, w których stopy fundamentowe stalowych konstrukcji wsporczych, wykorzystywanych często także jako naturalne przewody odprowadzające, łączone są z uziomem sztucznym.

7.3. Kontenerowe stacje transformatorowe

Analogiczny problem, występujący przy uziemianiu słupów, dotyczy również kontenerowych stacji transformatorowych. Producenci często dostarczają takie stacje w obudowie betonowej, do której wstawia się transformator, podłącza kable i układ uziemiający. Punkt uziemiający takich stacji łączony jest ze zbrojeniem fundamentu posadowienia kontenera. W związku z tym otok wokół stacji należy wykonać z odpowiednich materiałów zgodnie z wyżej opisanymi zaleceniami. Zdarza się jednak, że sami producenci, prawdopodobnie z braku wiedzy w danym zakresie, umieszczają w instrukcji stacji kontenerowej zalecenie wykonanie uziomu sztucznego w gruncie z bednarki ocynkowanej.

Dla stacji transformatorowych zasilających pobliskie budynki, np.: hale przemysłowe zaleca się dodatkowo łączenie zewnętrznego uziomu sztucznego z uziomem fundamentowym pobliskiego budynku, co jest kolejnym argumentem przeciwko stosowaniu w takim przypadku stali ocynkowanej.

Na rys. 10 przedstawiono przykład kontenerowej stacji transformatorowej z prawidłowo wykonanym uziomem sztucznym w postaci otoku i dodatkowych prętów pionowych wykonanych ze stali pomiedziowanej.

7.4. Farmy wiatrowe

Problem z doborem nieodpowiednich materiałów dotyczy również farm wiatrowych. W tym przypadku uwaga powinna być udzielona nie tylko materiałom stosowanym na dodatkowe uziomy otokowe układane w gruncie poza fundamentem posadowienia konstrukcji nośnej (wieży), ale także przewodom, które łączą ze sobą poszczególne wieży farmy i stację transformatorową.

Fundamenty wiatraków osiągają imponujące wymiary, gdyż ich średnice dochodzą nawet do 20 m i ze względu na niezbędną wytrzymałość mechaniczną wymagają stosowania znacznej liczby prętów zbrojenia (rys. 11.). Ma to istotne znaczenie z puntu widzenia niebezpieczeństwa wystąpienia korozji, gdyż za kryterium znaczącego zagrożenia korozyjnego uważa się wartość stosunku pola powierzchni elektrody anodowej do pola powierzchni elektrody katodowej > 100 [6] przy różnicy potencjałów metali tworzących ogniwo korozyjne przekraczającą 0,1 V. W takim przypadku, ze względu na bardzo duży stosunek pola powierzchni styku stali zbrojeniowej wieży farmy wiatrowej z betonem do pola powierzchni styku z gruntem dodatkowych uziomów otokowych, zastosowanie stali ocynkowanej prowadziłoby do jej bardzo szybkiej korozji elektrochemicznej.

Rozległe farmy wiatrowe wymagają nawet dziesiątek kilometrów przewodów uziemiających łączących wzajemnie poszczególne konstrukcje. Do tego celu wykorzystane mogą być linki lub przewody okrągłe o odpowiednim przekroju. Przy tak dużym zapotrzebowaniu materiałowym najlepszym rozwiązaniem z ekonomicznego punktu widzenia są obecnie druty stalowe pomiedziowane (najczęściej stosowane są druty o średnicy Φ 8 mm z powłoką miedzi 250 µm lub o średnicy Φ 10 mm z powłoką miedzi 70 µm), gdyż drut pomiedziowany jest w przybliżeniu dwukrotnie tańszy niż odpowiedni drut miedziany. W związku z tym efekt ekonomiczny stosowania w farmach wiatrowych stali pomiedziowanej jest bardzo odczuwalny.

Rozległe farmy wiatrowe wymagają nawet dziesiątek kilometrów przewodów uziemiających łączących wzajemnie poszczególne konstrukcje. Do tego celu wykorzystane mogą być linki lub przewody okrągłe o odpowiednim przekroju. Przy tak dużym zapotrzebowaniu materiałowym najlepszym rozwiązaniem z ekonomicznego punktu widzenia są obecnie druty stalowe pomiedziowane (najczęściej stosowane są druty o średnicy Φ 8 mm z powłoką miedzi 250 µm lub o średnicy Φ 10 mm z powłoką miedzi 70 µm), gdyż drut pomiedziowany jest w przybliżeniu dwukrotnie tańszy niż odpowiedni drut miedziany. W związku z tym efekt ekonomiczny stosowania w farmach wiatrowych stali pomiedziowanej jest bardzo odczuwalny.