Villamos szakmai rendszerszemlélet II. - A földelőrendszer

A villamos szakmai rendszerszemléletről szóló cikksorozat bevezető részében felsorolt rendszerelemek közül elsőként a földelőrendszert tárgyaljuk.
A Kisfeszültségű Villamos Berendezések európai szabványsorozat témakörre vonatkozó, hatályos szabványa az MSZ HD 60364-5-54:2007 szabvány, amelynek címe: A villamos szerkezetek kiválasztása és szerelése. Földelőberendezések, védővezetők és védő egyenpotenciálra hozó vezetők. A korábbi szabvány, az MSZ 2364-540:1995 még 2009. június 1-jéig érvényes, így a következőkben mindkét szabvány hivatkozásait megadom.
Az épület földelőberendezése föld alá, a földdel vezetőképes kapcsolat céljából létesített földelő(k)ből áll. Az épület földelőberendezése a vele fémes (vezetőképes) kapcsolatban levő szerkezetekkel, illetve a különféle EPH-célú kapcsolatokon keresztül a vezetőképes anyagú közművekkel, és ezeken keresztül esetleg más (pl. szomszédos) épületek földelőrendszereivel együtt földelőrendszert alkot. Földelőrendszer alatt az épület földelőberendezését és a vele – földelési célból – funkcionális kapcsolatban álló szerkezetek összességét értjük, mindez ugyanis funkcionálisan rendszerszinten értelmezhető. Az EPH-célból létesített fémes kapcsolatok az épület földelőrendszerét más földelőrendszerekkel is számottevő vezetőképes kapcsolatba hozhatják, sőt, ilyen módon több épület, vagy akár egy épülettömb is azonos földelőrendszerrel rendelkezhet.

Általános szempontok
A földelőberendezések élet- és vagyonvédelmi célt szolgálnak. Ennek érdekében alapvető, hogy az egyidejűleg érinthető testeket ugyanazzal a földelőrendszerrel kell összekötni, azaz védővezetőkön, illetve megfelelő EPH-vezetőkön keresztül bekötni . Ennek az előírásnak a célja a potenciálkülönbségek védett téren belüli felléptének megakadályozása. Egyidejűleg érinthető testek alatt az erősáramú villamos készülék testeket, valamint az épület önálló potenciált képviselő részeit, az úgynevezett házi fémhálózatokat kell érteni, továbbá minden olyan egyéb szerkezetet, amelyek fő egyenpotenciálú összekötéseit – EPH rendszerbe való bekötését – a szabvány előírja (részletesen lásd a cikksorozat EPH-ra vonatkozó részében).
A védelmi célnak való megfelelésnek csak olyan kivitel felel meg, ami a várható hatásoknak és igénybevételeknek hosszú távon – lehetőleg az épület élettartamában – garantáltan ellenáll. Felelősséggel gondolkodó szakember ezt hamar belátja (a többieknek pedig ebben segíteni kell).
Egy épületnek, épületcsoportnak csak egy földelőrendszere lehet! Minden, bármely célból létesült földelőt az épület földelőrendszerébe földelővezetőn keresztül be kell kötni. Ennek hiányában, vagy bizonytalanság esetén a védett terekben ez okból káros és veszélyes potenciálkülönbségek jelenhetnek meg, akár az épületen – mint védett téren – belül is! Kétes esetben a földelőrendszer azonosságáról meg kell győződni, és/vagy a szükséges összekötéseket meg kell valósítani (akár föld feletti összekötésekkel). Ha az épület felújítása, vagy más ok miatt több földelő telepítése szükséges, úgy azokat mindenképpen földelővezető(kö)n keresztül kell összekötni. Ki kell emelni, hogy PE-vezetők erre a célra általában nem alkalmazhatók! A tiltás okai közt említendő, hogy a földelőrendszer elemei között rész-villámáramok is folyhatnak, a védővezetők pedig felfelé tartó szakaszokat is tartalmazhatnak, ami kedvezőtlenül nagy impedanciát iktatva be a rész-villámáramok áramútjába, meg nem engedhető potenciálkülönbségek felléptéhez vezetne.

