Jordelektroder utforming og egenskaper

Transkript

1 Jordelektroder utforming og egenskaper Anngjerd Pleym 1

2 Innhold Overgangsmotstand for en elektrode Jordsmonn, jordresistivitet Ulike elektrodetyper, egenskaper Vertikal Horisontal Fundamentjording Ringjord Maskenett Kombinasjoner av elektroder Jordelektroders høyfrekvensegenskaper 2

3 Overgangsmotstand til jord Består av motstanden i elektroden og jorden omkring Ved lave frekvenser, direkte proporsjonal med jordresistiviteten Kan for noen elektrodeformer beregnes analytisk eller ved hjelp av tilnærmede formler Den største delen av overgangsmotstanden til jord ligger nært elektroden r 3

4 Overgangsmotstand for ei halvkule i jordoverflaten Strømtetthet i en avstand r fra kulas sentrum: 2I 4πr ( ) [ ] 2 r A m σ = 2 / Elektrisk feltstyrke i en avstand r fra kulas sentrum: E r = ρ σ 2I 4π ( r) = ρ 2 Spenning mellom kulas overflate og et skall med radius r 1 : U Fjern jord tilsvarer r 1 = ρi U = 2πa r= r ρi 1 1 ( r) = ( ) = 1 E r dr 2π = a r r a 1 1 Overgangsmotstand til fjern jord ρ R= 2πa 4

5 Jordsmonnets egenskaper 5

6 Typiske verdier for jordresistivitet Jordsmonn (og vanntyper) Resistivitet [Ωm] Saltholdig sjøvann <1 Fuktig myrjord Ferskvann (elv, innsjø) Dyrket jord, leire (fuktig) Fuktig sandjord Tørr sandjord, morene Fjellgrunn m/vannfylte sprekker

7 Årstidsvariasjoner i jordsmonnet Jordsmonnets egenskaper endres med årstidene Mulig tørke om sommeren Mulig frost om vinteren Fuktig sandjord: ohmm Tørr sandjord/morene: ohmm Overgangsmotstand direkte proporsjonal med jordresistiviteten! 7

8 Variasjon i resistivitet pga fuktinnhold Ser at resistiviteten øker når fuktigheten avtar Litt ulik kurve for ulike typer jordsmonn, men konsekvensen av uttørking er den samme resistiviteten øker Figur hentet fra: Grounding and Bonding, ISBN For de fleste jordtyper vil 30 % fuktighet være tilstrekkelig Resultat av økt resistivitet er høyere overgangsmotstand til jord 8

9 Variasjon i resistivitet pga temperatur Når fuktigheten i bakken fryser stiger resistiviteten Mangel på vann (i flytende form) hemmer transport av ioner som bærer ladning i jordsmonnet Figur hentet fra: Grounding and Bonding, ISBN

10 Variasjon i resistivitet pga saltinnhold Når saltinnholdet øker avtar resistiviteten i bakken Skyldes at økt saltinnhold gir økt mengde ioner som kan transportere ladning Kan benytte tilsetting av salt som middel for å få ned resistiviteten Figur hentet fra: Grounding and Bonding, ISBN

11 Ulike elektrodetyper og deres egenskaper 11

12 Vertikale jordspyd Hensiktsmessig dersom jordresistiviteten avtar med dybden Flere spyd i parallell gir lavere overgangsmotstand spydene må ha en viss avstand fra hverandre Dimensjonen på spydet bestemmes ut i fra mekaniske hensyn Gunstig for impulsjording dersom stasjonær motstand er lav nok Stasjonær motstand gitt av: ρ 8l R j = ln 1 2πl d [ Ω] 12

13 Horisontale jordledere Brukes der det ikke er mulig/gunstig å slå ned spyd Kan være utsatt for frost og uttørking som gir høyere motstand Parallellkobling av flere tråder gir lavere motstand gunstig med kråkefot med tanke på impulsjording Har høy impulsmotstand i første øyeblikk bølgeimpedans Krav til mekanisk styrke, korrosjonshensyn og forventet strøm gir dimensjoner Stasjonær motstand: ρ 2l R j = ln 1 πl dh [ Ω] 13

