Maadoitus

Maadoitus eli maatto on sähkölaitteen tietyn osan (yleensä kuoren) tai muun esineen liittäminen maahan johtimella. Tällöin laitteen ja johtimen potentiaalit ovat yhtä suuret maan sähkökentän potentiaalin kanssa. Suojamaadoitus on osa sähkölaitteiden vikasuojausmenetelmää, joka perustuu syötön automaattiseen poiskytkentään. Sähkölaitteiden suojamaadoituksen tarkoituksena on rajoittaa vikatapauksissa esimerkiksi ukkosen aiheuttamat ylijännitteet tai ilmeneviä kosketus- ja askeljännitteitä. Myös metalliset vesi- ja ilmastointiputket on turvallisuussyistä yhdistetty rakennuksen PE-kiskoon ja sitä kautta maahan. Tätä kutsutaan pääpotentiaalin tasaukseksi. Maadoituksilla ja potentiaalintasauksilla voidaan myös parantaa häiriösuojausta.

Sähkölaitteen suojamaadoitus toteutetaan yleensä yhdistämällä laitteen kuori maahan pistorasiassa olevalla suojajohtimella, joka on sähköverkon kautta yhdistetty maahan. Laitteen vioittuminen voi johtaa jännitteen kytkeytymiseen laitteen runkoon, ja jos runko on maadoitettu, syntynyt vikavirta kytkeytyy suojajohtimen kautta maahan ja polttaa johdonsuojasulakkeen – tai jos piiriin on liitetty vikavirtakytkin se laukeaa ja katkaisee virran. Maadoittamattoman rungon potentiaalin kasvaessa sähkövirta voi purkautua esimerkiksi siihen koskevan ihmisen kautta maahan. Myös mikäli maadoituspiiri ei ole ehjä, vikatilanteessa sähköisku on todennäköinen. 

Yleisesti luullaan virheellisesti, että laitteiden tulee olla kytkettynä fyysiseen maahan virheettömän toiminnan takaamiseksi. Esimerkiksi auto ja lentokone eivät ole kytkettynä fyysiseen maahan, vaan maadoitus on kytketty laitteen runkoon.

Maadoitukseen liittyvät käsitteet

Suojamaadoitusjohdin 
Suojajohtimia käytetään jännitteelle alttiiden osien suojamaadoittamiseen. Normaalikäytössä johdin on jännitteetön, mutta se voi tulla jännitteiseksi eristysvian seurauksena. Johdin on myös virraton normaalikäytössä, mutta siinä voi kulkea sähkölaitteiden aiheuttamia pieniä vuotovirtoja. Vikatilanteessa johtimessa voi kulkea suuriakin virtoja. Suojajohdin on voitava selkeästi tunnistaa muista johtimista, joten sen täytyy olla väriltään kelta-vihreä koko pituudeltaan. Tätä väriyhdistelmää ei saa käyttää mihinkään muuhun tarkoitukseen.

Maadoitusjohdin 
Maadoitusjohdin muodostaa asennuksen, järjestelmän tai laitteen osan ja maan välille johtavan yhteyden tai osan siitä. Rakennusten sähköasennuksissa maadoituskisko tai -liitin kytketään maadoituselektrodiin maadoitusjohdon avulla. Maadoitusjohdin kulkee usein ainakin osittain maan sisällä, jolloin se on osa maadoituselektrodia ja sille on annettu mekaanista lujuutta ja korroosiosuojausta koskevat vaatimukset. Normaalitilanteessa maadoitusjohtimessa ei kulje virtaa ja vikatilanteessakin johtimessa kulkevat virrat ovat hyvin pieniä. Mitoituksessa virtakestoisuutta tärkeämpi kriteeri on johtimen mekaaninen kestoisuus ja korroosiokestoisuus. Joissakin erikoistapauksissa, esim. keskijänniteverkon kaksoismaasulkutilanteet, myös virtakestoisuudella on merkitystä. Maadoitusjohtimelle ei ole määrätty tunnusväriä.

Päämaadoituskisko, päämaadoitusliitin 
Päämaadoituskisko tai -liitin on maadoitusjärjestelmän osa, johon voidaan liittää maadoittamista varten useita johtimia. Päämaadoituskisko toimii maadoitusten ja potentiaalintasausten koontipisteenä. Jokainen kiskoon liitettävä johdin pitää voida irrottaa yksitellen. Kiskoa voidaan laajentaa koko rakennuksen kattavaksi, jolloin puhutaan maadoituksen liitäntäkiskosta. Näin tietoliikennelaitteiden maadoitusten liittäminen päämaadoituskiskoon on mahdollista lyhyellä yhdistysjohdolla. Päämaadoituskisko voidaan korvata maadoitusliittimellä monissa uusissa rakennuksissa, sillä niissä on hyvin vähän johtavia osia. Kisko asennetaan yleensä rakennuksen suurimman keskuksen lähelle, jotta kiskoon on helppo päästä käsiksi.

