Руководство по медным заземляющим стержням и зажимам: выбор правильной системы без переплаты и срезания углов

Большинство отказов системы заземления не являются драматичными. Нет ни взрыва, ни явного момента отказа. Стержень тихо корродирует под землей в течение трех-пяти лет, сопротивление возрастает, и однажды удар молнии или неисправность, с которой система должна была справиться аккуратно, вместо этого приводит к повреждению оборудования или нарушению безопасности. К тому времени, когда кто-нибудь отследит это до заземляющего электрода, решение о закупках, вызвавшее это, было принято много лет назад кем-то, ориентированным на цену за единицу продукции.

Это руководство написано для инженеров и отделов закупок, которые хотят принять правильное решение с первого раза. Это не каталог продукции -, а основа для подбора подходящего стержня и зажима к реальным условиям проекта.

Медные заземляющие стержни и зажимы заземления

Стержень и зажим представляют собой одну систему

Стоит заявить об этом прямо, потому что отделы закупок часто разделяют заказ: стержни от одного поставщика, зажимы от другого, самая низкая цена на каждую позицию. Проблема в том, что заземляющий узел работает как система, и самое слабое соединение в этой системе задает потолок для всего остального.

медный заземляющий стерженьвъезжает в почву и создает проводящий контакт с землей. Зажим соединяет заземляющий проводник -, обычно оголенный медный провод, идущий обратно к главной панели, или точку соединения - к верхней части этого стержня. Ток повреждения и ток грозового перенапряжения должны проходить через оба источника без значительного сопротивления. Если зажим создает соединение с высоким- сопротивлением, не имеет значения, насколько хорош стержень. Если стержень корродирует и теряет контакт с окружающей почвой, хомут неактуален.

Эта система должна выполнять две задачи: рассеивать ток повреждения достаточно быстро, чтобы защитные устройства могли сработать, и поддерживать уравнивание потенциалов, чтобы напряжение не накапливалось между заземленными конструкциями. Оба требуют постоянного контакта с низким- сопротивлением от проводника к зажиму, стержню и земле. Любой разрыв в этой цепочке – это проблема, ожидающая своего проявления.

Выбор заземляющего стержня: решение сложнее, чем кажется

Твердые медные заземляющие стержни

Твердые медные заземляющие стержниэто именно то, что они звучат как - 99.9% электролитической меди от поверхности до сердцевины, без стали и без покрытия. В этом единообразии и заключается суть. В агрессивной почвенной среде нет границы раздела между разнородными материалами, которые могут преимущественно расслаиваться или подвергаться коррозии. Стержень деградирует, если вообще деградирует, равномерно и очень медленно.

На практике это имеет наибольшее значение для прибрежных объектов (высокое содержание хлоридов), кислых почв с pH ниже 5 и заболоченных почв с устойчиво высокой влажностью. Это условия, которые преждевременно разрушают альтернативы с медным покрытием. Для подстанций критической инфраструктуры -, заземления центров обработки данных и систем молниезащиты, где вызов технического обслуживания требует раскопок, правильными спецификациями являются сплошные медные стержни -. Типичный срок службы в нормальных грунтах составляет 40 лет и более.

Механический компромисс-реален: чистая медь мягкая, и проталкивание твердого медного стержня через каменистую или сильно утрамбованную глину рискует погнуть стержень до того, как он достигнет глубины. Стандартным способом смягчения последствий является предварительное-просверливание пилотного отверстия или использование забивной головки. Это не помеха, просто это необходимо учитывать при планировании установки.

Медные заземляющие стержни

Медный заземляющий стерженьэто то, что на самом деле устанавливает большая часть мира. Высокопрочный-стальной сердечник, соединенный снаружи слоем меди высокой-чистоты -, обеспечивает механическую прочность, позволяющую преодолевать сложные почвы без изгиба, а также проводимость и защиту от коррозии меди на поверхности, которая фактически контактирует с почвой.