14 Fundamentjording Armeringsjern i betongfundamenter fungerer som elektrode Avhengig av utforming på fundament kan det ekvivaleres med ei halvkule i jordoverflaten Stasjonær jordmostand: R ρ = j 2 πa [ Ω] a er kulas radius 14

15 Ringjord Legges som en horisontal elektrode, men i ring rundt den aktuelle installasjonen Stasjonær motstand: ρ 8D 4D R j = ln + ln 2π 2 D d 2h [ Ω] D er ringens diameter d er lederens diameter h er nedgravningsdybden 15

16 Maskenett Brukes typisk for jording og potensialutjevning i store anlegg Typisk transformatorstasjoner/koblingsanlegg Kan være utsatt for frost og uttørking som gir høyere motstand Vanskelig å beregne impedans i jordnettet for høye frekvenser Avhenger av strømbane, forhold mellom nettets lengde og bredde samt maskestørrelse Krav til mekanisk styrke, korrosjonshensyn og forventet strøm gir dimensjoner Stasjonær motstand: ρ L L R j = ln + k1 k2 πl as A 16

17 Maskenett Et maskenett kan legges ut på mange måter Kvadratisk vs rektangulært Jevn avstand mellom tråder i nettet (maskestørrelse) vs ulik avstand mellom trådene (for eksempel logaritmisk fordeling) Ulike former vil ha ulik effekt ved ulike frekvenser. Må dimensjoneres etter hovedhensikt og plassering av strategiske elementer i et anlegg. Resistansen i et maskenett vil avta med: Økende omsluttet areal, A Økende lederradius, a Økende nedgravningsdybde, s Økende antall krysningspunkter 17

18 Gjennomgående jordline Kan ses på som en utstrakt elektrode for 50 Hz-formål For impulsjordingsformål er virkningen sterkt avhengig av hvor ofte jordlina er tilknyttet jord Fra simuleringer har vi: jording hver 500 m gir ingen virkning i forhold til impulsjord jording hver 100 m gir relativt god virkning Årsak til god virkning ved hyppige tilknytninger til jord er mange jordmotstander i parallell og kort avstand mellom hvert jordpunkt 18

19 Jordelektroders høyfrekvensegenskaper Høyfrekvensegenskapene kan avvike betydelig fra likestrømsegenskapene Partielle overslag i jorda rundt elektroden kan gi lavere motstand ved avledning av store lynstrømmer enn ved avledning av små strømmer. Lange jordledere oppleves som transmisjonslinjer med tap. 19

20 Kombinasjon av elektroder Flere elektroder av samme eller ulike typer kan kobles sammen på ulike måter Viktig å huske at de enkelte elektrodene vil påvirke hverandre For å få best mulig effekt er det viktig at elektrodene har en viss avstand til hverandre Kan kombinere ulike elektrodetyper for å oppnå bedre resultat, for eksempel jordline og spyd, maskenett og spyd etc. 20

21 Gode muligheter når alt synes umulig Tilsetting av jordforbedringsmidler (salter) Mest effektivt nær jordelektroden, der ligger mesteparten av motstanden Tilkoble en elektrode som ligger i vann NB! For impulsformål virker dette som regel dårlig dersom avstanden til vann er av en viss størrelse Bruke tilgjengelige metalliske systemer som for eksempel rør som allerede ligger i bakken 21

22 Materialer i jordingsanlegg Vanligste materiale er kobber Ledningsevne Motstandsdyktighet mot korrosjon Har delvis vært brukt kobberkledd stål, men tryggere med rene kobberelektroder Bruk av kobberelektroder kan skape korrosjonsproblemer for andre metallkonstruksjoner i bakken, for eksempel stålrør. Korrosjonsmotstandsdyktighet, mekanisk styrke og strømføringsevne er de viktigste parametrene for å bestemme dimensjoner og material 22

23 Takk for oppmerksomheten! 23