Kivitel
Az épület földelőberendezése erősáramú villamos hiba esetén földzárlati áramot, az épületet vagy környezetét érő villámcsapás esetén pedig villámáramot vezet a föld felé, ezért e hatásoknak garantáltan ellen kell álljon és nem szabad, hogy az áram folyásának időtartama alatt rajta meg nem engedhetően nagy feszültségemelkedés lépjen fel. Ennek megfelelően tartós kivitelre van szükség, a földelőrendszernek évszaktól és időjárástól függetlenül a szükséges, vagy annál kisebb hatásos értékkel kell mindenkor rendelkezésre állnia, még sok év múltán is.
Hazai viszonyok mellett általában 70 cm vehető a talaj fagyhatárának, ezért a földelőknek csak a 70 cm-nél mélyebben levő részeit ajánlott figyelembe venni.
TN- és TT-rendszerben a földelőberendezés kialakítása gyakorlatilag megegyező feltételek mellett történik. Ha a védővezetős érintésvédelem RCD (áram-védőkapcsoló) alkalmazásával egészül ki, akkor – mint általában és egyébként is – nem a szétterjedési ellenállás érték, hanem a kivitel megfelelősége a meghatározó. Ennek általában megfelel a földelő kivitelének meghatározására alkalmazott „számottevő” kivitel. Számottevőnek minősül az a földelő (vagy több földelő), amelynek fagyhatár alatti vízszintes vagy függőleges kiterjedése (mérete) legalább 4 méter. Amennyiben az épület betonalap-földeléssel (betonalap-földelővel) rendelkezik, akkor a földelési ellenállás értéket nem kell igazolni. Ezt az támasztja alá, hogy lényegesebb szempontnak minősül az, hogy az épület alatt elhelyezkedő földelő az épület alatti teljes talajfelület potenciálját együtt tartja (nem engedi meg, hogy ott potenciál-különbségek alakuljanak ki), mint az, hogy valójában milyen szétterjedési ellenállás értékű.
Korábban létesített berendezéseknél továbbra is érvényes, hogy TN-rendszerű villamos berendezéshez (felhasználói hálózathoz) tartozó, érintésvédelmi célt (is) szolgáló földelőrendszer, illetve erre a célra alkalmazott természetes, vagy mesterséges földelő méréssel igazolt földelési ellenállása legfeljebb 10 ohm lehet.
Szabvány szerint a következő típusú földelőket szabad alkalmazni:
− rúd vagy csőföldelők,
− szalag vagy huzalföldelők,
− lemezföldelők,
− földbe ágyazott vasbeton fémszerkezete (betonvasalás),
− fém vízvezeték-rendszerek (a közmű üzemeltetőjének hozzájárulásával, illetve arra vonatkozó nyilatkozatával, hogy amennyiben a csőhálózatot műanyagra építik át, erről értesítést küld).

A védelmi célnak minden szempontból megfelelő, teljes értékű és egyúttal legkisebb költségigényű műszaki megoldás tehát a betonalapozással létesített földelőberendezés. Új épület esetén a szabvány nyomatékosan ajánlja alapozásföldelő létesítését. Különösen az épületet, illetve az épület villámvédelmi felfogó rendszerét érő villámcsapás esetén válik igen lényegessé, hogy a villám levezetési árama mekkora potenciálemelkedést okoz az épület földelőrendszerén, illetve, hogy az épület alatti talajfelület milyen mértékben marad azonos, vagy eltérő potenciálon. Szintén lényeges, hogy az épület alatt elhelyezkedő, rövidre zárt hurkot képező alapozásföldelő az épületet érő villámcsapás esetén jelentősen csillapíthatja az épület belső terében fellépő másodlagos hatásokat, mivel a rövidre zárt, nagy vezetőképességű menet a Lenz-törvény értelmében, ellengerjesztést jelent az induktív hatásokkal szemben. 
Természetesen ehhez a betonalapban a betonvasalást villamosan folytonossá kell tenni. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy a szükséges helyeken ki legyenek alakítva a földelővezető „felállások” az alapozás elkészítése során. A szabvány előírásai új épületeknél mindenkor feltételezik a betonalap-földelések meglétét, és az épületek földelőrendszereinek tárgyalásánál erre támaszkodnak. Hazai viszonyok mellett, sajnálatos módon, ez különböző okok miatt korántsem ilyen egyértelmű. A villamos biztonság szakmai szempontjai miatt azonban feltétlenül szükséges, hogy a villamos szakemberek időben felhívják a kérdésben érintett többi szakember figyelmét a betonalap-földelések egyértelmű műszaki előnyeire fontosságára, és gazdaságosságára.
Kivitelezhető betonalap-földelő is, ez a beton vasalásától független, kimondottan földelés céljából a betonalap alsó részébe helyezett, megfelelő kivitelű földelő. Ennek alkalmazásával elmaradhat a betonvasalás egyéb problémákat okozó, hegesztéssel történő villamos folytonosításának igénye (problémát okozhat, hogy nem minden betonacél hegesztése megengedett). Ha a betonalapozás alatti földelő nem kerül betonba, akkor természetesen megfelelő anyag (méret) ráhagyással kell biztosítani a megfelelően hosszú élettartamot. 
A fagyhatár alá nyúló, talajjal nagy felületen érintkező betonalap az épület súlyával terhelt, így állandó nyomással érintkezik a talajjal. Az állandóan jelen levő nedvesség jó vezetőképességet, a beton bázikus hatása pedig a vasalásra nézve garantált korrózió elleni védelmet ad. A betonalap-földelés (és a betonalap-földelő) az előbbiek miatt igen előnyös és hatékony megoldás. Nagy előnye más megoldásokkal szemben, hogy nagyban képes befolyásolni a teljes épület alatti talaj potenciálját, ezzel is megakadályozva, hogy az épület belsejében (például az épületet érő villámcsapás esetén) potenciálkülönbségek lépjenek fel.
Viszonylag jó eredménnyel valósítható meg régebbi épületek felújítása alkalmával egy betonalap-földelővel összevethető műszaki eredményt adó megoldás, az épület körföldelő kivitelezése. Épületalapozás szigetelésének felújítása alkalmával, amikor az épület körül az alapozás mellett ki van termelve a talaj, vagy akár az épület körüli járda elkészítését megelőzően az alap mellett, ahhoz lehetőség szerint közel, de legalább 0,7 méter mélységben, korróziós szempontból megfelelő méretű és keresztmetszetű köracél vagy laposacél fektetendő a talajba az épületet körülvéve. Korróziós élettartam szempontjából köracélnál minimum 16 mm átmérő, laposacélnál 40x6 mm minimális méret javasolt (vö. az 1. táblázat adataival). Ha a földelési ellenállás értékét esetleg javítani kell, akkor az épület sarkainál még rúdföldelők is telepíthetők, a körföldelőre történő földalatti rákötéssel. 
Ugyanígy szükséges lehet, hogy a villámvédelmi földelők távolabb legyenek az épületalaptól, hogy a villám áramának föld alatti szétoszlása az épületalap szigetelésének épségét ne veszélyeztesse: ekkor is önállóan telepített földelőkre kell csatlakoztatni a levezetőket, de a villámvédelmi célú földelőket a talajszint alatt vezetőképes kapcsolatba kell hozni a földelőberendezéssel. 
A földalatti kötéseket, valamint a korróziós szempontból is méretezett földelővezetők „felállásait” hegesztéssel célszerű kivitelezni, majd a hegesztési helyeket bitumenmasszával le kell kenni (egyébként a hegesztési varratok igen gyors korróziója várható!). 
A körföldelő telepítési módszere új épületeknél is alkalmazható, ha a betonalap-földelés kialakítása sajnálatos módon elmaradt, vagy ha a betonalapozás víz elleni szigetelése nem teszi lehetővé az alapozásföldelő alkalmazását. Az épület-körföldelő jó eredményt ad, általában villámvédelmi földelő céljára is megfelelő, továbbá a szabvány előírásainak megfelelően minden kívülről érkező fémes közmű (víz, gáz, központi fűtés, melegvíz stb.) esetében korrekt lehetőséget ad a belépési ponthoz legközelebbi EPH-csatlakozásra.
Amennyiben az épület betonalapozása víz ellen szigetelt, úgy nem szabad megfeledkezni arról, hogy megfelelően tömített és víz ellen, valamint villamos szempontból szigetelt átvezetések legyenek kialakítva a szükséges helyeken az alapozáson keresztül. Erre a célra szerelvények is kaphatók, de víz ellen mindkét végén megfelelően szigetelt műanyag csőszakaszok betonba építése lehetőséget ad az átvezetések egyszerű és viszonylag olcsó megvalósítására. Ilyenkor igazán sokat ér az előrelátás!

Fő földelősín (MEB)
A szabványelőírásnak megfelelően minden villamos berendezésben ki kell alakítani egy fő földelőkapcsot vagy -sínt , amelyhez a következő vezetőket kell a várható környezeti és villamos igénybevételeknek megfelelő módon csatlakoztatni:
- földelővezetőket,
- védővezetőket (PE-vezetőket),
- EPH-gerincvezetőket,
- üzemi földelővezetőket, ha szükséges.

Érintésvédelmi szempontból az épület földelőrendszerét a fő földelőkapocs, vagy -sín képviseli. Mivel előírás, hogy minden vezető önálló villamos kötéspontról legyen indítva, ennek a követelménynek legkisebb helyigénnyel és legkisebb költséggel a sín-szerű kialakítás tesz eleget. Így a továbbiakban fő földelősínről beszélünk (MEB). 
A MEB kialakításának szükséges helye ott van, ahol az épület erősáramú villamos betáplálása az épületet eléri. A vonatkozó szabványelőírások is ezt írják elő. Ennek megfelelően több kialakítás adódik.
Ha a csatlakozó főelosztó az épületen van, akkor a földelőrendszer gyakorlatilag alatta helyezkedik el és a MEB földelőrendszerrel való villamos kapcsolata egy rövid, függőleges földelővezetővel megvalósítható. Ennek a kötéspontnak bonthatónak kell lennie, tehát a megszakítatlan sínből készült MEB csatlakozó főelosztón kívüli végének e célból egy villamos kötődobozba kell kinyúlnia, ahol a földelővezető rácsatlakoztatása egy szerszámmal bontható, megfelelő üzembiztonságú áramkötő elemen keresztül történik meg.
Ha a csatlakozó főelosztó nem az épület falában (hanem pl. a kerítésben) van elhelyezve és így az épület földelőrendszere nincs alatta, akkor az MEB lehetséges helye az épületben a méretlen betápláló fővezeték végpontjánál van.
Ha a fogyasztásmérő-hely van az épülettől „elválasztva”, tehát pl. kerítésben elhelyezve, akkor a mért fővezeték végpontjánál alakítható ki a MEB.
Mindezt szükség esetén előrelátó módon összhangba kell hozni a túlfeszültség elleni védelem szempontjaival, amikor is az épület túlfeszültség elleni védelmének első fokozata (az 1. osztályú vagy durvavédelem) a villámcsapás csillapítatlan hatásainak kitett LPZ 0 zóna és az LPZ 1 védett zóna határán kell legyen. Ebből a megfontolásból kiindulva a csatlakozó főelosztó, illetve a fogyasztásmérő-hely kialakítási helyének megválasztása igen lényeges szempont.
Az áramszolgáltatói hálózatok többsége TN-rendszer, így a vonatkozó előírások alapján a rájuk csatlakozó felhasználói (fogyasztói) vezetékhálózatoknak is TN-rendszereknek kell lenniük. Ez esetben a fő földelősín a PEN-sín. A túlfeszültség elleni védelem és az érintésvédelem ide vonatkozó részei az érintett témaköröknél lesznek részleteiben megtárgyalva.
A csatlakozó főelosztó épületfali elhelyezésének esetén a fő földelősín olyan kialakítása célszerű, hogy egy része a csatlakozó főelosztóba nyúlik PEN sínként, további része pedig azon kívül helyezkedik el, PE-sín funkcióban (ide csatlakozik a földelővezető a szabvány által előírt földelésbontó funkcióját ellátó villamos kötésen keresztül, illetve innen indítható a szükséges számú EPH-gerincvezető). 
A fő földelősínt épületenként, illetve – ha szükséges – épületszekciónként (pl. lépcsőházanként) kell kialakítani. Mivel a fő földelősín kialakítása az épület villamos berendezéséhez (a felhasználói, fogyasztói hálózathoz) kötődik, azt központi helyen, a villamos betáplálás épületre érkezési pontján kell megvalósítani. Ha az épület szekcionált, akkor az egyes épületszekciók erősáramú betáplálási pontjain (pl. a lépcsőházi főelosztók betáplálásaihoz rendelten) kell kialakítani – ugyanarra a földelőrendszerre csatlakozóan – az egyes fő földelősíneket. Ilyen esetben e megoldás kellemetlen mellékkörülménye, hogy a PEN-vezetők üzemáramainak egy része az alapozásföldelőn keresztül fog folyni (ha ez EMC szempontjából zavaró lenne, akkor az igényesebb megoldást EMC-szakértő bevonásával kell megkeresni).
Igen lényeges, hogy a fő földelősín az adott épület földelőrendszerének lehető legstabilabb villamos csatlakoztatási pontja legyen. A fő földelősín földelőrendszerre csatlakoztatása ezért a lehetséges legrövidebb nyomvonalú legyen. Arra kell törekedni, hogy a földelővezető csak függőlegesen lefelé haladó szakaszból álljon (felfelé haladó szakaszt nem tartalmazhat!). A hosszú, esetleg vízszintes szakaszt is tartalmazó földelővezetőn villámáram levezetésekor túlzottan nagy feszültségesés lép fel, ami önmagában is sok probléma forrása lehet (1. ábra). Az előírások célja, hogy a fő földelősín potenciálja minél kisebb mértékben térhessen el a földelőrendszer potenciáljától.

