Все, что вам нужно знать о заземляющих стержнях: выбор, установка, испытания и соответствие нормам

Заземляющие стержни — основа каждой безопасной электрической системы

Заземляющий стержень, также называемый заземляющим стержнем или заземляющим электродом, представляет собой металлический проводник, вбитый в почву для создания прямого электрического соединения между электрической системой конструкции и землей. Для каждой жилой, коммерческой и промышленной электроустановки требуется как минимум один заземляющий стержень. для соответствия современным нормам безопасности, а Национальный электротехнический кодекс (NEC) в США требует наличия как минимум двух заземляющих стержней, расположенных на расстоянии не менее 6 футов друг от друга, если сопротивление одного стержня не превышает 25 Ом.

Их цель проста, но важна: заземляющие стержни обеспечить путь с низким сопротивлением для токов повреждения и скачков напряжения, вызванных молнией, для безопасного рассеивания в земле, защищая оборудование, конструкции и человеческую жизнь. Без правильно установленной и проверенной системы заземления одна электрическая неисправность может привести к пожару, разрушению оборудования или смертельному поражению электрическим током. В этой статье описывается все, что вам нужно знать о выборе, установке, тестировании и обслуживании заземляющих стержней — от выбора материалов до соответствия нормам и реальных целевых значений сопротивления.

Что на самом деле делает заземляющий стержень и почему сопротивление имеет значение

Заземляющие стержни работают, используя практически неограниченную способность земли поглощать электрический заряд. При возникновении неисправности — скажем, провод под напряжением касается металлического корпуса прибора — ток течет через заземляющий проводник, вниз по заземляющему стержню и радиально рассеивается по окружающей почве. Это приводит к размыканию автоматического выключателя или предохранителя, отключая подачу электроэнергии, прежде чем кто-либо может пострадать.

Эффективность этого процесса почти полностью зависит от сопротивления между заземляющим стержнем и окружающей землей, называемого сопротивлением заземления или сопротивлением заземления. NEC рекомендует сопротивление заземления 25 Ом или менее для одного стержня. , хотя многие телекоммуникационные стандарты, центры обработки данных и производители чувствительного оборудования требуют 5 Ом или даже 1 Ом для предотвращения помех сигнала и повреждения оборудования из-за переходных напряжений.

Сопротивление грунта не является фиксированным — оно меняется в зависимости от влажности почвы, температуры, состава почвы и сезонных изменений. Песчаные сухие почвы могут иметь сопротивление в 10–50 раз выше, чем влажные глинистые почвы. Заземляющий стержень, прошедший испытание сопротивлением 25 Ом весной, может превысить этот порог засушливым летом, поэтому периодическое тестирование имеет значение.

Виды заземляющих стержней: материалы и различия в их характеристиках

Не все заземляющие стержни одинаковы. Выбор материала напрямую влияет на коррозионную стойкость, проводимость, долговечность и стоимость установки. В современных установках используются три наиболее распространенных типа: сталь с медным связующим, сплошная медь и оцинкованная сталь.

Стальные стержни, связанные медью

Это наиболее широко используемые заземляющие стержни в Северной Америке. Сердечник из высокоуглеродистой стали молекулярно связан со слоем меди — обычно Толщина 0,254 мм (10 мил) для стандартных стержней — методом гальваники или экструзии. Стальной сердечник обеспечивает прочность на разрыв при движении, а медная внешняя поверхность противостоит коррозии и сохраняет низкое сопротивление контакта с почвой. Медные стержни соответствуют стандарту UL 467 (Оборудование для заземления и соединения) и соответствуют требованиям NEC.

Твердые медные стержни

Твердые медные стержни обладают превосходной коррозионной стойкостью и проводимостью, но имеют значительно более высокую стоимость материала и склонны к изгибу при установке в твердых или каменистых почвах из-за относительной мягкости меди. Чаще всего они предназначены для сред с высокой степенью коррозии, таких как прибрежные сооружения, химические заводы и районы с очень кислой почвой. В почвах с pH ниже 5 или в морской среде твердые медные стержни могут служить дольше, чем стержни с медной связкой, на десятилетия.

Оцинкованные стальные стержни

Стальные стержни, оцинкованные горячим способом, являются наиболее экономичным вариантом и разрешены NEC. Однако в большинстве почвенных условий цинк корродирует значительно быстрее, чем медь, и по мере разрушения цинкового покрытия оголенная сталь под ним быстро корродирует. Эффективный срок службы стержней из оцинкованной стали может составлять всего 10–15 лет в умеренно агрессивных грунтах. по сравнению с 30–40 годами для стержней с медной связкой. Обычно их рекомендуют только для временных установок или для очень сухих, неагрессивных почв.

