Pospojování

Ing. Michal Kříž

“Pospojování” je v současné době v oblasti elektrotechniky velmi používaný technický termín. Pospojování se uplatňuje v bohaté technické praxi, i v těch nejvšednějších situacích. Dnes prakticky již každý pospojování využívá. Příkladem požadavku na pospojování je v normách již desítky let předepisované pospojování v koupelnách. Proč se pospojování provádí, je na první pohled zřejmé. Tak jako Archimédes toužil po pevném bodě, aby mohl pohnout Zemí, tak my elektrotechnici vyžadujeme pevný, neutrální bod (obvykle neutrální zem), ke kterému můžeme vztahovat, definovat i vyrovnávat jakákoliv napětí. Pospojování slouží k vyrovnání potenciálů (někdy také termín “vyrovnání potenciálů” namísto termínu “pospojování” užíváme). Vyrovnat potenciály se vyžaduje pro řadu účelů. Je to především z důvodu:
- ochrany před úrazem elektrickým proudem,
- ochrany před přepětími vznikajícími při úderu blesku,
- ochrany před rušivými vlivy jiných elektrických zařízení.

Pospojování jako prostředek ochrany před úrazem elektrickým proudem

Pospojování, nazývané v dané souvislosti ochranným pospojováním, samo o sobě patří mezi nejvíce uplatňované prostředky ochrany před úrazem elektrickým proudem. Využívá se obvykle v kombinaci s prvky vybavujícími automatické odpojení od zdroje (pojistkami, jističi, chrániči atd.) v případě poruchy. Spolu s těmito prvky také zajišťuje splnění podmínek pro automatické odpojení od zdroje, což je technický termín pro kompletní opatření pro ochranu před úrazem elektrickým proudem uplatňovanou v elektrických instalacích budov a jiných objektů.

Podle ČSN 33 2000-4-41 musejí být v každé budově do tzv. ochranného pospojování vzájemně spojeny: ochranný vodič, uzemňovací přívod a další vodivé části (kovová vodovodní, plynová a další potrubí a dosažitelné konstrukční kovové části). V této normě, obdobně jako v ČSN 33 2000-5-54, již tedy není použit termín hlavní pospojování – vyjmenovávají se části v objektu, které musí do pospojování být zahrnuty vždy, nicméně termín doplňující pospojování pro označení tradičního prostředku doplňující ochrany se nadále uplatňuje.

V minulosti se ochranné pospojování redukovalo v řadě případů pouze na ochranný vodič, a pokud se týkalo automatického odpojení v síti TN, správné uplatnění ochranného vodiče se ověřovalo a stále ověřuje zjištěním impedance smyčky. Kromě toho se předepisovalo spojit ochranný (dříve, pokud šlo o síť TN, nulovací) vodič se zvlášť dobrým uzemněním. Takto, na ochranný vodič zredukované, může ochranné pospojování být v řadě případů i v současné době – nikde není zakázáno stavět budovy bez použití kovových vzájemně propojených částí, kromě toho je v současné době celosvětová tendence zaměňovat dříve užívaná kovová potrubí, která sama o sobě, aniž se tomu tak říkalo, pospojování v budově zajišťovala, za potrubí z plastů. Nicméně zahrnout do ochranného pospojování i řadu dalších trvale vodivě propojených a připevněných částí, jak jsou uvedeny výše, se ukazuje nejen jako výhodné z hlediska vyrovnání potenciálů, ale z hlediska zajištění automatického odpojení i při přerušení vodiče PEN v síti TN, téměř jako nezbytné. Pospojování tedy není objev nejnovější doby; výše uvedený přístup – spojit vodivé části v budově na uzemnění – byl dokumentován již i v československé odborné literatuře třicátých let minulého století. Již tehdy se doporučovalo podstatně omezit dotyková a kroková napětí v budovách tím, aby se zařízení budovy uzemnilo na páskový vodič uložený v zemi kolem obvodu budovy, a tak aby při zkratu celá budova dostala potenciál uzemňovací soustavy. Tak se na stěnách a podlahách neobjeví nebezpečné rozdíly potenciálů [1]. Později, od šedesátých let, se doporučovalo založit tento vodič přímo do základů budovy.

Do technických norem se však tento, možno říci komplexní přístup, dostal poměrně nedávno, jmenovitě do kapitol 41 a 54 souboru ČSN 33 2000, a to na základě norem mezinárodních a evropských až v letech devadesátých minulého století.

Takže shrňme to – pospojování zajišťuje uvedení neživých částí elektrických předmětů a zařízení i cizích vodivých částí na společný potenciál. Při dobře provedeném uzemnění a v době, kdy zařízení je v normálním, tedy bezporuchovém stavu, je tento potenciál velmi blízký potenciálu vzdálené, neboli neutrální země, který se obvykle považuje za nulový. Kromě toho ochranné pospojování zajišťuje i odvádění poruchového proudu z místa poruchy ke zdroji a tím uzavření smyčky poruchového proudu, který způsobí odpojení obvodu nebo jeho části, kde došlo k poruše. Možno říci – čím lepší je pospojování, tím bližší si je vzájemně napětí na neživých částech a na cizích vodivých částech a čím lepší je uzemnění, tím bližší jsou napětí na těchto vodivých částech přístupných dotyku potenciálu vzdálené země. To je zvlášť významné v případech poruchy na elektrickém zařízení. Zároveň je také tím nižší impedance poruchové smyčky a tím jistější je včasné vypnutí částí, na nichž se vyskytla porucha z důvodu průrazu izolace.