Maadoituselektrodi 
Maadoituselektrodi on johtava osa, joka on sähköisessä yhteydessä maahan. Elektrodi voi olla upotettu johtavaan väliaineeseen kuten betoniin. Elektrodin materiaalin ja rakenteen tulee olla sähköisesti ja mekaanisesti riittävästi mitoitettu ja korroosiokestävä. Normaalitilanteessa maadoituselektrodissa ei kulje virtaa. Elektrodin muodolla ja laajuudella on vaikutusta siihen, millainen potentiaalintasausvaikutus sillä on ja millainen maadoitusresistanssin arvo on. Maaperän johtavuudella on suuri vaikutus siihen, millainen maadoitusresistanssin arvo on saavutettavissa. Hyvä potentiaalintasausvaikutus on tärkeää rakennuksen sähkölaitteiston kannalta.

Potentiaalintasaus 
Potentiaalintasaus tarkoittaa johtavien osien välistä sähköistä liitäntää, jonka tarkoituksena on saavuttaa tasapotentiaali. Johtavia osia ovat sellaiset sähkölaitteiden rungot tai muut osat, jotka tulevat jännitteiseksi peruseristyksen pettäessä. Muita johtavia osia ovat sähköasennukseen kuulumattomat osat, putket, kanavat ja rakennuksen runkorakenteet, joissa voi olla maan potentiaali, joka poikkeaa maadoitusjärjestelmän potentiaalista. Osat liitetään potentiaalintasausjärjestelmään suojajohtimilla keskuksen suojakiskon kautta. Suojamaadoitus ja potentiaalintasaus tulee erottaa toisistaan, esim. metallisia vesijohtoputkia ei tule suojamaadoittaa, vaan liittää potentiaalintasaukseen. Sen sijaan jos metallisessa asennusputkessa on peruseristettyjä johtimia sisällä, täytyy se suojamaadoittaa. 

Potentiaalintasaus voidaan jakaa toiminnalliseen potentiaalintasaukseen ja suojaavaan potentiaalintasaukseen, joka voidaan jakaa pääpotentiaalintasaukseen ja lisäpotentiaalintasaukseen. Pääpotentiaalintasaus on tehtävä jokaisessa rakennuksessa. Sen tarkoituksena on ehkäistä vaarallisten jännite-erojen ilmenemistä samanaikaisesti kosketeltavien osien välillä. Lisäpotentiaalintasausta käytetään erikoistiloissa, joissa halutaan parantaa turvallisuutta, kuten lääkintätiloissa ja ahtaissa johtavissa tiloissa. Lisäpotentiaalintasaukseen täytyy yhdistää kaikki samanaikaisesti kosketeltavat sähkölaitteiden jännitteelle alttiit osat ja muut johtavat osat. Toiminnallinen potentiaalintasaus on kyseessä kun potentiaalintasaus on tehty jonkin muun syyn takia kuin turvallisuus, esim. häiriönsuojaus.

Suojamaadoitus ja toiminnallinen maadoitus 
Suojamaadoitus tehdään turvallisuuden takia, esim. sähköiskulta suojaamista varten. Suojamaadoitus estää sähkölaitteen rungon varautumisen vikatilanteessa ja poistaa kuolettavan sähköiskun vaaran. Suojamaadoitus voi olla erillinen tai se voi olla yhdistetty toiminnalliseen maadoitukseen. Suomessa käytetään TN-järjestelmää, jossa suojamaadoitus yhdistetään järjestelmän maadoitukseen.

Toiminnallinen maadoitus tehdään muun syyn kuin turvallisuuden takia, yleensä häiriönsuojaus. Häiriönsuojaukseen liittyvissä maadoituksissa tulee käyttää kohdekohtaista harkintaa, kun taas sähköiskulta suojaamiseen on tarkat vaatimukset.

PEN-johdin 
PEN-johdin toimii samanaikaisesti suojamaadoitus- että nollajohtimena. Se tulee mitoittaa sekä suojamaadoitusjohtimen että nollajohtimen mitoitussääntöjen mukaan. Normaalitilanteessa PEN-johtimessa kulkee myös kuormituksen paluuvirta. PEN-johtimien on oltava kelta-vihreäraitaisia koko pituudeltaan ja johtimen päät on merkittävä sinisellä lisämerkinnällä. Nykyisin rakennustekniikassa suositaan kuitenkin  TN-S -järjestelmää, jossa suojamaadoitus ja nollajohdin asennetaan fyysisesti erilleen turvallisuuden parantamiseksi.