Стержни из нержавеющей стали

Заземляющие стержни из нержавеющей стали 316L предназначены для самых агрессивных почвенных сред, включая почвы с высоким содержанием хлоридов, зоны вблизи применения противообледенительной соли и промышленные объекты с химическим загрязнением. Несмотря на высокую стоимость, они обеспечивают исключительную долговечность — часто превышающую 50 лет — при минимальном обслуживании, что делает их экономически эффективными для критически важной инфраструктуры в течение длительного срока службы.

Стандартные размеры: требования к длине и диаметру

NEC (статья 250.52) определяет минимальные размеры заземляющих стержней, используемых в качестве заземляющих электродов. Понимание этих требований гарантирует соответствие нормам и поможет вам выбрать правильную удочку для конкретных почвенных условий.

• Минимальная длина: 8 футов (2,4 метра) для медных или плакированных медью стержней; 8 футов для железных или стальных стержней
• Минимальный диаметр: 5/8 дюйма (15,9 мм) для медных и сплошных медных стержней; 3/4 дюйма (19 мм) для стержней из оцинкованной стали.
• Распространенные коммерческие длины: Стержни длиной 10 футов (3 м) и 20 футов (6 м) широко используются в коммерческих и промышленных целях, где условия почвы требуют более глубокого проникновения для достижения слоев земли с более низким сопротивлением.

Более длинные стержни обеспечивают более низкое сопротивление грунта, поскольку они достигают более глубоких слоев почвы, которые удерживают влагу более надежно, чем поверхностные почвы. На каменистой местности, где стержень на всю глубину невозможно заводить вертикально, NEC позволяет заводить стержень под углом до 45 градусов от вертикали или закапывать горизонтально в траншею глубиной не менее 30 дюймов — при условии, что стержень по всей длине все еще находится в контакте с землей.

Для соединения нескольких секций стержня вместе для достижения большей глубины используются резьбовые соединения для соединения стандартных 4-футовых или 5-футовых секций. Этот секционный подход позволяет устанавливать систему в ограниченном вертикальном пространстве, сохраняя при этом глубину проникновения 20 футов и более.

Пошаговый монтаж: как правильно забить заземляющий стержень

Неправильный монтаж является основной причиной неисправностей системы заземления. Изгиб, малая глубина и плохое соединение зажимов являются наиболее распространенными ошибками. Следующий процесс отражает требования NEC и лучшие отраслевые практики.

Выбор места установки

Выберите место как можно ближе к электрическому щиту или служебному входу — в идеале в пределах 20 футов — чтобы свести к минимуму длину проводника заземляющего электрода и уменьшить его сопротивление. Избегайте участков с уплотненной гравийной насыпью, заглубленным бетоном или большими корневыми системами деревьев. Почва, которая удерживает влагу (затененные участки, возле водосточных труб или в низких местах), будет постоянно давать более низкие показания сопротивления. Никогда не устанавливайте заземляющий стержень на расстоянии менее 6 футов от другого стержня, если только они не будут соединены вместе как часть многоэлектродной системы.

Вождение стержня

1. Позвоните по номеру 811 (в США) или в региональную службу уведомлений по коммунальным предприятиям не позднее, чем за два рабочих дня, прежде чем копать или забивать стержни для выявления подземных коммуникаций.
2. Расположите стержень вертикально в выбранном месте. Небольшая заостренность на кончике (большинство удилищ имеют заостренную форму) способствует проникновению.
3. Используйте перфоратор с насадкой для привода заземляющих стержней для стержней длиной до 8 футов в типичных почвах или пневматический или гидравлический привод для более длинных стержней и твердых почв. Ручное управление кувалдой возможно на мягких почвах, но оно медленное и склонно к изгибу вершины стержня.
4. Ведите стержень до тех пор, пока его верх не окажется на одном уровне или чуть ниже уровня земли. NEC требует, чтобы стержень был закопан на глубину не менее 8 футов и контактировал с землей — вся длина стержня должна находиться ниже уровня земли.
5. Если стержень сталкивается с препятствием (слоем камня) до того, как достигнет полной глубины, не сгибайте его слишком сильно. Вместо этого используйте вариант установки под углом или горизонтального захоронения, разрешенный NEC 250,53(Г).
6. При использовании секционных стержней присоедините первую муфту до того, как первая секция исчезнет под землей, навинтите следующую секцию и продолжайте движение.

Прикрепление проводника заземляющего электрода

Соединение заземляющего стержня с проводником заземляющего электрода (ЗЭУ) является одной из наиболее подверженных сбоям точек в системе. NEC требует, чтобы соединение выполнялось с помощью указанного в списке зажима заземления, а не с помощью обычных трубных хомутов, хомутов для шлангов или проводных стяжек. Перечисленные зажимы заземляющих стержней должны быть рассчитаны на прямое захоронение. если точка подключения будет находиться ниже уровня земли.