Megjegyzés: A fő földelősín meghatározott funkciói sok átfedést mutatnak az MSZ 172/1:1986 szabvány 3.2.4.1. szakasza alatt előírt központi EPH csomóponttal, de a két elem hangsúlyozottan nem ugyanaz. 
Alapvető eltérés, hogy míg a MEB a villamos rendszer, a fogyasztói hálózat fő érintésvédelmi vezetője (sínje), addig a központi EPH-csomópont nem az. A hatályos szabványelőírás alapján a fő földelősínről kell indítani a felhasználói hálózat PE-vezetőit, illetve további elosztás esetén a PE-fővezetőt, míg korábban a központi EPH-csomópontot egy előírt kivitelű vezetőn keresztül kellett összekötni a villamos berendezés PE-, vagy PEN kapcsával, úgy TT-, mint TN-rendszerben. TN-rendszerben a MEB értelemszerűen PEN sínként funkcionál, és itt kell megtörténnie a N- és a PE-vezetők szétválasztásának.

Földelővezetők
A földelővezető(k) talajban elhelyezett, és falon kívül, levegőben szerelt szakaszainak keresztmetszete a szabvány előírásai szerint feleljen meg a 2. táblázatban foglaltaknak :

2. táblázat: A földbe fektetett földelővezetők legkisebb keresztmetszete

Megjegyzés: Tekintettel kell arra lenni, hogy a táblázatban közölt keresztmetszetek nem veszik figyelembe, hogy az adott vezetőn folyhat-e villámáram vagy annak része. A vezetőket ennek természetesen meg kell feleltetni, és ez ugyanúgy kötelező, sőt, elsőbbséggel rendelkező szempont. Ahol a villámáram jelentős része folyhat, ott 16 mm² réz, vagy ennek megfelelő vezetőképességű, de 50 mm²-nél nem kisebb keresztmetszetű acélvezető alkalmazása szükséges. Az élettartam növelése érdekében természetesen nem tiltott, sőt, általában ajánlható a feltüntetettnél nagyobb keresztmetszetű acélvezető(k) alkalmazása.
Minden földelővezető ténylegesen alkalmazandó legkisebb keresztmetszetének kiválasztásánál megfelelő körültekintéssel kell eljárni. Figyelembe kell venni, hogy a földelővezetők élettartama az épület földelőrendszerének élettartamával legyen legalább azonos, illetve, hogy a szükséges (adott esetben villámáram levezetéséhez is megfelelő) keresztmetszet mindenkor rendelkezésre álljon. A korrózió miatt csökkent keresztmetszet méréssel is csak nehezen mutatható ki, a földelővezető villámáram miatti elégése és az emiatt fellépő, meg nem engedhető potenciál-különbségek azonban igen veszélyesek lehetnek.

Forrás: Ádám Zoltán, www.villanyszaklap.hu