Det svenska elsystemet – jordtag, jordning och jordfel

Vi såg tidigare att det finns ett jordtag vid transformatorkoisken (och dessutom regelbundet utefter ledningar på landsbygden). Det har även sagts att detta jordtag gör att man kan ”få ström i sig”.

Här kommer vi att gå in på syftet med detta jordtag och förklara dess till synes negativa roll trots att jordning rent allmänt låter som något bra. Och givetvis är det så att jordningens fördelar överväger. Detta kommer vi att gå igenom här.

Till att börja med ska vi repetera att skyddsjordning är något annat som inte ska förväxlas eller ens blandas ihop med jordningen av skyddsjordsledaren. Skyddsjordningen av elapparater kräver ingen jordning. Däremot ställs det hårdare krav på utförandet av skyddsjordningen på grund av jordningen, så åt det hållet finns det en koppling (som gäller beröringsspänningen på utsatta delar och tiden för att säkringen ska lösa ut).

Det är allmänt känt att man kan få ström genom sig om man tar i en strömförande ledare. Men varför sker det? Paradoxalt nog beror det på jordningen (jordtaget), som är till för att skydda.

För att det ska bli en ström genom kroppen så krävs ju en sluten krets. Så med att få ström i sig när man tar på något menar man underförstått att jorden, den jord vi står på, är en del av denna krets. Man kan inte få ström i sig genom luften, utan strömmen går genom kroppen, ned i marken och tillbaka till distributionstransformatorn. Denna jordkontakt kan dock ske via till exempel ett vattenledningsrör så man behöver inte stå barfota i gräset. Man får vanligen ingen ström genom tofflorna på badrumsgolvet.

Detta skulle inte hända om systemet inte var jordat. Se den vänstra delen av bilden nedan (A). Transformatorn är inte jordad, så den lämnar två poler som inte har någon potential mot jord. Det är helt ofarligt att ta i den ena eller den andra ledaren (men inte båda samtidigt). Det spelar ingen roll hur stor jordkontakt man har, det blir ingen sluten krets.

Se därefter den högra delen av bilden (B). I detta fall kommer personen att få ström genom sig, fast bara när han tar i den övre ledaren som bilden visar. Då transformatorn är jordat kommer det att gå en ström genom kroppen, via jord tillbaka till transformatorn. Den undre ledaren är däremot ofarlig att ta i, för den har samma potential som jord.

Faktum är att bild A visar en utmärkt metod för att undvika elchock – en isolertransformator som skapar en jordfri miljö. Sådana var vanliga förr i badrum till uttaget för rakapparaten. Denna skyddsmetod finns än idag och kallas skyddsseparation, men den är ovanlig  av skäl som förklaras nedan.

Varför jordas just nollan?

Om vi återvänder till transformatorn som omvandlar tre faser med spänningen 10 kV till tre faser och en nolla 230/400 V så sades där att strömkällans neutralpunkt var jordad via ett jordtag. Varför nollan? Man skulle i praktiken kunna jorda vilken ledare som helst. Alla ledare kan betraktas som faser om det inte finns någon jordreferens. I bilden ovan har det ingen som helst betydelse vilken ledare som jordas. Jo, det har betydelse för vilken ledare som blir farlig att ta i, men ingen annan betydelse.

Att man väljer nollan för jordningen av en Y-kopplad trefastransformator är dock naturligt då nollan inte för någon ström om faserna är jämnt belastade. Den är därför helt enkelt lämplig att välja som jordreferens.

Vad är då jordningen bra för då den i sig inte höjer säkerheten, utan tvärtom?

Det finns två svar på frågan.

• Jordningen krävs för att ge skydd mot genomslag i transformatorn från högspänningssidan, se  Skydd mot genomslag av högspänning.

• Jordningen behövs också för att upptäcka jordfel, vilket behandlas i nästa kapitel.

Läs mer om jordning

Funderingar kring skyddsjord
Hur ansluter man radiogrammofonen i moderniserat hem?

Det skulle gå att upprätthålla en säkerhet om en jordfri transformator endast matade en (1) apparat för det kan man ha kontroll över. Men om det handlar om flera apparater via ett större ledningsnät så blir det svårare, och ännu värre med byggnader som matas med luftledningar. Det behövs ett skydd mot jordfel, till exempel att en fasledare i en luftledning ramlar ned eller andra liknande fel i enskilda apparater i ett hus.

