要約

土壌抵抗率が最初に必要な数値である理由

接地棒の直径を指定する前、銅被覆鋼と亜鉛メッキ鋼のどちらを選ぶかを決める前、変電所の設置場所に必要な接地棒の本数を計算する前に、まず必要な数値が一つあります。それは、設置場所の土壌抵抗率です。その後の設計上のあらゆる決定は、この測定値に左右されます。

シバンでは、エンジニアリングチームが6大陸にわたるプロジェクトの接地仕様を精査しています。現場で発生する問題で最も多いのは、接地棒の欠陥や接続不良ではなく、適切な土壌抵抗率調査を行わずに設計された接地システムです。この手順を省略したエンジニアは、当初の試運転日から数か月後に、設置工事のやり直し、補助接地棒の追加、土壌改良などを行う羽目になります。

土壌抵抗率は、設置場所の土壌が電流の流れにどれだけ強く抵抗するかを示します。オーストラリア中央部の砂地で乾燥した丘陵地では、2,000オームメートルという値を示すかもしれません。一方、バングラデシュの粘土質の河川デルタでは、30オームメートルという値を示すかもしれません。同じ銅被覆接地棒モデルでも、これら2つの環境では全く異なる挙動を示すため、設計段階でその違いを考慮に入れる必要があります。

標準化団体はこれを認識している。NFPAの規格と基準フレームワークは、IEC 62305 および IEEE 80 とともに、接地システムの設計を進める前に、サイト固有の土壌抵抗率データを要求するか、強く推奨しています。接地システムそしてどのように接地（電気）この測定値がなぜあらゆることを動かすのかを理解するために、電気工学の分野で研究を行っている。

土壌抵抗率とは実際に何を測定しているのか

土壌抵抗率は、単位体積の土壌が電流の流れに対して示す抵抗を定量化したものです。技術者はこれをオームメートル（Ω-m）で表します。この値は主に次の4つの要因によって決まります。

水分含有量。水は抵抗率を劇的に低下させます。乾燥した土壌では1,000Ωmを超える抵抗率を示すことがありますが、同じ土壌でも圃場容水量では100Ωmを下回る場合があります。これが季節ごとの検査が重要であり、最悪の事態を想定した設計を行うために、最も乾燥したと予想される時期に測定することをお勧めする理由です。

イオン濃度。土壌水に溶け込んだ塩類は導電率を高めます。沿岸地域、肥料散布歴のある農地、砂漠の塩田などは、純粋な石英砂よりも低い抵抗率を示します。当社の生産記録によると、中東および北アフリカのお客様は、化学肥料による改良が必要な高抵抗率の砂質土壌に頻繁に直面しています。

温度。土壌の温度が下がると、抵抗率が上昇します。凍結した土壌は、摂氏20度の同じ土壌と比較して、抵抗率が10倍以上に急上昇することがあります。カナダ北部、スカンジナビア、またはロシアでのプロジェクトでは、凍結深度帯を考慮し、その深度より下に接地棒を設置する必要があります。

土壌の組成と密度。粘土粒子は、表面積が大きいため水分やイオンを保持しやすく、砂や砂利よりも導電性に優れています。岩石、頁岩、風化した花崗岩は種類によって大きく異なります。層状地質の場所ではその地層によって抵抗率が異なるため、地表での測定と同様に深度方向の抵抗率測定も重要になります。

ウェンナー4点試験：技術者が現場で土壌抵抗率を測定する方法

ウェンナー4点法は、土壌抵抗率試験の業界標準の現場技術です。この方法は簡単で持ち運びやすく、接地設計計算に直接反映される結果が得られます。TestGuyは優れた解説を提供しています。土壌抵抗率試験の説明具体的な詳細について。

当社の現場エンジニアは、新規の現場調査を行う際に必ず以下の手順に従います。

ステップ1：レイアウト。等間隔に4本の電極を地面に一直線に打ち込みます。左から順にC1、P1、P2、C2とラベルを付けます。隣接する電極間の間隔を「a」とします。この間隔は、調査したい土壌の深さに応じて選択します。1メートル間隔では、地表から約0.5メートルまでの平均的な抵抗率が得られます。10メートル間隔では、約5メートルまでの深さを測定できます。