GEC должен быть непрерывным (без сращиваний) от заземляющего стержня до главной сервисной панели. Минимальные размеры проводов согласно NEC определяются размером проводников служебного входа — обычно Медный проводник № 6 AWG для тока до 200 ампер. и № 4 AWG или больше для тока выше 200 ампер. Экзотермические (сварные) соединения предпочтительнее механических зажимов для стационарной установки, поскольку они создают молекулярную связь, которая не ослабляется со временем из-за термоциклирования или коррозии.

Как тип и условия почвы влияют на сопротивление грунта

Удельное сопротивление почвы, измеряемое в ом-метрах (Ом·м), является единственной наиболее важной переменной окружающей среды, влияющей на характеристики заземляющего стержня. Два одинаковых стержня, установленные в разных грунтах, могут давать совершенно разные показания сопротивления грунта.

Материалы для улучшения земли (GEM)

Когда удельное сопротивление почвы слишком велико для того, чтобы стандартные стержни соответствовали целевым показателям сопротивления, материал для улучшения грунта (GEM), также называемый проводящим бетоном или компаундом для улучшения грунта, набивается вокруг стержня, чтобы создать большую и более проводящую электродную зону. Продукты GEM обычно состоят из соединений глины на основе углерода или бентонита, которые поглощают и удерживают влагу, образуя при этом проводящую матрицу вокруг стержня. Исследования показали, что GEM может снизить сопротивление грунта за счет 40–70% по сравнению с голым стержнем в той же почве , и улучшение остается стабильным на протяжении всего срока службы установки, поскольку GEM не высыхает, как обычная засыпка.

Проверка сопротивления заземления: методы и допустимые значения

Установка заземляющего стержня без его проверки аналогична установке спринклерной системы пожаротушения без проверки давления воды. Стержень может находиться в земле, но у вас нет подтверждения, что он сработает при необходимости. Испытание сопротивления заземления следует проводить при первоначальной установке и в дальнейшем периодически: ежегодно для критически важной инфраструктуры и каждые 3–5 лет для стандартных коммерческих установок.

Метод падения потенциала (трехточечный тест)

Это наиболее точный и широко используемый метод проверки отдельных заземляющих стержней. Для этого требуется специальный тестер сопротивления заземления (также известный как мегомметр или тестер падения потенциала), три измерительных провода и два вспомогательных измерительных штыря. Процедура:

1. Отсоедините проводник заземляющего электрода от стержня (или главную перемычку от системы), чтобы изолировать стержень.
2. Подведите токовый электрод (C2) на расстояние примерно 100 футов (30 м) от проверяемого заземляющего стержня.
3. Вставьте колышек потенциального электрода (P2) на 62% расстояния между заземляющим стержнем и токовым электродом — примерно на расстоянии 62 футов (19 м) от стержня.
4. Подсоедините провода тестера ко всем трем электродам и запустите тест. Прибор подает известный переменный ток и измеряет полученное падение напряжения для расчета сопротивления.
5. Запишите чтение. Результат 25 Ом или менее соответствует стандарту NEC. ; значения ниже 5 Ом необходимы для чувствительных электронных и телекоммуникационных приложений.

Метод испытания с зажимом

Для систем с несколькими уже соединенными вместе заземляющими стержнями метод с зажимом (или без стержня) позволяет проводить тестирование без отключения системы. Измеритель сопротивления заземления зажимается вокруг заземляющего проводника на любом отдельном стержне. Он индуцирует напряжение и измеряет результирующее сопротивление контура. Этот метод более быстрый и менее разрушительный, но измеряет параллельную комбинацию всех стержней в связанной системе, а не сопротивление отдельных стержней. Его лучше всего использовать для проверки текущего технического обслуживания, а не для первоначальных пусконаладочных испытаний.

Несколько заземляющих стержней: когда одного недостаточно

NEC требует наличия второго заземляющего стержня, если сопротивление одного стержня превышает 25 Ом. Но для многих применений минимум два стержня — это только отправная точка. Понимание того, как несколько стержней ведут себя параллельно, помогает разработать эффективную систему заземления.

Когда два стержня соединены параллельно, их совокупное сопротивление ниже, чем у каждого стержня в отдельности, но не просто вдвое. Преимущество уменьшается по мере того, как стержни располагаются ближе друг к другу, поскольку их зоны сопротивления перекрываются. Оптимальное расстояние между стержнями должно быть не менее их длины. — поэтому для 8-футовых стержней рекомендуется минимальное расстояние в 8 футов; для 20-футовых стержней, расстояние 20 футов. Стержни, расположенные на расстоянии меньше их собственной длины, дают быстро уменьшающуюся отдачу.