Спецификация, определяющая, стоит ли покупать стержень с медным покрытием-, — это толщина медного слоя. UL 467, североамериканский стандарт соответствия оборудования для заземления и соединения, устанавливает минимум 0,010 дюйма (примерно 254 микрона). Этот минимум существует потому, что более тонкие слои меди не обеспечивают адекватной электрохимической защиты на границе раздела стали-с почвой. Когда медный слой разрушается, влага и кислород достигают стального сердечника, коррозия ускоряется, а сопротивление возрастает.

Именно здесь на самом деле существует риск-дешевого продукта. Стержни с медным покрытием-от производителей, соответствующих требованиям, выглядят идентично стержням от производителей, не-соответствующих требованиям. Визуально отличить их невозможно. Вы можете отличить их, только запросив у поставщиков отчеты об испытаниях поперечного сечения-, в которых показаны фактические измерения толщины медного слоя -, а не расчеты весового соотношения, которые являются менее надежным показателем. Если поставщик не может предоставить эту документацию, технические характеристики этого стержня практически не поддаются проверке.

Для большинства применений - электрическое заземление жилых и коммерческих помещений, заземление телекоммуникационных вышек, системы электрических ограждений, заземление опор распределительных линий - медные-стержни являются подходящим продуктом. Производительность достаточная, стоимость ниже, чем у цельной меди, установка проще.

Оцинкованные заземляющие стержни

Оцинкованные стержни имеют цинковое покрытие на стальном сердечнике. Цинк корродирует преимущественно и жертвенно защищает сталь под ним, что полезно, но цинк истощается быстрее, чем медь, в кислой или-влажной почве. Ожидаемый срок службы составляет около 15 лет в нормальных условиях, меньше в агрессивных средах.

Существует также проблема совместимости, которая бросается в глаза: медные проводники и оцинкованные (покрытые цинком-) стержни нельзя соединять без биметаллического зажима. Медь и цинк расположены далеко друг от друга в гальваническом ряду. Во влажной почвенной среде цинковое покрытие ускоряет собственную коррозию в точке контакта, именно там вам необходимо, чтобы соединение оставалось герметичным и проводящим. Если в проекте используются медные заземляющие проводники -, которые чаще всего представляют собой - оцинкованные стержни, возникает проблема совместимости, которую необходимо активно решать.

Оцинкованные стержни подходят для временных установок, приложений с низкой-критичностью в подтвержденной нейтральной почве или в ситуациях, когда бюджетные ограничения жесткие, а окружающая среда действительно щадящая.

Зажимы: компонент, в котором большинство покупателей ошибаются

Никто не говорит о зажимах так, как о стержнях, но выбор зажимов — это то место, где системы заземления незаметно выходят из строя. Зажим представляет собой постоянное механическое соединение в недоступном месте. Не требуется регулярного технического обслуживания, чтобы предотвратить разрушение сустава. Какой бы выбор ни был сделан при закупках, это то, с чем живет система.

Зажимы с болтовым соединением и U-болтом

Медный зажим заземляющего стержняв конфигурации U-болта — это наиболее распространенный в полевых условиях зажим -, состоящий из болта-и-седла, который прижимает проводник к стержню. Простой,-устанавливаемый на месте с помощью базовых инструментов, широко доступный. Это правильный выбор для соединений выше-уровней и доступных для осмотра-установок (жилые панели, над-точки заземления антенны).

Ограничением является расслабление болта. Термическое циклирование - стержня и проводника расширяется и сжимается в зависимости от изменений температуры в течение многих лет - постепенно ослабляет механическое соединение. Над землей техник может повторно затянуть его. Под землей они не могут. Для любого подземного соединения U-болтовые зажимы — неправильный выбор.

Зажим для медного заземляющего стержня VICTORY

Зажимы с параллельными канавками

Две канавки - одна для проводника, другая для стержня -, сжатого болтовым механизмом. Площадь контактной поверхности больше, чем у U-болта, поэтому сопротивление в месте соединения меньше. Обычно применяется при заземлении полюсных линий, где проводник проходит примерно параллельно стержню. Разумный вариант среднего-класса, при котором соединение будет доступно для проверки.