ステップ2：電流を注入する。接地抵抗計（Megger DETシリーズやFluke 1621など）を外側電極（C1とC2）に接続します。この機器は、電極間の土壌に既知の交流電流を流します。

ステップ3：潜在能力を測定する。この装置は、内部電極（P1とP2）間の電圧差を測定します。この電圧降下を注入電流で割ると、抵抗値Rが得られます。

ステップ4：計算する。ウェンナーの公式を適用する：

抵抗率 (ρ) = 2 × π × ax R

ここで、「a」は電極間隔（メートル）、Rは測定抵抗（オーム）である。結果は土壌抵抗率（オームメートル）となる。

深度プロファイリング。抵抗率と深度の関係を示すプロファイルを作成するために、複数の間隔（1m、2m、5m、10m、20m）で試験を繰り返します。このプロファイルにより、地下深くに導電層が存在するかどうかが明らかになり、標準的な2.4メートルではなく3メートルまで探査棒を打ち込むことが正当化される可能性があります。

いつ検査を行うべきか。接地システムは年間を通して機能する必要があるため、最も乾燥した季節条件を想定して試験を実施することを規定しています。雨季のみに試験を実施しても、最悪の夏季や干ばつ時の状況を反映しない、楽観的な数値しか得られません。

サウジアラビア東部州にある石油化学プラントでは、乾季に地表土壌の抵抗率が1,800Ω・mと測定されました。そこで、当社の技術チームが、長さ3メートルの銅被覆棒（AF-0232、銅層厚0.254mm）3本を6メートル間隔で深さ5メートルまで打ち込んだところ、測定された地盤抵抗は3.8Ωまで低下しました。これは、貯蔵タンクの雷保護に関するIEC 62305で要求される5Ωの目標値を大幅に下回る値です。

土壌抵抗率が接地棒の選定にどのように影響するか

土壌抵抗率のデータが得られれば、自信を持って適切な接地棒を選択できます。抵抗率の数値は、その土壌で最も長く腐食に耐える材料、必要な接地棒の形状（直径と長さ）、そして1本の接地棒で目標の接地抵抗値を達成できるか、それとも複数の接地棒を配列する必要があるか、という3つのことを示しています。

以下は、Shibangがクライアントにアドバイスを行う際に用いる一般的な枠組みです。

この表はあくまで出発点であり、詳細設計の代わりとなるものではありません。最終的な材料選定にあたっては、土壌のpH、塩化物含有量、硫酸塩濃度、水分変動なども考慮する必要があります。材料の適合性については、次のセクションで詳しく説明します。

私たちの銅被覆接地棒本製品シリーズ（型番AF-0232）は、直径14.2mm～25mm（5/8インチ～3/4インチ）、長さ1.2m～3.0m（4フィート～10フィート）に対応しています。銅層は厚さ0.254mm以上、純度99.95%以上で、低炭素鋼コアに接合されています。これにより、ほとんどの土壌タイプにおいて銅の耐食性を維持しながら、打ち込みに必要な高い引張強度（580N/mm以上）を実現しています。本製品ラインはISO 9001:2008の認証を取得しています。

2023年初頭、タミル・ナードゥ州の132kV変電所のプロジェクトエンジニアは、遠隔地の丘の上にある現場の調達重量を軽減するため、亜鉛メッキ鋼棒を指定しました。私たちのチームが土壌調査報告書（ラテライト土壌、pH 4.8、3メートル深での抵抗率280Ω・m）を確認したところ、単位重量は高くなりますが、銅被覆鋼棒への切り替えを推奨しました。その理由は、ラテライト土壌の低いpHと高い酸化鉄含有量により亜鉛の腐食が促進されること、そして遠隔地であるため将来の鋼棒交換の物流コストが高くなるためです。エンジニアはこの推奨を受け入れました。設置から2年が経過しましたが、接地抵抗値は1.6Ωで安定しています。