Практический пример: два 8-футовых медных стержня во влажной суглинистой почве, каждый из которых имеет сопротивление 15 Ом по отдельности и расположены на расстоянии 8 футов друг от друга, обычно в сумме дают примерно 9–10 Ом, а не 7,5 Ом, как можно предположить из простого параллельного расчета, из-за перекрывающихся зон влияния почвы. Если разместить их на расстоянии 15–20 футов друг от друга, общее значение приблизится к 8 Ом.

Для установок, требующих очень низкого сопротивления, таких как центры обработки данных (1–5 Ом), радиовещательные башни (1 Ом или менее) или медицинские учреждения, стандартной практикой являются массивы заземляющих стержней из 4, 6 или более стержней, расположенных в линию или в кольцевую конфигурацию.

Заземляющие стержни для систем молниезащиты

Заземляющие стержни выполняют двойную функцию в сооружениях, оборудованных системами молниезащиты (СМЗ): они обеспечивают точку заземления для постоянного тока молнии, а также путь заземления оборудования электрической системы. Эти две функции имеют разные требования, которые необходимо тщательно согласовать.

Стандарт Национальной ассоциации противопожарной защиты NFPA 780 и международный стандарт IEC 62305 касаются заземления молниезащиты. Основные требования отличаются от стандартного электрического заземления:

• Несколько заземляющих электродов необходимы, расположенные по периметру конструкции для распределения тока молнии в землю по нескольким параллельным путям.
• NFPA 780 требует минимум два заземляющих стержня на токоотвод для конструкций типа I, при этом расстояние между стержнями определяется целевым сопротивлением заземления.
• Соединение между заземлением молниезащиты и заземлением электрической системы является обязательным. для предотвращения опасных разностей потенциалов во время забастовки. Отдельные несвязанные системы заземления создают опасность скачков напряжения и прикосновения.
• Кольцевые заземлители — непрерывный медный проводник, заглубленный по периметру конструкции и прикрепленный к вертикальным заземляющим стержням, — рекомендуются для крупных сооружений и являются стандартными для телекоммуникационных вышек и подстанций.

Молния может вызвать пиковые токи силой от 30 000 до 200 000 ампер в микросекундах. Система заземления должна обрабатывать этот импульс без образования дуги на границе раздела электрод-почва — явления, которое может привести к разрушению почвы и физическому выталкиванию стержней из земли, если система имеет недостаточный размер.

Распространенные ошибки при использовании заземляющего стержня и как их избежать

Даже опытные электрики сталкиваются с отказами системы заземления, причиной которых являются ошибки при монтаже, которых можно было избежать. Ниже приведены наиболее часто документированные проблемы, обнаруживаемые во время проверок и испытаний:

• Стержень не заглублен на полную глубину: Если оставить часть стержня выше уровня земли или не достичь полной 8-футовой глубины заглубления, сопротивление значительно увеличивается. Всегда проверяйте полную глубину перед засыпкой.
• Использование зажимов, не включенных в список: Хомуты для труб, хомуты для шлангов и импровизированные соединители подвергаются коррозии и ослабляются. Следует использовать только заземляющие зажимы, входящие в список UL, рассчитанные на размер проводника и условия захоронения.
• Сращивание проводника заземляющего электрода: NEC запрещает соединения GEC между электродом и сервисной панелью. Соединение GEC создает точку с высоким импедансом, которая ухудшает характеристики тока повреждения.
• Разнородные металлические соединения без защиты: Соединение алюминиевых проводников непосредственно с медными стержнями создает элемент гальванической коррозии. Используйте перечисленные биметаллические разъемы или ограничьте соединения одним и тем же семейством металлов.
• Предполагая, что пройденный тест является постоянным: Почвенные условия меняются сезонно. Стержень сопротивлением 18 Ом весной может превысить 25 Ом во время засухи в конце лета. Запланируйте периодические повторные испытания и рассмотрите возможность установки влагоудерживающей засыпки GEM для обеспечения долгосрочной стабильности.
• Пропуск связи между системами заземления: Несколько заземляющих электродов для различных систем (электрических, молниезащиты, телекоммуникаций), которые не соединены вместе, создают дифференциальные потенциалы земли, которые могут разрушить оборудование и создать опасность поражения электрическим током. Все системы заземления одной конструкции должны быть соединены в одной точке.

Краткий обзор требований кода NEC

Для электроподрядчиков, инспекторов и инженеров в следующей таблице приведены основные требования статьи 250 NEC, применимые к заземляющим стержневым электродам: