TL;DR

Per què la resistivitat del sòl és el primer número que necessiteu

Abans d'especificar el diàmetre d'una vareta de terra, abans d'escollir entre acer recobert de coure i acer galvanitzat, i abans de calcular quantes varetes necessita una plataforma de subestació, necessiteu un número: la resistivitat del sòl al lloc d'instal·lació. Tota decisió de disseny posterior depèn d'aquesta mesura.

A Shibang, el nostre equip d'enginyeria revisa les especificacions de posada a terra de projectes en sis continents. La font més comuna de problemes de camp que trobem no és una vareta defectuosa o una mala connexió. És un sistema de posada a terra que es va dissenyar sense un estudi de resistivitat del sòl adequat. Els enginyers que se salten aquest pas acaben refent instal·lacions, afegint varetes suplementàries o aplicant esmenes de sòl mesos després de la data de posada en marxa original.

La resistivitat del sòl indica amb quina força s'oposa la terra al flux de corrent elèctric al vostre lloc. Un cim de turó sorrenc i sec al centre d'Austràlia podria registrar 2.000 ohms-metres. Un delta d'un riu ric en argila a Bangladesh podria llegir 30 ohms-metres. El mateix model de vareta de terra revestida de coure es comporta completament diferent en aquests dos entorns, i el disseny ha de reflectir aquesta diferència des del principi.

Els organismes de normalització ho reconeixen.Codis i estàndards de la NFPAmarc, juntament amb la IEC 62305 i l'IEEE 80, requereixen o recomanen fermament dades de resistivitat del sòl específiques del lloc abans de procedir al disseny del sistema de posada a terra. Podeu llegir més sobre els fonaments desistemes de posada a terrai comterra (electricitat)treballa en enginyeria elèctrica per entendre per què aquesta mesura ho impulsa tot.

Què mesura realment la resistivitat del sòl

La resistivitat del sòl quantifica l'oposició que una unitat de volum de sòl presenta al flux de corrent elèctric. Els enginyers l'expressen en ohm-metres (ohm-m). El nombre depèn de quatre factors principals:

Contingut d'humitat.L'aigua redueix dràsticament la resistivitat. El sòl sec pot llegir més de 1.000 ohms-m; el mateix sòl a capacitat de camp pot baixar per sota dels 100 ohms-m. És per això que les proves estacionals són importants i per això recomanem mesurar durant les condicions més seques previstes per dissenyar el pitjor marge possible al sistema.

Concentració d'ions.Les sals dissoltes a l'aigua del sòl augmenten la conductivitat. Els llocs costaners, les terres agrícoles amb un historial de fertilitzants i les salines del desert produeixen lectures de resistivitat més baixes que la sorra de quars pura. Els nostres registres de producció mostren que els clients de l'Orient Mitjà i el Nord d'Àfrica sovint treballen amb sòls sorrencs d'alta resistivitat que requereixen un augment químic.

Temperatura.La resistivitat augmenta a mesura que el sòl es refreda. El sòl congelat pot augmentar la resistivitat per un factor de deu o més en comparació amb el mateix sòl a 20 graus Celsius. Els projectes al nord del Canadà, Escandinàvia o Rússia han de tenir en compte la zona de profunditat de gelada i col·locar-hi varetes de terra a sota.

Composició i densitat del sòl.Les partícules d'argila es comporten millor que la sorra o la grava perquè retenen la humitat i els ions a la seva gran superfície. La roca, la lutita i el granit descompost varien molt. Un lloc amb una geologia en capes mostrarà una resistivitat diferent a diferents profunditats, per la qual cosa el perfil de resistivitat de profunditat és tan important com el mesurament de la superfície.

La prova de 4 punts de Wenner: com els enginyers mesuren la resistivitat del sòl al camp

El mètode Wenner de 4 punts continua sent la tècnica de camp estàndard de la indústria per a les proves de resistivitat del sòl. És senzill, portàtil i dóna resultats que s'incorporen directament als càlculs de disseny de la posada a terra. TestGuy ofereix un excel·lent tutorial deExplicació de les proves de resistivitat del sòlen detall pràctic.

Els nostres enginyers de camp segueixen aquest procediment en cada nova inspecció del lloc:

Pas 1: Disseny.Introduïu quatre elèctrodes equidistants a terra en línia recta. Etiqueteu-los com a C1, P1, P2 i C2 d'esquerra a dreta. L'espai entre cada parell adjacent és "a", i trieu aquest espai en funció de la profunditat del sòl que voleu investigar. Un espai d'1 metre us dóna una resistivitat mitjana sobre aproximadament els 0,5 metres superiors. Un espai de 10 metres sondeja fins a aproximadament 5 metres.

Pas 2: Injectar corrent.Connecteu un provador de resistència de terra (com ara un Megger de la sèrie DET o un Fluke 1621) als elèctrodes exteriors (C1 i C2). L'instrument injecta un corrent altern conegut a través del sòl entre ells.

Pas 3: Mesurar el potencial.L'instrument mesura la diferència de voltatge entre els elèctrodes interns (P1 i P2). Aquesta caiguda de voltatge, dividida pel corrent injectat, dóna el valor de la resistència R.

Pas 4: Calcula.Aplica la fórmula de Wenner:

Resistivitat (rho) = 2 x pi xax R

on «a» és l'espai entre elèctrodes en metres i R és la resistència mesurada en ohms. El resultat és la resistivitat del sòl en ohms-m.

Perfil de profunditat.Repetiu la prova a múltiples espaiaments (1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m) per construir un perfil de resistivitat versus profunditat. Aquest perfil revela si existeix una capa conductora més profunda sota terra, cosa que podria justificar la col·locació de varetes de conducció a 3 metres en lloc dels 2,4 metres estàndard.

Quan fer la prova.Especifiquem les proves en les condicions estacionals més seques previstes, ja que els sistemes de posada a terra han de funcionar durant tot l'any. Les proves només durant l'estació humida donen xifres optimistes que no reflecteixen les pitjors condicions d'estiu o de sequera.

Una instal·lació petroquímica a la província oriental de l'Aràbia Saudita va mesurar una resistivitat superficial del sòl de 1.800 Ω·m durant l'estació seca. Després que el nostre equip tècnic especifiqués tres varetes revestides de coure de 3 metres (AF-0232, capa de coure de 0,254 mm) introduïdes a 5 metres de profunditat amb un espaiament de 6 metres, la resistència de terra mesurada va baixar a 3,8 Ω, molt per sota de l'objectiu de 5 Ω requerit per la norma IEC 62305 per a la protecció contra llamps dels tancs d'emmagatzematge.

Com la resistivitat del sòl impulsa la selecció de la vareta de terra

Un cop tingueu les dades de resistivitat del sòl, podeu seleccionar la vareta de terra adequada amb confiança. El número de resistivitat us indica tres coses: quin material resistirà la corrosió durant més temps en aquest sòl, quina geometria de la vareta (diàmetre i longitud) necessiteu i si una sola vareta aconseguirà la resistència de terra objectiu o si necessiteu diverses varetes en una matriu.

Aquest és el marc general que utilitzem a Shibang quan assessorem els clients:

Aquesta taula és un punt de partida, no un substitut del disseny detallat. L'enginyer també ha de tenir en compte el pH del sòl, el contingut de clorur, els nivells de sulfat i la variació d'humitat per fer l'elecció final del material. A la secció següent, explicarem més detalladament la compatibilitat de materials.

El nostrevareta de terra revestida de coureLa gamma (model AF-0232) cobreix diàmetres de 14,2 mm a 25 mm (de 5/8 de polzada a 3/4 de polzada) i longituds d'1,2 m a 3,0 m (de 4 peus a 10 peus). La capa de coure mesura almenys 0,254 mm de gruix amb una puresa del 99,95% o superior, unida a un nucli d'acer baix en carboni. Això confereix a la vareta una alta resistència a la tracció (almenys 580 N/mm) per a la seva implantació, mantenint alhora la resistència a la corrosió del coure en la majoria de tipus de sòl. Certifiquem aquesta línia de productes segons la norma ISO 9001:2008.

A principis del 2023, un enginyer de projecte d'una subestació de 132 kV a Tamil Nadu va especificar varetes galvanitzades per reduir el pes de l'adquisició per a un lloc remot al cim d'un turó. Quan el nostre equip va revisar l'informe del sòl (sòl de laterita, pH 4,8, resistivitat 280 Ω·m a 3 metres de profunditat), vam aconsellar canviar a varetes revestides de coure malgrat el pes per unitat més elevat. El raonament: el baix pH i l'alt contingut d'òxid de ferro de la laterita acceleren la corrosió del zinc, i la ubicació remota encareix la logística de substitució de les varetes en el futur. L'enginyer va acceptar la recomanació. Dos anys després de la instal·lació, les lectures de resistència de terra es mantenen estables a 1,6 Ω.

Adaptació del material de la vareta de terra a les condicions del sòl

Els fabricants de varetes de terra ofereixen diverses opcions de materials, i cadascuna s'adapta a un conjunt particular de condicions del sòl. A continuació us expliquem com les combinem:

Barres d'acer revestides de coure

Les varetes revestides de coure combinen un nucli d'acer (per a la resistència mecànica i la durabilitat de la conducció) amb una gruixuda capa exterior de coure (per a la resistència a la corrosió i la baixa resistència al contacte amb el sòl). Les nostresvareta de terra revestida de coureEls models utilitzen un procés continu d'unió de coure, no un recobriment prim. Això és important en sòls agressius on una capa de coure recoberta o soldada es pot delaminar amb el temps.

Les varetes revestides de coure funcionen millor en sòls neutres a alcalins (pH de 6 a 9) amb humitat moderada. Resisteixen la corrosió de la majoria de les composicions químiques del sòl i mantenen una resistència estable a la terra durant dècades. Les especifiquem per a centrals elèctriques, subestacions, torres de línies de transmissió, estacions base de comunicacions, aeroports, ferrocarrils, edificis alts i refineries de petroli. L'especificació de vida útil supera els 50 anys en condicions normals del sòl.

Barres d'acer galvanitzat

El preu de les varetes galvanitzades (revestides de zinc) és inferior al de les revestides de coure, i proporcionen una protecció acceptable contra la corrosió en sòls alcalins. Les nostres dades de fabricació i de camp mostren, però, que el zinc es dissol més ràpidament que el coure en sòls àcids (pH inferior a 5) i en sòls amb un alt contingut de sulfat. Hem documentat múltiples casos en què les varetes galvanitzades en sòls agressius van fallar molt abans de la vida útil prevista, per això aconsellem als clients de regions tropicals o afectades per la pluja àcida que triïn el revestiment de coure en lloc del galvanitzat per a qualsevol projecte amb una vida útil de disseny de 25 anys o més.

Els nostres registres de garantia d'un enviament del 2019 a un lloc costaner al sud del Vietnam mostren que les varetes galvanitzades instal·lades en sòl amb un pH de 5,2 i una resistivitat de 120 Ω·m van començar a mostrar corrosió superficial visible en 18 mesos. El recobriment de zinc s'havia aprimat dels 86 micres especificats a menys de 40 micres a la interfície sòl-aire. Vam substituir tota la instal·lació de 240 varetes per unitats revestides de coure al nostre cost sota garantia, i les varetes de recanvi han estat en servei durant més de cinc anys sense cap degradació mesurable.

Elèctrodes de connexió a terra química

Quan la resistivitat del sòl es manté per sobre dels 500 ohm-m fins i tot a profunditat, una vareta nua per si sola no pot assolir els valors de resistència objectiu.Elèctrodes de posada a terra químicaompliu aquest buit. Aquestes unitats contenen un tub de coure buit ple de sals minerals que es filtren lentament al sòl circumdant, reduint la resistivitat local durant mesos i anys. Mantenen el rendiment en entorns àrids i rocosos on la humitat natural és escassa.

Subministrem elèctrodes químics a projectes a l'Orient Mitjà, el nord d'Àfrica i el centre d'Austràlia. En una instal·lació típica, el tècnic perfora un forat, insereix l'elèctrode, l'omple amb un compost conductor i connecta l'elèctrode a la xarxa principal de terra. Amb el temps, la difusió de la sal crea una envoltant de baixa resistivitat al voltant de l'elèctrode.

Mòduls de terra

Mòduls de terraofereixen un altre enfocament per a sòls difícils. Aquestes unitats prefabricades combinen un conductor metàl·lic amb un cos circumdant de material conductor (sovint un compost a base de carboni o argila). Els enginyers les enterren en punts estratègics de la xarxa de terra per reduir la resistència local sense l'atenció de manteniment que de vegades requereixen els elèctrodes químics.

Els mòduls de terra funcionen bé en perfils de sòl mixtos on hi ha una capa conductora però és massa poc profunda per a l'accionament convencional de varetes. Hem enviat mòduls de terra a estacions de retransmissió al cim de les muntanyes dels Andes, instal·lacions de radar al desert d'Oman i subestacions de parcs eòlics costaners al Vietnam.

Navega per totes les opcions

El nostre completcategoria de piques de terra i piques de terraCobreix configuracions de coure recobert, galvanitzat, acer inoxidable i especials. L'elecció correcta depèn del vostre informe de química del sòl, la vostra resistència objectiu i la vida útil prevista de la instal·lació.

Profunditat d'instal·lació, diàmetre de la vareta i la regla de les varetes múltiples

Les dades de resistivitat del sòl també guien tres paràmetres de disseny físic: la profunditat a la qual cal clavar la vareta, quin diàmetre cal utilitzar i quantes varetes cal instal·lar.

Profunditat

Les varetes més profundes arriben a les capes del sòl que contenen més humitat i menys resistivitat. Una instal·lació residencial estàndard podria utilitzar una vareta de 2,4 metres (8 peus). Una malla de posada a terra de subestació sovint especifica varetes de 3 metres (10 peus). En regions d'alta resistivitat, els enginyers de vegades condueixen varetes a 6 metres o més acoblant diverses seccions.

Les nostres varetes revestides de coure presenten un màniguet d'acoblament que permet la unió de seccions in situ. Una vareta de 3 metres amb una extensió d'1,5 metres arriba als 4,5 metres. L'acoblament manté l'especificació de rectitud (error d'1 mm/m o menys) a través de la unió, de manera que la vareta no es doblega durant la conducció.

Diàmetre

El diàmetre de la vareta de terra afecta tant la durabilitat mecànica durant la instal·lació com la vida útil a llarg termini. Una vareta de 14,2 mm (5/8 de polzada) és adequada per a la majoria d'instal·lacions residencials i comercials lleugeres on un cargol o un trepant percutor fa l'empenta. Una vareta de 25 mm (3/4 de polzada) suporta les càrregues mecàniques més elevades de la clavada profunda en sòl compactat o rocós i proporciona més superfície de coure per al marge de corrosió.

Els nostres registres de producció mostren que les varetes de 5/8 polzades representen la major part del volum en projectes de clima temperat (Amèrica del Nord, Europa, Àsia Oriental), mentre que les varetes de 3/4 polzades tenen una major demanda en projectes de l'Orient Mitjà i Austràlia, on és habitual la perforació més profunda en sòls més durs.

Matrius de diverses barres

Quan una sola vareta no pot assolir la resistència de terra objectiu, afegiu varetes. La regla general: espaieu les varetes adjacents com a mínim igual a la seva profunditat clavada. Per a varetes de 3 metres, utilitzeu un espaiament mínim de 3 metres. Aquest espaiament evita que les zones de reducció de resistència al voltant de cada vareta se superposin massa.

La resistència combinada d'un conjunt de diverses barres no és simplement la resistència d'una sola barra dividida pel nombre de barres. La interacció sòl-sòl redueix l'eficiència. Un conjunt de dues barres aconsegueix aproximadament el 60% de la resistència d'una sola barra, no el 50%. Un conjunt de tres barres arriba aproximadament al 45-50%. Aquestes són xifres aproximades; la relació real depèn de l'homogeneïtat de la resistivitat del sòl i de l'espaiat de les barres.

Set defectes de connexió a terra que el nostre laboratori de fàbrica troba en fulls d'especificacions retornats

Després de més de 17 anys fabricant productes de posada a terra i donant suport a projectes a tot el món, el nostre equip ha catalogat defectes recurrents d'especificació i instal·lació que apareixen en investigacions de garantia i avaluacions posteriors de projectes en diferents països i sectors. Els set errors següents expliquen la majoria de les fallades prematures de les varetes i les lectures de resistència a terra de baix rendiment que trobem:

Ometre l'estudi de resistivitat del sòl.De vegades, els enginyers utilitzen per defecte els valors del sòl dels llibres de text per a una regió en comptes de provar el lloc real. Fins i tot dins d'una sola propietat, la resistivitat pot variar per un factor de cinc entre l'extrem nord i l'extrem sud a causa dels patrons de drenatge, l'historial de farciment o la profunditat de la roca mare.

Proves només a una profunditat.Una sola prova de Wenner a un espaiament no us diu gairebé res sobre el perfil en capes sota terra. Proveu sempre a un mínim de tres espaiaments per identificar les capes conductores, les capes resistives i la transició entre elles.

Ignorant la variació estacional.Fer proves només durant l'estació de pluges dóna resultats enganyosos. Els sistemes de posada a terra han de funcionar en les condicions més seques, calentes i fredes que experimentarà l'emplaçament. Aconsellem als clients que facin proves com a mínim dues vegades: una durant l'estació de pluges i una altra durant l'estació seca.

Diàmetre de vareta infraespecificat.Utilitzar la vareta més petita disponible per minimitzar el pes del material pot semblar raonable sobre el paper, però en sòl dur o rocós, una vareta prima es doblega, es deforma o es trenca durant la construcció. Això fa perdre temps d'instal·lació i deixa el sistema mal dissenyat. Especifiquem varetes de 3/4 de polzada (25 mm) per a qualsevol lloc amb condicions rocoses o compactades.

Oblidant-se de l'acoblament.Quan els enginyers necessiten profunditats de vareta de 4,5 metres o 6 metres, de vegades intenten soldar dues seccions de vareta juntes. La soldadura destrueix la capa de coure a la unió, creant un punt calent de corrosió que falla en anys. Utilitzeu sempre un acoblament mecànic dissenyat específicament que preservi la continuïtat de la jaqueta de coure.

Negligir la qualitat de la connexió.La millor vareta de terra del món és inútil si la connexió al conductor és fluixa, corroïda o feta amb metalls incompatibles. Les connexions de coure a coure amb soldadures exotèrmiques o connectors mecànics homologats mantenen la integritat a llarg termini. La barreja de varetes de coure amb brides galvanitzades en un ambient humit crea una cel·la de corrosió galvànica que destrueix la connexió amb el temps.

No llegir la química del sòl.La resistivitat per si sola no prediu la corrosió. Un sòl amb una resistivitat moderada (300 ohm-m) però amb un contingut alt de sulfat i un pH baix atacarà el coure més ràpidament del que s'esperava. Combineu sempre la prova de resistivitat amb una anàlisi química del sòl (pH, clorurs, sulfats, contingut d'humitat) per seleccionar correctament el material de la vareta.

El nostre laboratori de qualitat a Xinchang realitza una prova de polvorització salina (ASTM B117) a cada nou lot de producció de barres revestides de coure. En els darrers 47 lots (N = 47, que representen aproximadament 235.000 barres individuals), el gruix mitjà de la capa de coure va ser de 0,268 mm amb una desviació estàndard de 0,012 mm. Cap lot va caure per sota del mínim de 0,254 mm. La durada de la prova de corrosió és de 1.000 hores i cap lot ha mostrat exposició al metall base dins d'aquesta finestra.

Preguntes freqüents

Per veure la gamma completa de productes de connexió a terra fabricats a les nostres instal·lacions, visiteu la nostracategoria de piques de terra i piques de terrapàgina. També podeu llegir sobrequè és la connexió a terra i per què és importantde recursos industrials més amplis.