接地棒の材質を土壌条件に合わせる

接地棒メーカーは様々な材質の選択肢を提供しており、それぞれ特定の土壌条件に適合します。当社では、以下のように適合性を判断しています。

銅被覆鋼棒

銅被覆ロッドは、鋼鉄製の芯（機械的強度と打ち込み耐久性のため）と厚い銅の外層（耐腐食性と土壌との接触抵抗の低減のため）を組み合わせたものです。銅被覆接地棒このモデルは、薄いメッキではなく、連続的な銅接合プロセスを採用しています。これは、腐食性の高い土壌では、メッキまたは溶接された銅層が時間の経過とともに剥離する可能性があるため、重要な点です。

銅被覆ロッドは、中性から弱アルカリ性（pH6～9）で適度な水分を含む土壌で最も効果を発揮します。ほとんどの土壌化学組成による腐食に強く、数十年にわたり安定した接地抵抗を維持します。発電所、変電所、送電線鉄塔、通信基地局、空港、鉄道、高層ビル、石油精製所などでの使用を想定しています。通常の土壌条件下での耐用年数は50年を超えます。

亜鉛メッキ鋼棒

当社では、亜鉛メッキ（亜鉛被覆）ロッドを銅被覆ロッドよりも低価格で提供しており、アルカリ性土壌では十分な防食効果を発揮します。しかしながら、当社の製造データおよび現場データによると、亜鉛は酸性土壌（pH5未満）および硫酸塩含有量の多い土壌では銅よりも早く溶解することが分かっています。腐食性の高い土壌において、亜鉛メッキロッドが想定耐用年数よりもはるかに早く破損した事例を複数確認しており、そのため、熱帯地域や酸性雨の影響を受ける地域のお客様には、設計耐用年数が25年以上のプロジェクトでは、亜鉛メッキロッドよりも銅被覆ロッドを選択することをお勧めしています。

2019年にベトナム南部沿岸地域に出荷した際の保証記録によると、pH5.2、抵抗率120Ω・mの土壌に設置された亜鉛メッキ鋼棒に、18ヶ月以内に目に見える表面腐食が発生し始めました。亜鉛めっき層は、規定の86ミクロンから土壌と空気の界面で40ミクロン未満にまで薄くなっていました。当社は保証に基づき、240本の鋼棒すべてを銅被覆鋼棒に無償で交換しました。交換後の鋼棒は現在5年以上使用されており、目立った劣化は見られません。

化学接地電極

土壌抵抗率が深部でも500オームメートルを超える場合、裸の棒だけでは目標抵抗値を達成することはできません。化学接地電極このギャップを埋める。これらのユニットは、鉱物塩を充填した中空の銅管を備えており、それが周囲の土壌にゆっくりと浸透し、数ヶ月から数年かけて局所的な抵抗率を低下させる。自然の水分が乏しい乾燥した岩だらけの環境でも性能を維持する。

当社は中東、北アフリカ、オーストラリア中央部の各プロジェクトに化学電極を供給しています。一般的な設置手順では、技術者がボーリング孔を掘削し、電極を挿入し、導電性化合物で埋め戻し、電極を主接地グリッドに接続します。時間の経過とともに、塩の拡散によって電極の周囲に低抵抗の層が形成されます。

地上モジュール

地上モジュール難地向けには、別のアプローチが提案されています。これらの既製ユニットは、金属導体と周囲の導電性材料（多くの場合、炭素系または粘土系の化合物）を組み合わせたものです。技術者は、化学電極のようにメンテナンスの手間をかけずに局所抵抗を低減するために、接地グリッドの戦略的な場所にこれらのユニットを埋設します。

接地モジュールは、導電層が存在するものの、従来のロッド打ち込みには浅すぎる混合土壌において優れた性能を発揮します。当社は、アンデス山脈の山頂にある中継局、オマーンの砂漠地帯にあるレーダー施設、ベトナムの沿岸風力発電所の変電所などに接地モジュールを納入してきました。