Компрессионные зажимы

Заводские-обжаты или-обжаты на проводнике перед сборкой. Обжим создает газонепроницаемый-интерфейс, для поддержания проводимости которого не требуется натяжение болтов. Компрессионные хомуты рассчитаны на прямое захоронение и удерживаются лучше, чем болтовые типы, в постоянно влажных подземных условиях. Когда соединение должно быть постоянным и заглубленным, а экзотермическая сварка невозможна, правильным решением будет правильно обжатый компрессионный зажим.

Желудевые зажимы

Названы в честь своей формы. Разработан специально для закапывания в землю поверх заземляющего стержня, подходит для проводов различных размеров, внесенных в список UL 467 для закапывания в землю и бетон. Стандартная спецификация для жилых и легких коммерческих объектов, где зажим опускается ниже уровня земли и остается там.

Экзотермическая сварка

Совсем не зажим - термитная реакция, которая сплавляет проводник и стержень в единую молекулярную связь. Полученное соединение имеет ту же проводимость, что и базовая медь, не может ослабнуть и не подвергнется коррозии в месте соединения. Для заземляющих сетей подстанций, промышленных объектов с высокими -точками короткого замыкания- и молниезащитных токоотводов стандарт IEEE Std 80 определяет экзотермическую сварку как предпочтительный метод соединения. Первоначальные затраты выше - специальные формы, пороховые заряды, обученный установщик -, но для постоянных-постоянных установок с высокими- ставками обоснование производительности является простым.

Стержень и зажим в зависимости от применения

Проблема гальванической коррозии, которую никто не включает в технические характеристики

Гальваническая коррозия возникает, когда два разнородных металла находятся в электрическом контакте во влажной среде. Менее благородный металл подвергается коррозии, чтобы защитить более благородный. Скорость зависит от того, насколько далеко друг от друга находятся два металла в гальваническом ряду и насколько проводящей является окружающая среда.

Наибольшее количество проблем в системах заземления вызывает соединение медного проводника на оцинкованном (оцинкованном-) стальном стержне с медным зажимом. Медь значительно более благородна, чем цинк. Во влажной почве цинковое покрытие разрушается в точке контакта - именно там, где механическое соединение должно оставаться герметичным. Соединение ослабевает и корродирует одновременно.

Чистое решение — сохранить всю систему в одном металлическом семействе:Медный зажим заземляющего стержняс медью илиМедный заземляющий стержень, полностью устраняя проблему совместимости. Если это невозможно, - если проект наследует существующую смешанную установку, - требуется биметаллический зажим, рассчитанный на конкретный металлический переход.

Стоит отметить корпус алюминиевого проводника: для медных стержней с алюминиевыми проводниками требуется зажим, специально рассчитанный на переход между медью-в-алюминием. Соединения алюминия-к-меди, не включенные в список, выйдут из строя из-за гальванической коррозии, и они сделают это быстрее в теплых и влажных условиях, где электрическая инфраструктура часто подвергается наибольшей нагрузке.

Справочник стандартов для трансграничных-закупок

Для крупномасштабных-закупок одних только сертификационных знаков недостаточно. Запросите отчеты об испытаниях, показывающие измерения толщины медного слоя в результате проверки поперечного-секции, особенно для стержней с медным-покрытием, полученных от новых поставщиков. Сертификационный знак указывает категорию продукта; в отчете об испытаниях указывается, соответствует ли конкретная партия спецификации.

Прежде чем разместить заказ: семь вопросов

Каково сопротивление грунта на этом участке? Высокое удельное сопротивление может потребовать использования нескольких стержней, большей глубины или нанесения состава для улучшения заземления вокруг электрода.

Что такое химический состав почвы? Прибрежная, кислая или заболоченная среда оправдывает использование твердой меди вместо-медной плакировки. Не используйте более дешевый вариант, а затем задайтесь вопросом, почему система нуждается в замене через пять лет.

