Försäljningsingenjör/produktspecialist Jordning!? Christian Karlsson Försäljningsingenjör/produktspecialist Mericon Sverige AB

you should never trust your “ground.” Examine and think about it.” Introduktion “The term “ground” too often seems to be associated with a sort of cure-all concept, like snake oil, money or motherhood. Remember that, while you can always trust your mother, you should never trust your “ground.” Examine and think about it.” Brokaw, P., “An I.C. Amplifier Users’ Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Right for a Change,” Application Note, Analog Devices, 1982.

Introduktion “For every grounding problem there are many solutions, most of which are wrong. . . .” GROUNDS FOR GROUNDING A Circuit-to-System Handbook Elya B. Joffe Kai-Sang Lock

Introduktion Första jordningen

Introduktion Jordning idag Frekvens 0 Hz -> GHz Strömstyrka µA -> 200-300kA

Introduktion Jord/Ground/Earth definitioner

Introduktion Skillnader elektronik/elkraftsjord

Introduktion Mål med jordning Skyddsjord – att förhindra skador på människor eller material vid kortslutning, isolationsfel eller andra störningar( ex åska) EMI/EMC-jordning – kontrollera läckströmmar i kabelskärmar samt som referensplan för kablar placerade i närheten av dem. Signal/funktionsjordning – returledare samt referensplan, inget säkerhetstänk.

Jordning STV och elanläggningar systemjord Säkerställa att inga levande varelser utsätts för elektriska stötar vid normal drift och vid fel. Tillhandahålla en väg för felströmmar så att skyddsapparaterna kan detektera fel och automatiskt frånkoppla felet. Hålla systemspänningen inom rimliga nivåer vid fel. Kontrollera spänningen till jord så att isolationen kan optimeras på krafttransformatorer.

Standarder “I have decided that a standards review is a long-winded, boring and generally demoralising exercise ! “ Dr Franco D’Alessandro

Jordning av STV och anläggningar Standarder/Guider De mest använda i Världen IEEE IEC AU/NZ VAST !?

Standarder utbredning IEEE – Världsomspännande, Nordamerika. IEC- Europa, Mellanöstern, Asien. AU/NZ – Australien/Nya Zeeland , Stillahavsområdet, Sydöstra asien. VAST – Sverige.

Standarder utbredning Historia/anknytning Asien : Filippinerna IEEE på grund av Amerika Indien, Malaysia IEC/BS på grund av brittiskt styre Kina både IEEE och IEC

IEEE IEEE 80 Comprehensive document that is specific to 50-60 Hz AC substations (incl. distribution, transmission and generating plant substations). Covers all aspects of substation earthing design to meet equipment (resistance) and personnel (step and touch potential) protection targets. Document is broken up into 3 main parts – safety aspects, practical design aspects and grounding system assessment. No coverage of the effects of lightning surges entering the substation. It is a Guide, not a Standard.

IEEE IEEE 81 Accompanies IEEE 80 and is in two parts. Part 1 covers the majority of field measurements that do not require special high-precision equipment and measuring, and that do not encounter unusual difficulties such as may be found with extensive grounding systems, abnormally high stray ac or dc currents, etc. So, part 1 is for “normal measurements” of soil resistivity, earthing system resistance and impedance and earth surface potentials. Intention is to assist the engineer or technician in obtaining and interpreting accurate, reliable data. Part 2 covered the measurement of impedance and safety characteristics of large, extended or interconnected grounding systems. However, this document has been withdrawn (no longer in circulation). Once again, IEEE 81 is a Guide, not a Standard.

IEEE IEEE 367 Practice for determining electric power station earth potential rise and induced voltage from a power fault. Covers: Determination of the appropriate value of fault current to be used in the EPR calculation; Consideration of the waveform, probability, and duration of the fault current; Determination of inducing currents, the mutual impedance between power and telephone facilities, and shield factors; Vectorial summation of EPR and induction; Considerations regarding the power station EPR zone of influence; and Communications channel time requirements for non-interruptible services. Geared towards telecommunication, protection and relay engineers. Mostly outside the scope of this Earthing course. It is a Recommended Practice, not a Standard.

IEC IEC 60479-1 Identical to AS/NZS 60479.1, covering the effects of shock current on human beings and livestock, i.e., personnel safety issues. Data are based on experiments with animals and corpses, they are quite conservative, hence even applicable to children. Covers body impedance and body current thresholds for various physiological effects. This information is combined to derive estimates of AC and DC touch voltage thresholds for certain body current pathways, durations, contact moisture conditions, skin contact areas etc. Uses basic statistical distribution (percentiles) – values for 5, 50 and 95% of the populations.

IEC IEC 61936-1 Provides common rules for the design and the erection of electrical power installations in systems with nominal voltages above 1 kV AC and nominal frequency up to and including 60 Hz, so as to provide safety and proper functioning for the use intended. Minimum requirements valid for IEC countries, although the aim is a gradual worldwide alignment of the practices for the design and erection of HV power installations. Covers the special requirements for transmission, distribution power generation and industrial installations. IEEE 80 is a normative reference in this standard. Chapter 10 covers Earthing Systems – overview of criteria for the design, installation, testing and maintenance of an earthing system to achieve personnel and equipment protection. Information on hazards to human beings comes from IEC 60479.1. Has a useful section on the relationship between HV and LV earthing systems.

IEC IEC EN 50522 Verkar bli Europastandard för jordning över 1kV Gäller nu i Sverige Avsnitt 9 i SS 421 01 01 ersätts av SS-EN 50522, utgåva 1, helt från 2013 Steg och beröringspänningar från IEC 60479-1

AZ/NZS AS/NZS 60479.1 Identical to IEC 60479.1, covering the effects of shock current on human beings and livestock, i.e., personnel safety issues. Data are based on experiments with animals and corpses, they are quite conservative, hence even applicable to children. Covers body impedance and body current thresholds for various physiological effects. This information is combined to derive estimates of AC and DC touch voltage thresholds for certain body current pathways, durations, contact moisture conditions, skin contact areas etc. Uses basic statistical distribution (percentiles) – values for 5, 50 and 95% of the populations.

Main differences: Origins of personnel safety data   There is a difference between the American (IEEE) and European (IEC) calculation of safe currents, body impedance etc. (Biegelmeier vs Dalziel) and hence the safe levels of step and touch voltages.

Specifika tillämpningar Substations → ENA EG0/EG1, IEEE 80 Power Installations → IEC 61936,IEC 50522 Industrial / Commercial → AS/NZS 2067 Mining → AS/NZS 3007 etc.

Mätning /Beräkning av Jord Dessa krav kommer alltid att finnas oavsett standard. Resistans Impedans Steg/beröringsspänningar Felströmstålighet

Mätning beräkning Resistivitetsmätning Konstruktion Beräkning Mätning

Resistivitetsmätning Prio ETT Vet man resistiviteten i jorden kan man konstruera det mest effektiva jordningssystemet

Resistivitet Väldigt varierande

Resistivitet Resistivitet beror också på fuktigheten och temperaturen i marken

Mätning resistivitet

Modell av resistiviteten

Exempel

Beräkning av jordtaget

Beräkning Jordtag

Lösning

Slutmätning Fall of potential Slope Method The four potential Method NEC (USA) < 25W Telecom < 5 W Power < 1 W Lightning < 10W

Olika typer av jordtatg Horisontella elektroder Radialer Ringledare Rutnät Vertikala elektroder Jordspett Jordplåt Jordlina Betongomslutna elektroder

Horisontella Ledare

Rutnät

Vertikala elektroder

Betongomslutna elektroder

Exempel Ställverk

Jordning för Åska Åskan är en högfrekvent impuls. Frekvens från 0-1 MHz Mest energi i 10 kHz området Medelenergin vid ca 500 kHz

Typisk bild av åsknedslag Medel och toppström 30 – 200 kA Ljudtryck 90 Atm. vid 500 m Lång svans Hög spänning och hög => flow di dt Väldigt kort stigtid Total Energi 109 - 1010 Joules => fhigh Varaktighet 20 – 350 ms + återkommande 5-50 ms) Få µs

Impedansen viktigare än resistansen First lightning stroke: Resistive component is ~ 50% Subsequent strokes: Resistive component is only 5% Inductive component dominates

Olika jordtag

Åskjordtag effektiv längd Taking all of the factors and dependencies into account, the latest research clearly shows that: Z  0.7 x R, provided that l < leff Approximate Critical (or Effective) Lengths:  (m): 100 1000 2000 5000 leff (m): 10 30 50 80

Lösningar Varje elektrod bör max vara 100m Dela upp i flera korta elektroder Använd ett så symmetriskt jordtag som möjligt Använd jordförbättringsmassa Utnyttja byggnaden Nyttja jordspett

Exempel vindkraft

Jordning behöver kvalitetsanslutningar Exotermisk vs mekanisk Mekanisk = pressning, bultad osv. Baseras på mekaniskt tryck. Exotermisk / svetsad = molekylär förbindning (permanent anslutning).

Mekanisk vs exotermisk anslutning efter 10 år

Exotermisk förbindning Fördelar med exotermisk ansl. CADWELD: Lossnar aldrig Korroderar ej Ökar inte resistansen på ledaren Försämrar ej ledaren Livslängd längre än ledaren.

Mekanisk anslutning

Cadweld anslutning

Grounding and lightning protection The six point plan CADWELD PLUS inget startmaterial 4 1.Placera svetsmetallburken i degeln 2. Anslut tändkabeln till läppen på svetsmetallen 3.Sätt på locket på svetsformen. 4. Tryck ner tändknappen tills reaktionen startar När svetsen är klar ta bort den tomma burken och borsta formen ren. 2 1 3 1

Cadweld filmer

Djupjordning i berg och hård mark Bergborrade hål fyllda med GEM

Fördelar med bergborrade hål och djupjordning Enda möjligheten till att nå önskat resistansvärde inom rimligt avstånd/kostnad vid tuffa jordningsförhållanden såsom: berg, sand , grus mm. Stabilt resistansvärde, liten säsongsvariation påverkas inte av torka/regn/tjäle. Underhållsfritt Liten åverkan på mark Kompakt utförande , kan installeras under fundament eller i närheten. Kostnaden/resultatet kan relativt gott estimeras på förhand Kan med fördel installeras på vintern, tjälen gör marken mer stabil vid borrning. Möjlighet att nå grundvatten/lerlager djupt nere under mark. Kombineras med fördel med andra metoder som ringjord och fundamentsjord. Väl beprövat ca 3-5000 anläggningar utförda i bla Norge

Vindkraftpark Vänern

Grounding and lightning protection The six point plan Exempel på resistiviten i olika jordtyper. Havsvatten 10 - 20 Ωxm Lera 40 Grundvatten 50 - 150 Regnvatten 150 - 250 Sand blandat med lera 150 - 300 Berg, sandsten, etc 1000-2000 Lavasten > 4000 Granit >5000 Is, glaciärer >100.000 (frusen mark genererar hög resistivitet)

Svetsning av jordspett för bergborrade hål Svetsform:GEC-P143 Svetsmetall 150F20 Spett, 5/8”, mellanrum 3 mm Svetsform: GFC-P143Y3 Svetsmetall 90F20. Spett 5/8”, Cu-lina 50 mm2 Cu-lina 3 mm

Grounding and lightning protection The six point plan GEM åtgång i olika typer av hål GEM + Vatten En säck GEM innehåller 11.3 kg. 1 säck blandas med 5-8 liter vatten   Diameter tum Diameter mm Antal kg GEM /meter hål Max borr djup m 2 50 3,6 6 3 75 7,5 10 4 100 10-25 5 125 11,3 >25m Jord Sand, etc Berg Berg

Vid vatten i bergborrade hål GEM Placera jordelektroden i hålet Pumpa ner GEM med hjälp av en slang ned till botten av hålet GEM kommer att blockera för mer inträngning av grundvatten GEM kommer att pressa befintligt vatten ut ur hålet Fyll GEM till toppen, jordningen är klar. Hål djupare än 10 meter kan ej tömmas med vakumpump Vatten Entreprenör Berg Grundvatten

1.Tube hammered down in sand to protect 1 Jordning i sandig 5 4 1.Tube hammered down in sand to protect sand to flow down when drill is pulled up 2.Groundrod electrode as long as hole is deep. 3.CADWELD molecular welded together, GE-weld, weld in horizontal position before placed in holes. 4. GF-weld 5. CU conductor 6. GEM. 1 Dry sand 3 25m 6 Rock 2 Groundwater By Gunnar Mustaparta 12. January 2007.

Grounding and lightning protection The six point plan Grounding of industrial buildings. When mesh net under building: Exothermic welds because of reliability. If stone and rocky ground: Use GEM around conductors. Use vertical rod electrodes., when drillholes, fill holes with GEM. Use more equipotential conductors, less area, instead of few big area. GEM GEM GEM

Grounding and lightning protection The six point plan Windmill groundings, lightning protection If enough depth in soil, hammer down the rods (to resistance level) In desert area, dry sand over rock, drill through a tube ( as formwork ) to depth for groundwater, i.e. 25 meters Plan for more groundrod electrodes, if resistance is too high ( dotted lines) Keep bending radius, > 200 mm.

Principskiss Jordning bergborrade hål Trafo station Borrdjup 6-50m Ev grundvatten

Grounding and lightning protection The six point plan 1. Undvik vatten i hålet före du häller i GEM 2. Använd jordförbättringsmassa som härdar 3. Använd inte vanlig kopparlina då den har en fjädereffekt och kan fastna halvägs eller trycka mot väggen 4. Använd inga mekaniska anslutningar då det finns risk för oxidering i skarvarna Berg OXIDERING i.e. 15 m deep

Tack för visat intresse