ESD-maadoitus 
ESD:ltä eli sähköstaattiselta purkaukselta pyritään suojautumaan esimerkiksi elektroniikka-alan työskentelyssä, koska sähköstaattinen purkaus voi vahingoittaa elektroniikan komponentteja. ESD:ltä suojautuminen tapahtuu pääasiassa johtamalla staattiset varaukset maadoitukseen. Näin staattinen varaus ei purkaudu laitteeseen, vaan se purkautuu hallitusti maahan eikä näin vahingoita laitteen herkkiä komponentteja.

Maadoituksen historiaa Suomessa 
Sähkönkäytön alkuaikoina maadoitusta ei juuri käytetty. Vuonna 1930 määrättiin maadoitusta käytettäväksi vaarallisissa tiloissa, kuten pesuhuoneissa ja keittöissä, sekä  kiinteästi asennettavat sähköliedet on maadoitettava kytkemällä runko nollajohtimeen. Maadoituksena suosittiin TN-C-järjestelmää eli niin sanottua nollausta. Vuodesta 1989 edellytettiin erillistä maadoituskaapelia tai 10 mm² PEN-kaapelia. Vuonna 1997 maadoitus määrättiin pakolliseksi uusiin asennuksiin jokaisessa pistorasiassa. Vuonna 2007 kiellettiin TN-C-järjestelmä uusissa rakennuksissa sen aiheuttamien häriöiden takia. Vikavirtasuojauksen pakollisuus jo sinänsä esti järjestelmän käytön.

Maadoitusjärjestelmien toteutukset

Säteittäinen maadoitus on yleisimmin käytetty. Maadoitus toteutetaan PE-johtimen kautta niin, ettei järjestelmään synny induktiivisesti kytkeytyviä häiriöitä aiheuttavia silmukoita. Käytännössä silmukoita on vaikea välttää ja niitä saattaa tulla järjestelmään, jos myöhemmin tarvitsee tehdä uusia asennustöitä. Näin ollen järjestelmät ovatkin yleensä sekajärjestelmiä, jotka ovat periaatteeltaan säteittäisiä, mutta silmukoita esiintyy paikoitellen.

Verkkomaisessa maadoituksessa rakennetaan tiheä maadoitusverkko, jonka eri pisteisiin yhdistetään maadoitettavat laitteet. Ideana on, että eri laitteiden välinen maadoitusimpedanssi olisi mahdollisimaan pieni. Tiheällä verkkorakenteella voidaan vähentää verkon silmukoihin indusoituvia häiriöitä. Verkkomaista maadoitusta käytetään suurtaajuuksisissa järjestelmissä, kuten radioasemilla.

Maadoituksen ongelmat

Maadoitus ei ole koskaan täydellinen, koska sillä on väistämättä impedanssia, sillä maadoituksessa on fyysisiä silmukoita. Maadoitusjohtimien muodostamat silmukat sisältävät induktanssia, joka vastustaa signaalin/häiriön kulkua ja impedanssi aiheuttaa jännitehäviöitä. Jos samaan maahan kytketään enemmän kuin kaksi laitetta, ovat ne vaikutuksessa toisiinsa maan kautta. Mitä enemmän laiteitta on samassa maassa, sitä enemmän häiriöitä muodostuu.

Häiriöt voivat siirtyä maasta piiriin, esimerkiksi maahan osuneen salaman kautta. Maajohdin voi toimia myös antennina ja poimia säteilemällä siirtyviä häiriösignaaleja ja siirtää ne galvaanisesti eli johtumisen avulla piirin muihin osiin. Häiriöt voivat sekoittaa tai jopa rikkoa sähkölaitteita.

EMC-maadoituksessa pyritään estämään yllä olevat häiriöt esimerkiksi tähtimäisellä maadoituksella, jossa jokaisella piirillä on oma maadoitusjohdin maahan. EMC:n kannalta on tärkeää pitää maadoituksen erityypit, kuten sähköinen maa, suojamaa, signaalimaa ja kotelomaa, erillään ongelmien välttämiseksi. Yhdistäminen tulee tarvittaessa tehdä vain sopivasta pisteestä.

Katso myös
Suojausluokitus
Kosketusjännitesuojaus
Jakelujärjestelmät
Suojajohdin

Lähteet

Viitteet

Sähkötekniikka
Sähköturvallisuus
Seulonnan keskeiset artikkelit