Руководство по заземляющим стержням: заземляющие электроды, монтаж и распространенные неисправности

Заземляющий стержень — самый дешевый элемент в комплекте арматуры для воздушных линий опор и тот, который чаще всего монтируют неправильно. Это также компонент, который определяет, найдет ли ток короткого замыкания управляемый путь в землю или пройдет через что-то, что никогда не предназначалось для его пропускания.

В этом руководстве рассматриваются типы электродов, их размеры и соединения, глубина монтажа и расстояние между ними, способы измерения сопротивления заземления и значение полученных показаний, а также типичные неисправности, повторяющиеся в разных проектах. Материал предназначен для бригад по строительству коммунальных сетей, EPC-подрядчиков и дистрибьюторов, выбирающих арматуру для заземления.

Что должен обеспечивать заземляющий стержень

Заземляющий электрод, чаще называемый заземлителем или земляным стержнем, одновременно выполняет три функции. Он обеспечивает путь низкого сопротивления для тока короткого замыкания, чтобы защита срабатывала быстро, удерживает потенциал конструкции и присоединенного к ней оборудования близким к потенциалу земли при коротком замыкании, а также снижает риск опасного напряжения прикосновения или шага у основания опоры.

Один заземляющий стержень — простое устройство для сложной задачи, поскольку его эффективность зависит от почвы, в которой он находится, а не от самого металла. Два идентичных стержня могут давать показания, отличающиеся на порядок величины на соседних участках, и эта разница объясняется геологией, а не качеством изготовления.

Практический вывод таков: заземляющий стержень проектируют под измеренное целевое значение, а не выбирают из каталога. Определите необходимое сопротивление заземления для установки, измерьте удельное сопротивление почвы или проверьте стержень после забивки, и добавьте электроды, если целевое значение не достигнуто.

Меднолуженый заземляющий стержень против оцинкованного стального заземляющего стержня

Два распространенных типа электродов отличаются материалом покрытия, и выбор определяется сроком службы и химическим составом почвы. Меднолуженый заземляющий стержень — это стальной сердечник с металлургически нанесенным слоем меди, он сочетает прочность стали и коррозионную стойкость меди в большинстве почв. Оцинкованный стальной заземляющий стержень использует горячее оцинкование и обычно является более экономичным вариантом для малокоррозионной почвы.

Толщина меди — важная характеристика меднолуженого стержня, и ее часто не указывают в заказах на покупку. Стандарт UL 467 требует минимальной толщины меди, выраженной в тысячных долях дюйма, а стержень, описанный только как «меднопокрытый», не дает возможности проверить, что именно вы покупаете. Запрашивайте толщину покрытия в техническом паспорте, а не только слово «медь».

На оцинкованных стержнях должен быть указан стандарт покрытия, обычно это ASTM A153/A153M или ISO 1461. В сильно кислой почве или почве с содержанием хлоридов ни одно покрытие не служит бесконечно, и в этом случае лучшим решением может быть электрод из нержавеющей стали или система с внешним источником тока.

Соединения заземляющих стержней, размеры и оборудование для забивки

Стандартные диаметры электродов составляют от 1/2 дюйма (12,7 мм) до 1 дюйма (25,4 мм), при этом размеры 5/8 дюйма (15,9 мм) и 3/4 дюйма (19,1 мм) подходят для большинства распределительных работ. Стандартные длины — 8 футов (2,4 м) и 10 футов (3,0 м), некоторые поставщики предлагают более короткие стержни длиной от около 1,2 м для монтажа в ограниченном пространстве, хотя короткий заземляющий стержень для целей проектирования следует рассматривать как отдельный тип электрода.

Муфта заземляющего стержня соединяет два стержня встык, когда длины одного не хватает для достижения требуемой глубины. Соединение — потенциальное слабое место: резьба должна плотно прилегать, а муфту следует полностью затянуть, чтобы два стержня действовали как единый электрод. Ослабленная или корродированная муфта добавляет сопротивление именно там, где должен проходить ток.

Оборудование для забивки защищает стержень не меньше, чем забивает его. Забивной штифт или фаска на головке стержня предотвращают сплющивание кончика, а ударное действие, а не вращательное, используется для того, чтобы стержень не раскачивался и не расширял отверстие. Если ожидается твердый слой грунта, стержень с закаленным кончиком экономит и время, и количество бракованных электродов.

Монтаж заземляющих стержней: глубина, почва и расстояние между ними

Глубина — параметр, которым чаще всего пренебрегают на месте монтажа. Нормы обычно требуют, чтобы длина забиваемого стержня составляла не менее 8 футов (2,4 м), а требования NESC к заземлению линий электропитания устанавливают минимальную длину и диаметр электрода. Стержень, забитый на 6 футов, потому что бригада столкнулась с каменным слоем у поверхности, не соответствует спецификации, и нельзя вернуть его в норму, добавив хомут.

Условия почвы определяют, насколько полезна дополнительная глубина. Монтаж заземляющих стержней в почве с высоким удельным сопротивлением, такой как песок, гравий или скала, дает меньший эффект на каждый дополнительный метр, чем в глине, и в какой-то момент второй электрод в другом месте — лучшее вложение усилий, чем более длинный стержень.

Расстояние между электродами регламентировано, поскольку стержни, расположенные слишком близко, используют один и тот же объем почвы и мешают друг другу. Обычное минимальное расстояние — не менее 6 футов (1,8 м), а удвоение расстояния может заметно улучшить общее сопротивление даже без изменения отдельных стержней.

Проверка сопротивления заземления и значение показаний

Сопротивление заземления измеряют на установленном электроде, а не принимают на веру из технического паспорта. Метод падения потенциала, описанный в стандарте IEEE Std 81, использует вспомогательные токовые и потенциальные зонды, забиваемые на определенных расстояниях, и дает показания, которые можно сравнить с проектным целевым значением.

Измерители на клещах удобны и полезны для проверки соединения в работающей установке, но они измеряют сопротивление всей петли, включая параллельные пути. На опоре с одним электродом и без других заземляющих соединений показания клещевого измерителя не заменяют испытание методом падения потенциала.

Целевые значения зависят от области применения. Многие распределительные спецификации допускают один заземляющий стержень с сопротивлением около 25 Ом, в то время как заземление подстанций, спроектированное по стандарту IEEE Std 80, часто стремится к значению 1 Ом или меньше по всей сети. Показание выше целевого после монтажа означает необходимость добавления электродов, обработки почвы или изменения типа электрода, а не просто записи результата и перехода к следующему объекту.

Требования UL 467 и NESC к заземлению

Два документа в основном определяют спецификации арматуры для заземления линий опор. UL 467 охватывает оборудование для заземления и соединения на заземление и устанавливает требования к конструкции стержней и соединителей, и именно здесь заявление о соответствии UL становится проверяемым, а не декоративным. Требования NESC к заземлению устанавливают правила монтажа для линий электропитания и связи.

Вместе они ограничивают длину, диаметр, толщину покрытия, расстояние между электродами и тип разрешенного соединения с ними. Заказ на покупку, в котором не указано ни то, ни другое, оставляет поставщику право предполагать, а предположения в этой области обычно склоняются к более дешевому варианту.

Проверка проста, когда документы указаны. Запросите номер файла UL или ссылку на сертификацию и проверьте ее в базе данных продуктов, а также попросите проектировщика подтвердить, что длина, диаметр и расстояние между электродами соответствуют нормам, применимым к проекту. Ссылки опубликованы через UL Solutions и IEEE Standards Association.

Хомуты для заземляющих штифтов, соединение на заземление и качество соединения

Электрод хорош настолько, насколько хорошо соединение с ним. Хомут для заземляющего штифта соединяет заземляющий проводник со стержнем, и соединение должно выдерживать как ток короткого замыкания, так и годы воздействия погодных условий без ослабления.

Совместимость материалов определяет долговечность соединения. Медный проводник, зажатый на оцинкованном стальном стержне, создает гальваническую пару, и во влажной среде цинк становится анодом и корродирует. Если в проекте сочетаются разные материалы, следует указать соответствующий переходной элемент или биметаллический соединитель, а не рассчитывать на то, что обычный хомут справится с этой задачей.

Механическая надежность не менее важна. Соединения на одном болте ослабевают при тепловых циклах, поэтому следует использовать рекомендованный для данного типа электрода хомут и затягивать его с указанным моментом. Наши хомуты для заземляющих штифтов разработаны для сочетания с размерами электродов, которые мы поставляем, а практика монтажа описана в кейсе по заземляющим стержням и хомутам для заземляющих штифтов.

Распространенные неисправности заземления и способы их предотвращения

Большинство распространенных неисправностей заземления связаны с монтажом, а не с материалами. Это стержень, забитый не на полную глубину по спецификации, муфта, оставшаяся частично затянутой, соединение на одном болте вместо указанного хомута или проводник, который механически закреплен, но электрически прерван корродированным соединением.

Вторая группа — экологические причины. Почва с высоким удельным сопротивлением, сезонное высыхание, повышающее сопротивление летом, и агрессивная химия грунта, которая расходует тонкое покрытие быстрее ожидаемого. В таких случаях следует пересмотреть проект, а не повторять монтаж.

Предотвращение стоит недорого. Забивайте стержень на указанную глубину, затягивайте фитинги с заданным моментом, фотографируйте соединение перед обратной засыпкой и записывайте показания сопротивления при сдаче объекта. Стержень с инспекционной колодцем или зарегистрированной точкой испытаний гораздо легче контролировать в течение срока службы линии, чем тот, который закопали и забыли.

Арматура для заземления представлена в нашей линейке вместе с другой арматурой для воздушных линий опор, включая оцинкованные стальные заземляющие стержни и анкерные стержни для оттяжек, такие как стержни для дуговых оттяжек. Практическое руководство по заземлению опор также доступно в статье о заземляющих стержнях и хомутах для опор коммунальных сетей.

Часто задаваемые вопросы

На какую глубину следует забивать заземляющий стержень? Общая практика и большинство норм требуют не менее 8 футов (2,4 м) для забиваемого электрода на линии электропитания. Если при этой глубине целевое сопротивление не достигнуто, добавление второго электрода обычно дает лучший эффект, чем чрезмерная забивка одного стержня.

Всегда ли меднолуженый стержень лучше оцинкованного? Не всегда. Меднолуженые стержни обычно служат дольше в большинстве почв, но в некоторых агрессивных грунтовых средах медь — не лучший выбор, и электрод из нержавеющей стали или инженерный заземлитель работают лучше. Решение должно основываться на испытании почвы.

Как часто следует проверять сопротивление заземления? Большинство коммунальных предприятий проводят проверку при вводе в эксплуатацию, а затем по плановому циклу, часто ежегодно для критически важных конструкций. Сезонные колебания означают, что показания следует сравнивать в одно и то же время года, а не сопоставлять с единственным историческим значением.

Можно ли подключить медный проводник напрямую к оцинкованному стержню? Это делают, но соединение должно быть рассчитано на биметаллическую пару. Используйте хомут, предназначенный для такого сочетания, и обработайте соединение так, чтобы цинк не оставался протекторным анодом во влажном месте.

Какая самая распространенная ошибка при монтаже заземляющих стержней? Забивка стержня не на указанную глубину с последующей компенсацией дополнительным хомутом. Длина — это требование нормы для электрода, поэтому более короткий стержень — это другой электрод, а не эквивалентный.

Следующий шаг

Отправьте нам нужный размер и длину заземляющего стержня, спецификацию обшивки или покрытия, тип проводника и ваше целевое сопротивление заземления, и мы предложим комплект стержня, муфты и хомута с документацией для заказа.

Наша линейка арматуры для заземления включает заземляющие электроды и оборудование для соединения на заземление, а сопутствующие продукты включают анкерные стержни для монтажа оттяжек и подвесок. Отправьте запрос через страницу контактов