Jorden är en ledare, det är ingen bra ledare men den leder ström, det går inte att komma ifrån. Vid fel så kan jorden blir en spänningsförande del, en väldigt stor spänningsförande del. Det behöver hanteras genom att dels upptäcka jordfel och dels ge så många ledande delar som möjligt samma potential som jord.

Antag följande fall:

1. Vi har ett isolerat system som bild A ovan visar.
2. Det finns många förbrukare (apparater i hushåll som spänner över en hel by på landet) anslutna till detta system.
3. Den ena fasledaren får kontakt med jord på grund av ett fel, alltså den jord vi står på, inte höljet på en skyddsjordad apparat. Detta leder inte till någon märkbar skillnad. Vi får helt enkelt ett jordat system som bild B visar. Dock blir det plötsligt farligt att ta i den andra fasledaren. Ingen säkring kommer att lösa ut på grund av detta eftersom det inte flyter någon ström i jorden. Inte ens en jordfelsbrytare (JFB) skulle lösa ut.
4. Den andra fasledaren får också kontakt med jord på grund av ett fel. Detta kanske sker hos grannen. Nu flyter en ström i jorden mellan dessa två felställen. Den kan gå i marken, i vattenledningsrör, genom hus, genom duschen, allt beroende på var dessa två felställen finns. Det kan ge otrevliga diffusa symptom som kanske till och med kan vara farliga.  En säkring kommer troligen inte att lösa ut eftersom motståndet i jorden kan vara 50-100 Ω och avståndet kan vara stort. Däremot skulle en JFB lösa ut eftersom all ström inte går tillbaka i returledaren. Men JFBer finns oftast bara installerade i gruppcentraler. Jordfelet kan inträffa i ledningsnätet innan denna.
5. Nu kommer knäckfrågan: Hur hittar man dessa två felkällor, alltså båda två!?

En JFB eller jordfelsövervakning av annat slag kan hitta den ena felkällan, men inte den andra. Den ger ju inget felsymptom! Man måste veta om att den finns, och det vet man ju eftersom ett skydd löste vid det andra jordfelet.

Sedan ska man som sagt lokalisera felkällan vilket kräver felsökningstid med strömmen bruten. Man behöver frånskilja mindre och mindre delar av nätet och mäta mellan fas och jord till dess att man ringat in var felet finns.

Med ett jordtag kommer det första felet att upptäckas, alltså redan i punkt 3 ovan, det vill säga med ett jordtag

1. hittas felkällan, och det sker
2. redan vid det första jordfelet.

De filosofiskt lagda kanske invänder här och påstår att denna jordning är ett jordfel, och att felet ovan faktiskt då är ett andra jordfel, inte första. Det är helt riktigt. Man har medvetet skapat ett ”jordfel”, fast under kontrollerade former. Det är en ”känd” fasledare, en och samma, som används som skyddsjord. I och med att denna spänningsförande ledare jordas så får man en neutralpunkt som inte har någon potential mot jord. Detta är den neutralledare som distribueras till alla abonnenter, ofta i kombination med skyddsledare, det vill säga en PEN.

Sedan kanske någon invänder med att det finns ett problem här. Ett sant jordfel kommer troligen inte att lösa några säkringar som förklarats ovan. Strömmen genom jord till jordtaget blir troligen inte tillräckligt hög. Endast en JFB skulle upptäcka felet. Detta gör att denna förklaring haltar lite då JFBer saknas i ledningsnätet, men principen är enkel att förklara i det lågspänningsnät som de flesta känner igen sig i.

Om vi istället flyttar upp förklaringen till högspänningsnätet före transformatorn så faller det på plats. Detta nät är också jordat just för att upptäcka nedfallna fasledare. Det kan jordas även om ledningen endast består av tre fasledare utan nolla. Man skapar en fiktiv nolla med hjälp av induktanser eller andra metoder (det finns många). Det ger inga höga felströmmar, men högspänningsnätet övervakas av riktade skydd (det finns många typer) som likt en JFB reagerar på när strömmen ”går i fel riktning”.