Obr. 1 Pospojování v budově

Pospojování jako samostatné ochranné opatření

Pospojování však může být pro ochranu při poruše (tj. pro ochranu před dotykem neživých částí) ochranným opatřením i samo o sobě. To je obvykle tehdy, jestliže k automatickému odpojení nedojde v dostatečně krátkém čase. I když totiž pro obvody napájející velké spotřebiče, které odebírají proud větší než 32 A, ČSN 33 2000-4-41:2007 připouští pro sítě TN dobu odpojení až 5 s, nemusí být tato doba ještě dostatečně dlouhá, aby během ní jisticí prvky na velké jmenovité proudy stihly požadované vypnutí.

Příklad:

V případě obvodu chráněného pojistkou 63 A s charakteristikou gG je třeba, aby při poruše v síti TN, kterou je podle normy nutné odpojit do 5 s, protékal obvodem jednofázový zkratový proud rovný vybavovacímu proudu pojistky alespoň I_a = 350 A (odečteno z charakteristiky čas-proud této pojistky). To představuje impedanci smyčky počítanou ze vztahu

Z_s ≤  (2/3) × U₀/I_a = (2/3) × 230/350 = 0,438 Ω.

Pro napájení takového obvodu postačí při uložení vedení na stěně (způsob uložení C) kabel 4 × 16 mm² Cu. Počítáme-li rezistivitu mědi při 20 °C rovnou ρ = 0,018 Ω mm²/m, zjistíme, že délka vedení k tomuto spotřebiči nesmí přesáhnout l = Z_s/(2 × ρ/S) = 0,438/(2 × 0,018/16) = 195 m. To znamená, že kabel 4 × 16 mm² Cu prakticky od zdroje až k odběrnému zařízení se jmenovitým proudem 63 A v žádném případě nemůže být delší než 195 m. Samozřejmě, při odbočování od vedení distribuční sítě nebo od páteřního rozvodu v průmyslovém podniku může přívod vycházet ještě podstatně kratší.

Pro takové a obdobné případy nová ČSN 33 2000-4-41:2007 (stejně jako ty starší vydání z r. 1996 a 2000) předepisuje provést v místě takového spotřebiče doplňující pospojování. Podmínkou pro toto pospojování je, že odpor R mezi neživými částmi současně přístupnými dotyku a cizími vodivými částmi musí ve střídavých sítích splňovat vztah:

.

Takové doplňující pospojování je znázorněno na obr. 2. Podle ČSN 33 2000-4-41:2007 se uplatňuje jako prostředek doplňkové ochrany k ochraně (ochrannému opatření) běžného provedení, jestliže je nebezpečí úrazu určitými okolnostmi zvýšeno (je to např. v prostorech, v nichž existuje přímý kontakt osob s potenciálem země). Na obrázku je zřejmé, že pospojování je prováděno samostatně vedeným vodičem pospojování, který spojuje dvě neživé části, které jsou současně přístupné dotyku. Obdobný samostatný vodič doplňujícího pospojování může spojovat i neživé a cizí vodivé části. Pravidla týkající se průřezů těchto vodičů ochranného pospojování jsou uvedeny níže a jsou také znázorněny na obr. 3 a 4, nicméně v některých případech na uvedeném obrázku takové přímé propojení pomocí samostatných vodičů není vidět. Vodič ochranného pospojování odbočuje ze samostatného ochranného vodiče, který je veden v kabelu nebo ve stejném obložení s fázovými vodiči elektrického rozvodu. Samostatný ochranný vodič elektrického rozvodu je tedy součástí pospojování v budově a v daném případě je i součástí doplňujícího pospojování. Dokonce ke splnění podmínek doplňujícího pospojování postačuje samostatný ochranný vodič, který je součástí kabelu elektrického rozvodu. Není tedy podle příslušných norem třeba spojovat kolíky zásuvek v koupelnách, které jsou připojené na samostatný ochranný vodič elektrického rozvodu v koupelně nebo jiné místnosti s vanou nebo sprchou, ještě samostatně vedeným vodičem ochranného pospojování. Postačuje, jestliže je v této místnosti nebo v její blízkosti samostatný ochranný vodič propojen příslušnými cizími vodivými částmi, jak to vyžaduje ČSN 33 2000-7-701.

Obr. 2 Princip doplňujícího ochranného pospojování

Průřezy vodičů ochranného pospojování

Nuže, jaké jsou předepsány pro vodič ochranného pospojování průřezy. Průřezy vodičů ochranného pospojování, do kterého jsou vzájemně spojeny: ochranný vodič, uzemňovací přívod a další vodivé části (kovová vodovodní, plynová a další potrubí a dosažitelné konstrukční kovové části), které jsme dříve byli zvyklí nazývat vodiče hlavního pospojování, nesmí mít průřez menší než:
- 6 mm² mědi nebo
- 16 mm² hliníku nebo
- 50 mm² oceli.

V normě již není stanoveno, jaký má nebo může být maximální průřez těchto vodičů. Není tedy uvedeno, tak jako je tomu v doposud ještě souběžně platné ČSN 33 2000-5-54:1996, že jejich průřez nemusí být větší než 25 mm². Je to z toho důvodu, že v mnoha případech byl tento průřez malý. Bylo to zejména tehdy, kdy při přerušení vodiče PEN přívodu do bytu nebo přímo u hlavního domovního vedení celou funkci vodiče PEN přebíral vlastně vodič hlavního pospojování, kterým bylo obvykle potrubí vodovodního přívodu, ke kterému byl v době výstavby objektu nulovací vodič (nyní vodič PEN) připojen, jak to odpovídalo tehdy platným předpisům, tedy především normě ČSN 34 1010:1965, jestli ne ještě podle Předpisů ESČ 1950. Pokud bylo takové potrubí použito, nemusel mít nikdo obavy z průřezu vodičů, kterými si proud nulového vodiče nalézal cestu zpět do hlavní domovní skříně a do distribuční sítě. Výjimkou snad mohly být poněkud slabší vodiče ochranného pospojování použité obvykle v koupelně k propojení instalace s vodovodním potrubím. Přesto však obvykle tu řadu desetiletí svého přetěžování, kdy vlastně namísto nulovacího vodiče, dnes bychom řekli namísto vodiče PEN, tyto vodiče doplňujícího pospojování sloužily, vydržely. Na to, že je něco v nepořádku, se přišlo až když bylo kovové potrubí vyměněno za plastové. Přesto však nechceme, aby k takovým situacím, kdy je průřez vodiče pospojování nedostatečný, docházelo. V některých případech to zaznamenávají i samotní zodpovědní elektrotechnici, kteří rekonstrukce elektrických instalací provádějí. Jako ekvivalent k vodiči PEN průřezu 150 mm² vodič ochranného pospojování, který jej má v případě přerušení nahradit, o průřezu 25 mm², skutečně nemůže přicházet v úvahu. Proto je k výše uvedeným minimálním průřezům v normě doplněna poznámka, že při volbě průřezu tohoto vodiče je třeba zvážit, zda v případě poruchy některého vodiče PEN nenahrazuje hlavní pospojování jeho funkci. Potom je třeba vodič hlavního pospojování dimenzovat jako vodič PEN. Samozřejmě se nemusí jednat o vodič ze stejného materiálu jako je vodič PEN např. hlavního domovního vedení, ale pokud je použit vodič z jiného materiálu, musí jeho průřez být alespoň ekvivalentní průřezu vodiče PEN z hlediska jeho elektrotepelných vlastností (aby ekvivalentní vodič pospojování nebyl zahřátý nad dovolenou mez).

Pokud jde o vodič doplňujícího pospojování, jeho minimální průřez je stanoven ze dvou hledisek:
- jestliže se jedná o vodič spojující navzájem dvě neživé části, nesmí mít vodivost menší, než je vodivost tenčího z ochranných vodičů připojených k neživým částem (viz obr. 3),
- jestliže se jedná o vodič spojující neživé části s cizími vodivými částmi, nesmí mít vodivost menší, než je polovina vodivosti odpovídající průřezu příslušného ochranného vodiče (viz obr. 4).

Přitom však musí být splněny i podmínky pro ochranný vodič. Průřez žádného ochranného vodiče, který není součástí kabelu nebo který není ve společném obložení s vodiči vedení (fázovými vodiči), nesmí být menší než:
- 2,5 mm² Cu nebo 16 mm² Al, pokud je chráněn před mechanickým poškozením, nebo
- 4 mm² Cu nebo 16 mm² Al, pokud před mechanickým poškozením chráněn není.

Vodič ochranného pospojování, který není součástí kabelu, se považuje za mechanicky chráněný, jestliže je uložen v instalační trubce, kanálku, liště nebo je chráněn podobným způsobem. Přitom, pokud je ochranný vodič součástí kabelu, a jde např. o světelný rozvod, pro jehož napájení stačí kabel 3C (to znamená jeden vodič fázový černé barvy, jeden vodič nulový světle modré barvy a jeden vodič ochranný označený barvou izolace zelená/žlutá) o průřezu 1,5 mm² Cu, má ochranný vodič, který je považovaný za součást doplňujícího ochranného pospojování, samozřejmě také průřez 1,5 mm² Cu. Je však nemyslitelné, aby se při spojení neživé a cizí vodivé části používaly vodiče doplňujícího pospojování, např. o průřezu 0,75 mm² Cu.

Obr. 3 Vodič ochranného pospojování (označuje se PBE) mezi dvěma neživými částmi	Obr. 4 Vodič ochranného pospojování (označuje se PBE) mezi neživou částí a cizí vodivou částí (konstrukcí apod.), která může přivést potenciál

Na obr. 3 je znázorněno spojení neživých částí spotřebičů 1 a 2 vodičem ochranného pospojování. V případě, že S_PE1 ≥ S_PE2, postačuje, je-li S_PBE ≥ S_PE2, tedy je-li průřez vodiče ochranného pospojování větší než menší z průřezů ochranných vodičů přivedených ke spotřebičům, které tento vodič ochranného pospojování spojuje.

Na obr. 4 je znázorněno spojení neživých částí spotřebiče, v daném případě motoru s cizí vodivou částí, která zasahuje do jeho blízkosti (tzn. blíže než 2,5 m). Jak již bylo řečeno, průřez vodiče ochranného pospojování musí být větší nebo rovný alespoň polovině průřezu ochranného vodiče přivedeného k motoru. Je-li tedy motor připojen vodiči průřezu 10 mm², musí být průřez vodiče ochranného pospojování alespoň 6 mm².