На какие уровни тока повреждения рассчитана эта система? Подстанции и объекты тяжелой промышленности нуждаются в экзотермических сварных соединениях. Механические зажимы не рассчитаны на такую ​​же допустимую нагрузку по току повреждения.

Есть ли в этой установке смешанные металлы? Прежде чем выбирать зажимы, проверьте совместимость материалов. Ничего не предполагайте о том, что было установлено ранее, если это модернизация.

Будет ли зажимное соединение заглублено? Если да, то U-болтовые зажимы сняты со стола. Желудевые или компрессионные зажимы предназначены только для захоронения.

Какой стандарт регулирует эту установку? Убедитесь, что и стержень, и зажим имеют соответствующую маркировку. Одна из перечисленных и одна не указанная в списке сборка не являются совместимой сборкой.

Может ли поставщик предоставить документацию по отслеживанию? Для стержней с медным-покрытием, особенно, протоколы испытаний на толщину медного слоя являются единственной надежной проверкой качества, доступной на этапе закупки.

Система заземления работает лучше всего, когда ее забыли, - установили правильно, закопали и о ней больше не вспоминали в течение 30 или 40 лет. Решения, которые делают это возможным, принимаются до того, как первый стержень войдет в землю.

Часто задаваемые вопросы

Сплошная медь или-покрытая медью -, что именно следует указать?

Для большинства проектов правильным решением будет-покрытие медью. Электрические характеристики сопоставимы, механическая установка проще в твердом грунте, а разница в стоимости значительна в масштабе. Твердая медь становится подходящей спецификацией, когда почвенные условия действительно агрессивны - в прибрежных районах, постоянно кислые или заболоченные грунты - или когда установка находится в месте, где замена будет затруднена с эксплуатационной точки зрения. Не используйте по умолчанию твердую медь в качестве запаса прочности, если условия проекта не оправдывают этого. Обязательно требуйте проверенной толщины медного слоя от любого поставщика медного покрытия.

Действительно ли требуется наличие сертификата UL на зажиме или это просто предпочтение?

Для любой установки, регулируемой-NEC в Северной Америке, наличие сертификата UL 467 как на стержне, так и на зажиме является требованием норм, а не предпочтением. Инспекторы это проверяют. Помимо соответствия нормам, знак UL указывает на независимые испытания на допустимую нагрузку по току-, механическую прочность и коррозионную стойкость в условиях захоронения - — то, что действительно важно для подземного постоянного соединения.

Сколько заземляющих стержней необходимо для проекта?

NEC устанавливает минимальный уровень жилого помещения на уровне одного стержня, при этом второй требуется, если сопротивление первого превышает 25 Ом. Для систем электрического ограждения обычно требуются три стержня с медным-покрытием, расположенные на расстоянии не менее 10 футов для поддержания работоспособности ограждения. Системы заземления подстанций и промышленных предприятий рассчитываются на основе измерений удельного сопротивления почвы с использованием стандарта IEEE 80 -. Количество стержней является результатом процесса проектирования, а не эмпирическим правилом.

Может ли медный зажим напрямую соединяться с оцинкованным стержнем?

Не безопасно, нет. Медь и цинк гальванически несовместимы во влажной почве. Цинковое покрытие корродирует преимущественно в точке контакта -, которая является наиболее опасным местом для его выхода из строя. Либо используйте биметаллический зажим, рассчитанный на переход из цинка-в-медь, либо устраните проблему, указав повсюду медные или-стержни с медным покрытием и используя зажим для медного заземляющего стержня, предназначенный для соединения меди-к-меди.

Как проверить качество медного слоя на медном-стержне перед покупкой?

Попросите отчеты-металлургических испытаний поперечного сечения, показывающие фактические измерения толщины меди. Минимальный размер UL 467 составляет 0,010 дюйма (254 микрона). Тестирование весового соотношения — менее надежный метод, - он может маскировать слабые места с помощью технически приемлемого среднего значения. Визуальный осмотр бесполезен; Соответствующие и не-соответствующие стержни выглядят одинаково. Если поставщик отказывается предоставить документацию по испытаниям, воспринимайте это как сигнал качества.