Felströmmarna i högspänningsnätet är dock tillräckligt höga för att vara farliga för personer, det vill säga den fejkade nollan som är jordad har inte så hög impedans mot fasledarna att det skulle vara ofarligt att ta i en 20 kV fasledare.

Vi återvänder till punkt 3 i händelselistan ovan. Någon spänning nämndes inte där, men vi kan anta 230 V. I ett trefassystem blir det lite mer komplicerat och farligare då man, vid ett jordfel, får 400 V mellan en fas och jord, inte 230 V som man skulle kunna tro. Man får också en spänning mellan neutralledaren och jord på 230 V.

I bild är L1 kortsluten mot jord, det är alltså felet. Det gör att man får en spänning på 400 V mellan L2 och jord, tillika mellan L3 och jord.

Nu är inga fasledare eller neutralledare berörbara. Men säg att istället för en neutralledare så distribueras en PEN-ledare, som alla apparater skyddsjordas mot. Vid ett jordfel i en fas kommer nu plötsligt höljet på alla skyddsjordade apparater att få en spänning på 230 V mot jord. Inte bra. Det liknar fallet med avbrott i PEN i ett jordat system. Därför är det bra med jordtag som ger PEN samma potential som jord.

Ett isolerat system som visas på bilden ovan är inte fel – tvärtom, det kallas för ett IT-system och används där det ställs höga krav på driftsäkerheten, till exempel i operationssalar på sjukhus och även i industrier. Men då finns det även en jordfelsövervakning som larmar, inte bryter. Den går till så att systemet faktiskt jordas, fast med en hög impedans som inte innebär någon personfara. Ett känsligt instrument kan dock upptäcka den låga felström som ett jordfel i en fas orsakar.

Det andra skälet till ett jordtag på lågspänningssidan av transformatorn är fel från högspänningsnätet. Skälet är att skydda mot överslag i transformatorn, som faktiskt har inträffat med dödlig utgång, se Elsäkerhetsverkets rapport över elolyckor 2012, kapitel 4.2. Vid ett sådant genombrott mellan primärsidan och sekundärsidan kan man räkna med att neutralpunkten på sekundärsidan får mer eller mindre kontakt med högspänningssidans fasledare. Det innebär att PE(N)-ledaren och därmed alla skyddsjordade metalldelar i bostäder får högspänning, en farlig sådan eftersom högspänningsnätet är jordat.

Om det däremot finns ett jordtag på lågspänningssidan så blir spänningen betydligt lägre. Strömmen från högspänningssidan kommer nu att gå ned i jordtaget och tillbaka till högspänningssidans jordtag. Denna ström är som sagt inte speciellt hög, kanske 5-10 A, vilket är bra, för jordtaget måste förmå att hålla ned beröringsspänningen, det vill säga det måste ha tillräckligt låg övergångsresistans.

Detta är egentligen det enda kravet på att neutralpunkten på lågspänningssidan jordas med ett jordtag. Man kan säga att det är en konsekvens av jordtagen på högspänningssidan.

Övrigt

Om neutralledaren skulle få kontakt med jord så flyter det inga strömmar. Jo, en liten del av strömmen kan ta vägen genom jord. Men det är ofarligt, det ger oftast inga symptom som stickningar i duschen. Dessa fel kan vara svåra att hitta. Det är bara en JFB som kan hjälpa till här.

Som kuriosa kan nämnas att Sverige har provat metoden att inte använda ett jordat system. Det övergavs på tidigt 1900-tal.

Sedan är det bra med en gemensam referens. Man behöver se systemet i ett större perspektiv med flera elektriska system, el, data och tele, och flera användare (hushåll och apparater) av ett och samma system. Det vore ju inte bra om det var en potentialskillnad på 1000 V mellan telefonens och elvispens elektriska system.

Men hur kan det ske om det är helt olika system utan kontakt med varandra? Det kan det inte, om det inte blir ett fel. Detta är ett starkt skäl till en gemensam referens i form av skyddsjord mot jord.

Den här artikeln är en del i artikelserien "Det svenska elsystemet" som består av fem delar:

del 1 - Det svenska elsystemet 
del 2 - Det svenska elsystemet - systemjordning och skyddsjordning 
del 3 - Det svenska elsystemet - inne i bostaden 
del 4 - Husmors bruksanvisning för elcentralen
del 5 - Det svenska elsystemet - jordtag, jordning och jordfel