Ochranná svorka nebo přípojnice

V elektrické instalaci, ve které je použito ochranné pospojování, musí být ochranná svorka nebo přípojnice (někdy se uvádí také hlavní uzemňovací svorka nebo přípojnice), se kterou musí být spojeny, jak to stanoví i ČSN 33 2000-4-41:
- vodiče ochranného pospojování,
- uzemňovací přívody,
- ochranné vodiče,
- popř. i uzemňovací přívody pracovního uzemnění, pokud je to třeba.

Ochranné pospojování k zařízením pro zpracování dat

Některá ze zařízení pro zpracování dat (výpočetní technika, počítačové sítě a periferní vstupní a výstupní zařízení) mají při svém normálním provozu velký unikající proud. Velikost unikajícího proudu, která nesmí být překročena, je určena třídou ochrany zařízení a také způsobem jeho použití:
- zařízení třídy ochrany II mají maximální unikající proud 0,25 mA,
- zařízení třídy ochrany I mají různé maximální unikající proudy podle toho, zda se jedná o:
  - zařízení držená v ruce - jejich maximální unikající proud je 0,75 mA,
  - zařízení přemístitelná (jiná než držená v ruce), nepřenosná, ať už připojovaná zásuvkovým spojením průmyslovým nebo neprůmyslovým – mají maximální unikající proud 3,5 mA, pokud nesplňují speciální podmínky,
  - při splnění speciálních podmínek (z nichž je podstatné dodržení velkého průřezu vnitřního ochranného vodiče) může unikající proud dosahovat velikosti až 5 % vstupního proudu. (Tzn., že poměrně malé zařízení o výkonu např. 0,5 kW může mít unikající proud o velikosti až téměř 0,1 A.)

Zařízení s velkým unikajícím proudem (až 5 % vstupního proudu) je buď trvale připojeno k napájení, nebo je připojeno vidlicí průmyslového provedení, a musí být v blízkosti přívodu vybaveno nápisem:

Velký zpětný proud

Před zapojením přívodu napájení připojit ochranný vodič

Při instalaci elektrických zařízení pro zpracování dat je nutno splnit dva základní požadavky:
- na ochranu před úrazem elektrickým proudem,
- na ochranu před šumy.

Napájení zařízení s velkými unikajícími proudy se předpokládá obvykle ze sítě TN. Toto zařízení musí být upevněné a napájené buď z pevného přívodu, nebo prostřednictvím zásuvkového spojení průmyslového provedení. U těchto zařízení je důležité kontrolovat spojitost ochranných vodičů nejen při výchozí revizi a změně instalace, ale také v rámci pravidelných revizí ve lhůtách alespoň podle ČSN 33 1500.

Jestliže unikající proud zařízení překračuje 10 mA, musí se použít některé z dalších opatření.

Mezi uvedená další opatření při velkých unikajících proudech patří:
- zesílení ochranných vodičů,
- monitorování stavu, kdy je ochranný vodič přerušen,
- použití transformátoru s oddělenými vinutími.

Pro zesílení ochranných vodičů je možno volit některý z těchto způsobů:
- jsou-li k zařízení použity samostatné ochranné vodiče, pak pokud je použit jeden ochranný vodič, nesmí mít průřez menší než 10 mm², jsou-li použity dva vodiče, musí mít každý z nich průřez alespoň 4 mm²,
- jsou-li ochranné vodiče vedeny v mnohožilovém kabelu, nesmí být celkový součet průřezů všech vodičů včetně ochranných vodičů menší než 10 mm²,
- pokud je ochranný vodič veden v pevné nebo ohebné kovové trubce, s kterou je spojen paralelně, může být jeho průřez snížen až na 2,5 mm²,
- jako ochranné vodiče lze použít pevné a ohebné trubky i kovové úložné elektroinstalační kanály, pokud vyhovují z hlediska možných poruchových proudů, mechanických, chemických a elektrochemických vlivů a umožňují připojení dalších ochranných vodičů.

Účelem monitorování stavu, kdy je ochranný vodič přerušen, je stálá kontrola trvalého ochranného spojení se zemí a zajištění odpojení v případě poruchy. Monitorování musí působit tak, aby v případě přerušení ochranného vodiče došlo k odpojení zařízení. Ochranný vodič musí vyhovovat podmínkám na něj kladeným.

Ještě, i když se to netýká přímo pospojování, zmínka o napájení zařízení na zpracování dat ze sítí TT a IT:

V případech, kdy je zařízení napájeno ze sítě TT, musí se při velkých unikajících proudech ještě navíc provést kontrola velikosti unikajícího proudu s ohledem na použití proudového chrániče v této síti (nepředpokládá se totiž, že by ochrana před dotykem neživých částí v síti TT mohla být zajišťována jiným způsobem). Unikající proud musí být totiž menší, než je polovina vybavovacího proudu proudového chrániče.

Napájet zařízení s velkým unikajícím proudem přímo ze sítě IT se nedoporučuje, protože již při první poruše může být obtížné u rozsáhlejších zařízení splnit požadavky na velikost dotykového napětí. Přímo ze sítě IT se zařízení napájí jenom v případech, kdy je splněna podmínka, že proud (I_d) při první poruše nevyvolá na odporu uzemnění (R_A) napětí vyšší než dovolené dotykové U_L, takže: R_A × I_d < U_L. Tehdy se všechny ochranné vodiče připojí k zemniči silové napájecí sítě, k němuž se přes impedanci několika kΩ připojí též uzel sítě IT. To znamená, že se u zařízení na zpracování dat provede kompletní pospojování. Rovněž je třeba se podle dokumentace k zařízení přesvědčit, že je pro připojení k síti IT vhodné. Jinak se ze sítě IT zařízení napájí přes transformátor s oddělenými vinutími tak, že ze sekundárního vinutí je napájena síť TN, která slouží k napájení zařízení.

