Egy újonnan létesülő épület esetén a villamos tervező feladata egyebek mellett az épület földelőrendszerének megtervezése is. A tervezett földelőrendszer több célt szolgálhat: lehet villámvédelmi, hibavédelmi, elektrosztatikai, zavarvédelmi és egyéb speciális funkciója is. Egy adott épülethez általában egyetlen összefüggő földelőrendszer létesül, mely a fenti földelési funkciók mindegyikére alkalmas kell, hogy legyen. Földelési funkció szerint elkülönülő (egymástól elválasztott, „elszigetelt”) földelőrendszer általában csak speciális esetben szokott létesülni, pl. egy fokozott zavarmentességet biztosító műszerföld rendszer igénye esetén.

Az egyes földelési funkciók mindegyikére meghatározott szabványok és egyéb létesítési előírások vonatkoznak. A teljesség igénye nélkül megemlítve néhányat: A villámvédelmi földelés alapszabványa az MSZ EN 62305 szabványsorozat, alapozásföldelők esetén ez kiegészül az MSZ 18014:2019 szabvány előírásaival is. Hibavédelmi földelési szempontból pl. az MSZ HD 60634 szabványsorozat vonatkozó lapjai és az MSZ 447 szabvány ír elő követelményeket. Az említett szabványokat az Országos Tűzvédelmi Szabályzathoz kapcsolódó Tűzvédelmi Műszaki Irányelvek is kiegészítik, pontosítják (pl. 7.6 villamos berendezések, villámvédelem és elektrosztatikus feltöltődés elleni védelem előírásai)

Amennyiben egy épületben középfeszültségű villamos berendezés is létesül – gondoljunk itt pl. egy közüzemi, vagy magántulajdonú középfeszültségű transzformátorállomásra, ill. az ehhez kapcsolódó középfeszültségű kapcsolóberendezésre –, úgy az épület földelőrendszerének meg kell felelnie a középfeszültségű rendszer üzemi földelésére vonatkozó előírásoknak is.

Az 1 kV-nál nagyobb váltakozó feszültségű rendszerek földelésére jelenleg az MSZ EN 50522:2022 szabvány (továbbiakban: Szabvány) vonatkozik, melynek van egy régebbi, 2011-es kiadású magyar nyelvű változata is.

A Szabvány alkalmazási területei

Az MSZ EN 50522:2022 „1 kV-nál nagyobb váltakozó feszültségű energetikai létesítmények földelése” szabvány alkalmazási területe:

„1. Alkalmazási terület

Ez a szabvány az 1 kV-nál nagyobb névleges feszültségű és legfeljebb 60 Hz névleges frekvenciájú, váltakozó áramú villamosenergetikai létesítmények földelőrendszereinek tervezésére és létesítésére vonatkozó követelmények meghatározására alkalmazandó, hogy rendeltetésszerű használat esetén megvalósuljon a megfelelő és biztonságos működés.

1.MEGJEGYZÉS: A jelen dokumentum műszaki és eljárási alapelvei akkor is alkalmazandók, ha harmadik fél berendezéseit és létesítményeit nagyfeszültségű (villamosenergetikai berendezések közelében tervezik és/vagy építik fel.

E szabvány értelmében villamos energetikai létesítménynek minősülnek a következők:

a) alállomás, beleértve a vasúti táplálás alállomását;

b) árbócon, oszlopon vagy tornyon elhelyezett villamos berendezések;

zárt villamos kezelőtereken kívül elhelyezett kapcsolóberendezések és/vagy transzformátorok;

c) egyetlen telephelyen lévő egy (vagy több) erőmű;

a villamosenergetikai létesítmény magában foglalja a generátorokat és a transzformátorokat a hozzájuk tartozó kapcsolóberendezésekkel és villamos segédüzemi rendszerekkel együtt. A különböző telephelyeken lévő erőművek közötti összekötések nem tartoznak ide;

d) gyár, ipari üzem vagy más ipari, mezőgazdasági, kereskedelmi vagy közcélú épület villamosenergetikai rendszere;

e) offshore létesítményeken lévő villamosenergia-termelés, -szállítás, -elosztás és/vagy -tárolás céljából létesült villamos berendezése;

f) szabadvezetékek és földalatti kábelvonalak csatlakozásánál lévő tornyok/oszlopok.

A villamosenergetikai létesítmények többek között a következő berendezéseket tartalmazzák:

  • villamos forgógépek;
  • kapcsolóberendezések;
  • transzformátorok és fojtótekercsek;
  • áramátalakítók;
  • kábelek;
  • vezetékrendszerek;
  • akkumulátorok;
  • kondenzátorok;
  • földelőrendszerek;
  • elzárt villamos kezelőterek épületei és kerítései;
  • kapcsolódó védelmi, vezérlő- és segédrendszerek;
  • nagy légmagos fojtótekercsek.

Ez a szabvány nem vonatkozik az alábbi földelőrendszerek tervezésére és létesítésére:

  • különálló létesítmények közötti szabadvezetékek és földbe fektetett kábelvonalak;
  • villamosított vasúti pályák és gördülőállomány;
  • bányászati villamos szerkezetek és létesítmények;
  • fénycsöves berendezések;
  • az IEC 60092 szerinti hajókon és az IEC 61892 szerinti offshore létesítményeken található berendezések, amelyeket a tengeri kőolajiparban fúrási, feldolgozási és tárolási célokra használnak;
  • elektrosztatikus berendezések (pl. elektrosztatikus leválasztók, festékszóró egységek);
  • próbatermek
  • orvosi berendezések, pl. orvosi röntgen berendezések.

3. MEGJEGYZÉS: Az EN 50341 – 1 kV-nál nagyobb váltakozó feszültségű szabadvezetékek szabvány írja elő a szabadvezetékek földelőrendszereinek tervezésére és kivitelezésére vonatkozó követelményeket.”

Az alkalmazási területek gyakorlati értelmezése

A Szabvány szerint a „nagyfeszültség” kifejezés az 1kV feletti névleges feszültségű berendezéseket jelenti, azaz a szabvány hatálya alá tartozik minden középfeszültségű (10kV, 20kV, 35kV-os) és nagyfeszültségű (120kV, 220kV, 400kV-os) villamosenergetikai létesítmény (a szabadvezetékek és kábelvonalak kivételével) és az azokban található villamos berendezések is.

Az 1. megjegyzés szerint abban az esetben is figyelembe kell venni a Szabvány előírásait, amennyiben egy meglévő villamosenergetikai létesítmény pl. egy meglévő közép- / kisfeszültségű transzformátorállomás közvetlen környezetében építenek fel egy új épületet, mely lehet akár egy iskola/óvoda is.

Meglévő ÉHTR állomás mellett felépült iskolaépület, forrás: GoogleMap

Nézzük sorba a Szabvány hatálya alá tartozó villamosenergetikai létesítményeket és vizsgáljuk meg az alkalmazási gyakorlatot az adott építménytípus létesítése során.

Az „1. Alkalmazási terület” pontjának felsorolását követve[TV1] :

a.) Újonnan épülő közép- / nagyfeszültségű alállomások, valamint a villamos vasúti vontatáshoz tartozó alállomások. Manapság pl. sok nagyfeszültségű alállomás létesül nagyteljesítményű napelemes erőművek csatlakozási pontján, valamint a vasútfejlesztés kapcsán is számos vasúti alállomás is épül. A gyakorlati tapasztalatuk alapján ezek esetében a létesítésben résztvevők (beruházók, tervezők, kivitelezők, műszaki ellenőrök) minden esetben figyelembe veszik a Szabvány földelésre vonatkozó előírásait.

b.) Az oszlopon elhelyezett villamos berendezésre a legjobb példa a középfeszültségű oszloptranszformátor, melynek létesítése esetén szintén alkalmazni kell a Szabványban foglaltakat.

c.) Villamosenergia-termelő erőművek földelőrendszere esetén (pl. egy új gázturbinás erőműnél)  egyértelmű az alkalmazás szükségessége, és ez a gyakorlatban meg is történik. Azonban gondoljunk bele egy speciális területbe: a napelemes (kis)erőművek területén található-e középfeszültségű rendszer? pl. transzformátorállomás? A kérdésre a válasz általában az, hogy igen, ebből következően a napelemes erőművek (teljes területének) földelőrendszerére szintén vonatkoznak a Szabvány előírásai.

Napelemes erőmű területén lévő transzformátorállomás

d.) Az egyik legérdekesebb és sokak által nem ismert pontja a felsorolásnak: „gyár, ipari üzem vagy más ipari, mezőgazdasági, kereskedelmi vagy közcélú épület villamosenergetikai rendszere”. Hány esetben fordul elő az, hogy egy új gyártócsarnok, egy logisztikai központ, egy bevásárlóközpont vagy egy új irodaépületben közcélú, vagy saját üzemeltetésű közép- / kisfeszültségű transzformátorállomás létesül? Elég sokszor… Mivel ezek is 1kV feletti villamos berendezésnek minősülnek, így a Szabvány ezen berendezésekre vonatkozik, így az adott épület földelőrendszerére is alkalmazandó.

e.) Offshore (tengeri) létesítmények hazánkban nem találhatók, így ez a pont Magyarország területén nem releváns.

f.) Középfeszültségű szabadvezetékek és földkábelek csatlakozásánál lévő oszlopok azonban számos helyen alkalmazásra kerülnek, így ezek tervezése és létesítése során is figyelemmel kell lenni a Szabványban leírtakra. Ez a pont a 2011-es szabványváltozatban még nem szerepelt.

Mi a Szabvány célja?

A Szabvány célja azon biztonsági kritériumok meghatározása, melyek az emberi élet védelmét biztosítják az 1kV-nál nagyobb feszültségű villamos rendszerek, berendezések zárlatának fellépése esetén.

Nagyfeszültségű (1kV-nál nagyobb) rendszerek üzeme során fellépő veszélyek:

  • Érintési feszültség kialakulása
  • Lépésfeszültség kialakulása
  • Transzferpotenciál létrejötte

Ezek a veszélyek a Szabvány 1. ábrája alapján értelmezhetők legkönnyebben:

Érintési- és lépésfeszültség, valamint a transzferpotenciál értelmezése

Ahol:
E – Földelő
S1, S2, S3 – Potenciálvezérlő földelő (pl. gyűrűs földelő), az E jelű földelőhöz csatlakoztatva
UE – Földpotenciál-emelkedés
UvT – Független érintési feszültség
UVS – Független lépésfeszültség
A – Egyoldali kábelköpeny-földelés esetén a transzferpotenciál által eredményezett független érintési feszültség
B – Mindkét végén földelt kábelköpeny esetén a transzferpotenciál által eredményezett független érintési feszültség

Az ábrából látható, hogy pl. potenciálvezérlés kiépítése esetén a független érintési feszültség, ezáltal a területen tartózkodó személyek veszélyeztetettsége nagymértékben csökkenthető. A Szabvány alapján a védelmi intézkedések akkor megfelelőek, a földelőrendszer akkor biztonságos, amennyiben a meghatározott érintési- és lépésfeszültség, valamint transzferpotenciál értékek a Szabvány alapján meghatározott határértékek alatt maradnak.

Milyen funkcionális követelmények vonatkoznak a Szabvány alapján létesítésre kerülő földelőrendszerekre?

A földelőrendszer funkcionális követelményeit a Szabvány csak meghivatkozza az MSZ EN IEC 61936-1:2022 szabvány 10.2.2 pontja alapján:

„A földelőrendszernek, annak elemeinek és védőösszekötő-vezetőinek alkalmasnak kell lenniük a zárlati áram elosztására és föld felé való levezetésére a tartalékvédelmi kioldási idő alapján meghatározott termikus és mechanikai tervezési határértékek túllépése nélkül.

A földelőrendszernek meg kell őriznie integritását a létesítmény várható élettartama alatt, figyelembe véve a korróziót és a mechanikai hatásokat.

A földelőrendszernek úgy kell felépülnie, hogy a földelőrendszeren belüli potenciálkülönbségek és a kis keresztmetszetű, földelőrendszert elkerülő áramutakon folyó zárlati részéramok miatt fellépő túlzott potenciálemelkedés hatására létrejövő berendezés-károsodás elkerülhető legyen.

A földelőrendszernek megfelelő védelmi intézkedésekkel (pl. potenciálszabályozás, helyi leválasztás) párosulva az érintési- és lépésfeszültség, valamint a transzferpotenciál értékét a hálózati védelmek és megszakítók normál működési idejére vonatkozó feszültséghatárokon belül kell tartania.”

A földelőrendszer ezen funkcionális követelményeknek való megfelelése meghatározható számítással és / vagy szimuláció segítségével, melyet az adott villamos rendszer tervezőjének feladata elvégezni.

Például transzformátor csillagponti földelővezető keresztmetszetének meghatározása számítással a Szabvány „D” melléklete alapján is lehetséges, de emellett – főleg nagykiterjedésű, vagy bonyolult felépítésű földelőrendszer (pl. villamos alállomás, bevásárlóközpont, kórház, vagy ipari üzemcsarnok), illetve több építmény földelőrendszereinek együttes jelenléte, megközelítése esetén – az érintési- és lépésfeszültség meghatározásához sokszor elengedhetetlen a szimulációs szoftverek igénybevétele.

Földelőrendszer szimuláció

Abban az esetben, ha a tervezés során a földelőrendszer bonyolultsága azt igényli – az érintési- és lépésfeszültség szimuláció elvégzéséhez a villamos tervezőnek számos bemeneti adat, paraméter ismerete szükséges, melyek közül a legfontosabbak:

  • Talaj fajlagos ellenállás értéke, vízszintes és függőleges talajrétegződési szerkezet
  • Zárlati paraméterek: Zárlati áramok (pl. földzárlat, kettős földzárlat), tartalékvédelmi kioldási idők
  • A földelőrendszer geometriája, anyagai, fektetési mélysége, további paraméterei
  • A földelőrendszerhez csatlakozó külső földelők, földelt kábelárnyékolások adatai
  • A terület fémszerkezeteinek topológiája (vezetőképes pillérek, fém falak, fém kerítés, stb.)
  • A terület térburkolatai (földdel borított, betonozott, aszfaltozott, stb.)
  • A területen jelenlévő személyek jellege (szakképzett / szakképzettség nélküli), ruházata, tartózkodási helye

A fenti paraméterek ismeretében a szimulációs programmal meghatározható a földelőrendszer területén belüli és annak környezetében fellépő talajpotenciál emelkedés, az érintési- és lépésfeszültség értékének területi eloszlása, melynek ismeretében a Szabványban rögzített határétékekkel való összehasonlítás megtehető.

A szimulációs folyamat is iterációs jellegű (hasonlóan a villámvédelmi kockázatkezeléshez): amennyiben a vizsgált területen meghatározott értékek a Szabvány határértékei alatt vannak, úgy a földelőrendszer megfelelő, azonban, ha attól nagyobbak, úgy védelmi intézkedések alkalmazása válik szükségessé (pl. a földelőrendszer topológiájának változtatása, potenciálvezérlés kiépítése, földelőkút létesítése, stb.). A szimulációt addig kell ismételni, amíg alkalmazásra kerülő védelmi intézkedésekkel az érintési- és lépésfeszültség értékek a teljes vizsgált területen a megadott határérték alattiak nem lesznek.

Egy földelőrendszer szimulációjának példája

Érdekességképpen vizsgáljuk meg, hogy egy közép-/kisfeszültségű transzformátorállomással rendelkező 40m x 80m alapterületű, fém falburkolattal rendelkező ipari épület esetén a földelőrendszer elrendezés változtatása hogyan befolyásolja az érintési- és lépésfeszültség viszonyokat.

A szimuláció során az épület falától 10m-re futó kerítés mentén és az épület oldalfala melletti 1m-es sávban ellenőriztük a szabvány határértékeinek való megfelelést.

Földelőrendszer felépítés szempontjából két esetet vizsgáltunk:

  • 1. eset: az épület keretföldelővel rendelkezik
  • 2. eset: az épület alatt 20x20m osztású hálós földelőrendszer kerül kialakításra

1. eset: Földelőrendszer topológia: Keretföldelő és egy 6m-es rúdföldelő szonda

2. eset: Földelőrendszer topológia: 20m x 20m-es földelőháló és egy 6m-es rúdföldelő szonda

A felvett további paraméterek:

  • a transzformátor csillagpontja és a középfeszültségű betáplálási kábelek árnyékolása a földelőrendszerhez csatlakozik
  • földelőrendszer fektetési mélység: 0,7m,
  • földelőrendszer anyaga: 40x5mm tűzihorganyzott acélszalag
  • középfeszültségen kettős földzárlat keletkezik
  • figyelembe vett talaj fajlagos ellenállás értéke: 150 Ωm
  • kerítés: fémesen folytonos, a földfelszínen futó vezetővel szimulálva

A talajpotenciál-eloszlás megmutatja, hogy a vizsgált terület adott pontja a végtelen távoli nullapotenciálú helyhez képest milyen potenciálra emelkedik a középfeszültségen bekövetkező zárlat hatására.

A topológiai elrendezés figyelembevételével a következő talajpotenciál eloszlások adódtak:

1. eset: Keretföldelő, talajpotenciál emelkedés 3D ábrázolása

2. eset: Földelőháló, talajpotenciál emelkedés 3D ábrázolása[TV2] 

Az ábrák alapján megfigyelhető, hogy a keretföldelő topológiához képest (1. eset, Umax=1542V) a hálós elrendezésnél jelentősen kisebb talajpotenciál-emelkedések jönnek létre (2. eset, Umax=1269V). Ez és a Szabvány előírásai alapján meghatározott érintési- és lépésfeszültség határértékek figyelembevételével a következő ábrákon látható biztonságos és veszélyezetetett területek adódtak.

1. eset: Keretföldelő, biztonságos (zöld) és veszélyeztetett (sárga) területek

2. eset: Földelőháló, biztonságos (zöld) és veszélyeztetett (sárga) területek

A zölddel jelölt területeken (pl. a kerítés külső és belső oldalán, attól 1-1 méter távolságban) mind az érintési-, mind a lépésfeszültség megfelelő, így a terület biztonságosnak tekinthető, míg a sárga területeken az érintési feszültség nagyobb, mint a határérték, mely az ott tartózkodó személyekre veszélyt jelent (pl. ha valaki az épület fémburkolatú falának támaszkodik a középfeszültségű zárlat fellépésének időpontjában).

Az eredményekből jól látható, hogy

  • veszélyes mértékű potenciálemelkedések, veszélyes érintési feszültség értékek az épület azon területein (pl. a transzformátorhelyiséggel átellenes épületoldalon) is megjelenhetnek, ahol nem is számítanánk rá
  • a hálós földelőrendszer alkalmazásával a fellépő potenciálemelkedések csökkenthetők, így a területen tartózkodó személyek veszélyeztetettsége is csökken
  • ettől függetlenül hálós földelési topológia esetén is lehetnek olyan területek, ahol a személyek veszélyben vannak (sárga területek), így hálószerű földelés esetén is további védelmi intézkedések lehetnek szükségesek az érintési- és lépésfeszültség veszélytelen szintre csökkentéséhez.
  • a lépésfeszültségre vonatkozó határértékek jóval magasabbak, mint az érintési feszültségre vonatkozóak, a szabvány alapján kijelenthető, hogy ahol az adott terület megfelel az érintési feszültség határértékeinek, ott a lépésfeszültség előírásainak is megfelel.

Összefoglalás:

A Szabvány szerinti 1kV feletti villamos berendezéssel is rendelkező építmények esetén az építményvillamossági és villamos energetikai tervezőknek a földelőrendszer tervezésénél figyelembe kell venniük az MSZ EN 50522:2022 szabvány előírásait és alkalmazni kell minden olyan védelmi intézkedést, mely a területen tartózkodó személyek biztonságát szolgálja.

Vannak azonban olyan épület- és építménytípusok, melyek a Szabvány alkalmazási területébe tartoznak ugyan, de a tervezők nem minden esetben vizsgálják meg, hogy az építmény földelőrendszere megfelel-e az abban foglalt előírásoknak.

Tapasztalataink alapján a legnagyobb hiányosság e téren a középfeszültségű berendezéssel is rendelkező ipari / kereskedelmi / közcélú épületeknél, valamint a napelemes (kis)erőműveknél tapasztalható.

Varga Tamás