Pro ochranu před šumy se provádí uzemnění s nízkým šumem. Jeho potřeba vyplývá z poznatku, že na některých zařízeních pro zpracování dat se mohou vyskytovat nepřípustné hladiny elektrického šumu, které jsou tam přivedeny ochrannými vodiči. V takových případech se musí s hlavní ochrannou svorkou instalace spojit nejen neživé části zařízení třídy ochrany I, ale i kovové kryty zařízení třídy ochrany II a III, i uzemnění obvodů FELV (pokud jsou tyto obvody z funkčních důvodů uzemněny). Vodiče, které slouží k uzemnění pouze z funkčních důvodů, nemusí splňovat požadavky na ochranné vodiče.

Vodiče použité pro uzemňování a pospojování musí být schopny vést dostatečně velké proudy a musí mít nízkou impedanci, aby vyhověly bezpečnostním normám z hlediska ochrany před úrazem elektrickým proudem, požárem nebo poškozením zařízení, ať již při normálních, nebo při poruchových provozních podmínkách zařízení i elektrické rozvodné sítě, nebo v důsledku rázu indukovaného napětí a proudu, např. při bouřce od blesku.

Obr. 5 Příklad vylepšené sítě pospojování pro zařízení informační techniky v budově
CBN – síť společného pospojování, LPS – ochrana před bleskem – připojení k pospojování
¹⁾ Uzemňovací vodiče (SE) pro sdělovací zařízení používané u zařízení se zpětným zemním vodičem.
²⁾ Přepěťová ochrana – v kovovém krytu (rámu) rozváděče informační techniky (pokud je třeba).

Přenos signálů
Aby se dodržel dobrý přenos signálů, je třeba klást důraz na řádné provedení pospojování jak sítě informační techniky, tak elektrické rozvodné sítě. Přenos signálů pomocí zpětného vedení zemí je třeba vyloučit. Je-li však použit, musí být impedance uzemňovací sítě co nejmenší.
Pokud se provádí tzv. komplexní instalace (viz obr. 5), požaduje se, aby byl zaručen spolehlivý přenos signálů pomocí sítě vyrovnání potenciálů (SRPP) určených alespoň pro funkční jednotku nebo systémový blok (což je funkční skupina zařízení závislých při své činnosti a provozu na svém připojení ke stejné referenční potenciálové rovině příslušející k propojené síti pospojování). Aby se vyloučilo nepřiměřené funkční zkreslení nebo nebezpečí poruch součástek, musí SRPP zajišťovat dostatečně nízkou impedanci až k nejvyšším uvažovaným frekvencím v návrhu zařízení použitím kovové desky nebo sítě, jejíž rozměr odpovídá rozměru desky, např. mříž pospojování. Kmitočtový rozsah, který musí pokrýt, musí zahrnovat i spektrum kmitočtů vznikajících při spínání, zkratech a atmosférických výbojích.
Přenos signálů k SRPP nevyvolává nutně jejich vracení přes SRPP.

EMC
Provoz zařízení informační techniky z hlediska EMC (elektromagnetické kompatibility) je usnadněn, jestliže instalace v budově je provedena jako síť TN-S.
Po komplexní instalaci zařízení informační techniky (viz obr. 5) jsou opatření na dosažení uspokojivého chování sítě z hlediska EMC doprovázeny požadavky na provedení SRPP (rovinné sítě vyrovnání potenciálu). Tato síť musí zajistit dostatečně nízkou impedanci pro účinné připojení filtrů, skříní a stínění kabelů. K tomu přistupuje požadavek vyhnout se nežádoucímu vyzařování nebo přijímání elektromagnetické energie, což vyžaduje stejné vlastnosti sítě vyrovnání potenciálu, jaké jsou nutné pro přenos signálů. Požadavky z hlediska EMC zahrnují též ochranu před následky elektrostatických výbojů.

Pospojování zřizované jako součást ochrany před bleskem

Pospojování je důležité i z hlediska ochrany před účinky úderu blesku, ať již do budovy samotné, nebo i v její blízkosti nebo při zavlečení atmosférického přepětí způsobeného bleskem do budovy prostřednictvím nějakého vedení. Aby účinek těchto přepětí, který se projevuje jednak jiskřením uvnitř objektu, a pak také průrazy izolací uvnitř zařízení, byl snížen na minimum, vybavuje se elektrické zařízení dostatečnou izolací a také se v objektu provádí pospojování. Tohoto pospojování se dosáhne vzájemným propojením systému ochrany před bleskem (LPS) s:
- kovovými částmi budovy,
- kovovými částmi různých instalací,
- vnitřními sítěmi,
- vnějšími vodivými částmi a vedeními, která vstupují do stavby.

Při spojení vodičů pospojování s vnitřními sítěmi je třeba myslet na to, že těmito sítěmi může protékat i část proudu blesku. Obdobně, jsou-li do systému pospojování pro ochranu před následky úderu blesku zapojeny vodivé součásti objektu, může do něj téct část bleskového proudu.

Vzájemné spojení s vnitřními sítěmi může být provedeno náhodnými spoji nebo přímo vodiči pospojování. Pokud je třeba zabránit průrazu izolace vedení, spojení je provedeno prostřednictvím přepěťových ochran, přes které dojde k vyrovnání potenciálů i s izolovanými jádry vodičů a kabelů, takže nedojde k zavlečení nebezpečného přepětí do vnitřních částí zařízení. Způsob, kterým se dosáhne vyrovnání potenciálů při úderu blesku, musí být dohodnut s provozovateli příslušných sítí nebo i s dotčenými orgány (např. spojů).

Vodiče pospojování sloužící k vyrovnání potenciálů z hlediska ochrany před bleskem musí být spolu s ostatními vodiči, jak je uvádí již ČSN 33 2000-4-41, připojeny k přípojnici (svorce) pospojování (uzemnění), jak to stanoví ČSN 33 2000-5-54. U velkých objektů může být instalováno i více přípojnic pospojování. Ty se pak vzájemně spojují.

Minimální průřezy vodičů spojujících různé přípojnice pospojování a spojujících tyto přípojnice s uzemňovací soustavou (obvykle základovým zemničem a minimální průřezy vodičů spojujících vnitřní kovové části a sítě s přípojnicí pospojování) jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 Průřezy vodičů pospojování pro ochranu před bleskem

U vnitřních vedení a přívodů, zejména do zařízení citlivých na přepětí, je třeba se vyvarovat smyček, které mohou vedení vytvářet. Proud blesku nebo jeho část, ať už je vedený venkovním svodem nebo vodičem vnitřního pospojování, vytváří silné elektromagnetické pole (obr. 6), a jeho rychlá změna při nárůstu bleskového proudu ve smyčkách přívodních vedení může vytvářet značné napětí (obr. 7).

Jen tak pro zajímavost je možno si spočítat, jaké napětí se může indukovat ve smyčce znázorněné na obr. 7. Uvažujeme-li, že smyčka je v blízkosti jednoho ze dvou svodů, kterým protéká 66 % celkového proudu blesku, jehož maximální nárůst je, jak jsme již uvedli výše, di/dt_max = 65 kA/μs, přičemž smyčka je vysoká 3 m a bližší vedení je od svodu vzdáleno 1,5 m a vzdálenější je 5 m od svodu, tak napětí indukované v této smyčce, které se objeví mezi svorkami počítače je přibližně 47 000 V. Na takové napětí samozřejmě není žádná izolace uvnitř elektrického zařízení nízkého napětí (počítače, televizoru apod.) dimenzovaná, a pokud není použitá přepěťová ochrana, dojde přinejmenším ke zničení zařízení.

Parametry pospojování

Z hlediska ochrany před úrazem elektrickým proudem při poruše elektrického zařízení (průrazu na neživou část) prováděné automatickým odpojením, máme poměrně jednoduše a pochopitelným způsobem propracovanou teorii. Víme přibližně, jaké napětí je při poruše na neživých částech a víme, za jak dlouho je nutné toto napětí odpojit, aby člověku neublížilo. Umíme vypočítat, jak velký proud způsobí, že předřazené jištění do dané doby zapůsobí, a umíme tento proud porovnat se skutečným proudem, který v případě poruchy elektrického zařízení vznikne. Ten zjistíme na základě výpočtu a u hotové instalace jej můžeme, alespoň přibližně, ověřit měřením. Umíme však něco podobného z hlediska pospojování? Setkal se někdo z vás s výpočtem pospojování, který by byl obdobný výpočtu impedance smyčky. Samozřejmě – snadno je možno vypočítat i ověřit měřením účinek tzv. doplňujícího pospojování, provedeného obvykle vodiči malých průřezů i délek, jak to bylo znázorněno na obr. 2. V takovém případě jde docela jednoduše o projev elektrických odporů, i když bychom měli správně uvažovat s impedancemi. Ale víme, že pro malé průřezy jsou induktivní reaktance zanedbatelné, takže s nimi v takovém případě nepočítáme, a obvykle s nimi nemusíme počítat ani v případě impedancí smyček tvořených vodiči průřezu do 95 mm².

Jak je to však u vodičů pospojování větších délek? A jak je tomu při vyšších frekvencích? Tyto vlivy se nutně projeví na svodech hromosvodů, na nichž se indukuje velké napětí, při vyšších frekvencích, při nichž je třeba odvádět proudy vyšších harmonických vznikající v pulzních zdrojích při napájení elektronických zařízení.

Např. indukčnost L svodu délky l je možno klasicky uvažovat rovnu, kde r je poloměr vodiče svodu. Dosadíme-li do uvedeného vzorečku za μ_o = 4π  × 10^-7 H/m a převedeme-li přirozený logaritmus na dekadický a uvažujeme-li indukčnost na 1 m délky, dostaneme:

H/m. Tato indukčnost se na první pohled zdá poměrně malá, aby měla nějaký vliv na celkovou impedanci spoje. To je pravda, pokud se naše úvaha týká obvyklé průmyslové frekvence 50 Hz. Uvažujeme-li např. vodič hlavního domovního pospojování o průřezu S = 6 mm² Cu a délce l = 20 m, je jeho činný elektrický odpor rovný kde ρ  = 0,018 Ω × mm²/m je rezistivita (dříve se uvádělo měrný elektrický odpor) mědi. Jeho induktivní reaktance (dříve se uvádělo též jalový odpor) při síťovém kmitočtu je X = jω L= j× 2π × f ×  × l × 10^-6  = j× 2π × f × × 20 × 10^-6 = j × 314 × (2,052314 – 0,15) × 20 × 10^-6 = 0,012 Ω. Celková impedance tohoto vodiče je pak Z =0,061 Ω. Vidíme, že vliv induktivní složky na celkovou impedanci je poměrně malý, ale ani při síťovém kmitočtu není zcela zanedbatelný. Ovšem při kmitočtu 1 MHz, je 2π × f  = 6 283 185, takže:

X = 6 283 185 × (2,052314 – 0,15) × 20 × 10^-6 = 239,05  Ω. Tato induktivní reaktance je rovná i celkové impedanci Z = 239,05  Ω. Indukčnost uvedeného vodiče přitom je

L = × 20 = 38,05 μH, kde poloměr vodiče r = 0,001382 m. Podobnou indukčnost L = 33,81 μH má i svod hromosvodu provedený drátem kruhového průřezu 50 mm². Vezmeme-li indukčnost a nijak výjimečný průběh proudu blesku di/dt_max = 65 kA/μs (tuto strmost nárůstů vykazuje asi 5 % blesků) zjistíme, že napětí na uvedené indukčnosti dosáhne hodnoty:

U_max = L × di/dt_max = 33,81 × 10^-6 × 65 × 10⁹ = 2 197 kV.

Takže napětí na takovém svodu je při úderu blesku spadajícího mezi 5 % nejsilnějších až 2,2 miliónů voltů. Počítáme-li elektrickou pevnost vzduchu 10 kV/cm, musela by být vzdušná vzdálenost daného svodu od jiných uzemněných částí 2 200/10 = 220 cm. Původní ČSN 34 1390 předepisuje tuto vzdálenost rovnou jedné desetině délky svodu, tj. 20 : 10 = 2 m. To je poměrně dobrá shoda teorie s praxí.

Obdobným efektem se uvedená indukčnost projeví v případě, kdy vodič pospojování slouží k odvádění vf rušení z tzv. spínaných zdrojů. V takovém případě se sice jedná o silové zařízení, to ale je zdrojem vf proudů, tzv. vyšších harmonických kmitočtů, to znamená kmitočtů, které jsou celými násobky síťového kmitočtu. Značné jsou ještě proudy dvacáté až čtyřicáté harmonické, to znamená střídavé proudy o kmitočtu 1 až 2 kHz. Pro ta uvedená vedení představuje značnou impedanci. Pro kmitočet 50 Hz je to sice jenom 0,012 Ω, ale pro 2 kHz, tj. pro čtyřicátou harmonickou, je to již téměř 0,5 Ω (přesněji 0,477 Ω), tedy téměř desetinásobek rezistance (tedy činného odporu). Celková impedance měděného vodiče 6 mm² je pak Z =0,482 Ω. Tato impedance má takřka výhradně induktivní charakter.

Kromě toho si pro informaci udělejme obrázek, jaký vliv na impedanci jednoho vodiče má jeho průřez. V následující tabulce jsou uvedeny rezistance (činné odpory), indukčnosti 20 m dlouhých vodičů z mědi, hliníku a oceli kruhového průřezu 1, 10 a 100 mm² a následně i jejich induktivní reaktance a impedance pro kmitočty proudů 50 Hz, 2 kHz a 1 MHz.

Z uvedené tabulky vidíme, že při síťovém kmitočtu se začíná induktivní reaktance projevovat až při větších průřezech vodičů. Při vyšších kmitočtech 2 kHz odpovídajících padesáté harmonické se induktivní reaktance projevuje výrazně již u průřezu 10 mm² a u vysokých kmitočtů se projevuje prakticky pouze induktivní reaktance bez ohledu na materiál. Z hodnot uvedených v tabulce je také patrné, že rovněž úbytek napětí na svodu při náhlém nárůstu proudu, jako je tomu při úderu blesku, nezávisí na materiálu svodu, ale pouze na jeho průměru. Záleží tedy prakticky pouze na průřezech vodičů a také na jejich počtu. Z tabulky je také patrné, že s rostoucím kmitočtem vzrůstá již impedance jakéhokoliv vedení natolik, že s přenosem rušivých vlivů po vedení se již od 30 MHz výše neuvažuje.

Pospojování není obvykle tvořeno jednotlivými vodiči, ale několika paralelními vedeními. Proto jako další otázku si položíme, jak se projevují paralelní vodiče pospojování nebo svodů. U dvou stejných rovnoběžných paralelních vedení se můžeme přesvědčit, že jejich celková indukčnost , kde L je indukčnost jednoho samostatně vedeného vedení a M₁₂ je vzájemná indukčnost těchto paralelních vedení. Vzájemná indukčnost se přitom počítá podle obdobného vzorce jako indukčnost vlastní jednotlivého vodiče:

H/m, takže při délce vedení použitých jako svody 20 m a jejich vzájemné vzdálenosti 15 m můžeme při průřezu těchto svodů 100 mm² počítat s indukčností jednoho svodu L = 32,426 μH a s jejich vzájemnou indukčností:

takže celková indukčnost paralelních vedení je pak:

μH.

Můžeme tedy uvažovat s tím, že celková indukčnost dvou paralelních vedení je rovna poměrně dosti přesně polovině indukčnosti jednoho vedení. Tento závěr můžeme při uvedených velkých vzájemných vzdálenostech zobecnit i na více vedení a pro n paralelních vedení, každé o indukčnosti L vyplývá ten závěr, že jejich celková indukčnost je L_c = L/n. Odtud vyplývá i závěr, že při rozdělení bleskového proudu mezi n paralelních svodů protéká každým svodem pouze proud rovný 1/n bleskového proudu, a tím i napětí na každém z těchto svodů je n-krát menší, než kdyby tímto svodem procházel celý proud blesku. V důsledku toho je možné také n-krát snížit požadované vzdálenosti svodu hromosvodu od uzemněných částí uvnitř objektu. Obdobný závěr je uveden i v ČSN EN 62305-3 pro ochranu před bleskem. Tam je ovšem ještě zohledněno, že větší hodnota proudu blesku bude protékat tím svodem, který je v blízkosti toho svodu, do kterého blesk udeřil.

Stínicí účinek pospojování

To ovšem není jediný pozitivní účinek paralelního vedení svodů hromosvodu. Tyto paralelně vedené svody mají též nezanedbatelný stínicí účinek oproti vnějším elektromagnetickým vlnám indukovaným blízkým úderem blesku nebo i jinými zdroji. Tento účinek se ještě zvýší, jestliže se svody vzájemně propojí obvodovými vodiči. Tím dojde k rovnoměrnějšímu rozdělení proudů blesku a také to přispěje k vyrovnání elektromagnetických polí uvnitř stavby. Rovnoměrné rozmístění vnějších svodů kolem stavby snižuje nebezpečí bočních úderů do objektu. Obdobný účinek má i vzájemné propojení a připojení na společné uzemnění pokud možno všech kovových částí (kovových výztuží, kovových obložení fasády, kovových nosných konstrukcí) na vnějších stěnách objektu. I tímto způsobem se může dosáhnout vysokého stupně elektromagnetického stínění.

Obdobné účinky má i pospojování provedené uvnitř objektu. U vyšších kmitočtů proudu již nezáleží na materiálu, ale na průřezu, nebo lépe řečeno na průměru či šířce svodů a na jejich počtu. To jsou vlastnosti, které podmiňují kvalitu vyrovnání potenciálů vyšších kmitočtů v objektu i úroveň elektromagnetického stínění v objektu.

Na obr. 8 je takové stínění znázorněno, na obr. 9 je grafické vyjádření závislosti účinnosti armování na velikosti ok v armování, průměru armovacího železa a především na frekvenci záření rušivého elektromagnetického pole, kterému armování brání proniknout do chráněného prostoru. Rychlost nárůstu proudu při bleskovém výboji lze vyjádřit také jako nárůst proudu při jeho sinusovém průběhu. Dílčí i následný výboj bleskového proudu, tedy lze vyjádřit pomocí frekvence proudu sinusového průběhu. Proto lze z obrázku 9 vyčíst i tlumení elektromagnetického pole způsobeného prvním i následným atmosférickým výbojem. Pro převedení útlumu v decibelech na poměrné jednotky si stačí uvědomit, že 1 dB znamená zvýšení nebo snížení v poměru 1 : 1,259, takže útlum 20 dB znamená útlum na 1 : 1,259²⁰ = 1 : 100, tedy na jednu setinu původní hodnoty, útlum 30 dB znamená útlum na tisícinu původní hodnoty atd.

Závěr

Účelem této informace je napomoci elektrotechnikům k vytvoření názoru na různé elektrické a elektromagnetické jevy, před jejichž účinky může být pospojování účinně využito.

Literatura:

[1] Osolsobě J.; Zapletal M.: Zemnění a bezpečnost; Nakladatelství ČSAV, Praha 1964
[2] Blitzplaner; Dehn + Söhne, Neumarkt, SRN 2005
[3] Reiss L., Malý K., Pavlíček Zd.: Teoretická elektroenergetika 1, Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, Bratislava 1967
[4] Hasse P.: Ochrana zařízení nízkého napětí před přepětím, Vydavatelství EMITOR, 1996
[5] ČSN 34 1010:1965 Všeobecné předpisy pro ochranu před úrazem elektrickým proudem, Vydavatelství ÚNM, Praha 1965
[6] ČSN EN 61140 ed. 2:2003 Ochrana před úrazem elektrickým proudem – Společná hlediska pro instalaci a zařízení, ČNI, Praha 2003
[7] ČSN 33 2000-4-41 ed. 2:2007 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 4-41: Ochranná opatření pro zajištění bezpečnosti – Ochrana před úrazem elektrickým proudem, ČNI, Praha 2007
[8] ČSN 33 2000-5-54 ed. 2:2007 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 5-54: Výběr a stavba elektrických zařízení – Uzemnění, ochranné vodiče a vodiče ochranného pospojování, ČNI, Praha 2007
[9] ČSN 33 2000-7-701 ed. 2:2007 Elektrické instalace nízkého napětí – Část 7-701:2007 Zařízení jednoúčelová a ve zvláštních objektech – Prostory s vanou nebo sprchou, ČNI, Praha 2007
[10] ČSN EN 62305-1:2006 Ochrana před bleskem – Část 1: Obecné principy
[11] ČSN EN 62305-3:2006 Ochrana před bleskem – Část 3: Hmotné škody na stavbách a nebezpečí života, ČNI, Praha 2006