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完全な接地棒およびアース棒のカテゴリー銅被覆、亜鉛メッキ、ステンレス鋼、および特殊仕様など、様々な材質に対応しています。最適な選択は、土壌化学分析結果、目標とする抵抗値、および設置後の耐用年数によって異なります。

設置深さ、ロッド径、およびマルチロッドルール

土壌抵抗率データは、ロッドを打ち込む深さ、使用するロッドの直径、設置するロッドの本数という、3つの物理的な設計パラメータを決定する上でも役立ちます。

深さ

より深く打ち込まれた接地棒は、水分を多く含み抵抗率の低い土壌層に到達します。一般的な住宅用接地設備では、2.4メートル（8フィート）の接地棒が使用されることがあります。変電所の接地グリッドでは、3メートル（10フィート）の接地棒が指定されることがよくあります。抵抗率の高い地域では、複数の接地棒を連結して6メートル以上まで打ち込む場合もあります。

当社の銅被覆ロッドは、現場での接合を可能にするカップリングスリーブを備えています。3メートルのロッドに1.5メートルの延長部を取り付けることで、全長4.5メートルになります。このカップリングにより、接合部全体にわたって真直度仕様（誤差1mm/m以下）が維持されるため、打ち込み中にロッドが座屈することはありません。

直径

接地棒の直径は、設置時の機械的耐久性と長期的な腐食寿命の両方に影響します。14.2 mm (5/8 インチ) の接地棒は、ドライバーやハンマードリルで打ち込むほとんどの住宅および軽商業施設での設置に適しています。25 mm (3/4 インチ) の接地棒は、固く締まった土壌や岩の多い土壌への深打ちによる高い機械的負荷に対応し、腐食マージンを確保するための銅の表面積も大きくなります。

当社の生産記録によると、温帯気候のプロジェクト（北米、ヨーロッパ、東アジア）では5/8インチのロッドが大部分の量を占めており、一方、中東やオーストラリアのプロジェクトでは、より硬い土壌への深打ちが一般的であるため、3/4インチのロッドの需要が高くなっています。

マルチロッドアレイ

1本のロッドでは目標の接地抵抗値に達しない場合は、ロッドを追加します。一般的なルールは、隣接するロッドの間隔を、少なくとも打ち込み深さと同じ間隔にすることです。3メートルのロッドの場合は、少なくとも3メートルの間隔を空けてください。この間隔により、各ロッド周辺の抵抗低減ゾーンが過度に重なり合うのを防ぎます。

複数ロッドアレイの合成抵抗は、単に単一ロッドの抵抗をロッド数で割った値ではありません。土壌間の相互作用によって効率が低下します。2本のロッドアレイでは、単一ロッドの抵抗の約60%が得られ、50%ではありません。3本のロッドアレイでは、約45～50%に達します。これらは概算値であり、実際の比率は土壌抵抗率の均一性とロッドの間隔によって異なります。

工場研究所が返品された仕様書から発見した7つの接地不良

17年以上にわたり接地製品の製造と世界各地でのプロジェクト支援を行ってきた当社チームは、国や業界を問わず、保証調査やプロジェクト事後検証で繰り返し発生する仕様および設置上の欠陥をカタログ化してきました。当社が遭遇する接地棒の早期破損や接地抵抗値の低さの大部分は、以下の7つのエラーに起因しています。

土壌抵抗率調査は省略する。技術者は、実際の現場調査を行わずに、その地域の教科書的な土壌値に安易に頼ってしまうことがある。しかし、同じ敷地内であっても、排水パターン、盛土の履歴、岩盤の深さなどによって、北端と南端では比抵抗が5倍も異なる場合がある。

試験は1つの深度でのみ実施する。1つの間隔で1回のウェンナー試験を行っただけでは、地下の地層構造についてほとんど何も分かりません。導電層、抵抗層、およびそれらの間の遷移層を特定するには、必ず最低3つの間隔で試験を実施してください。

季節変動は無視する。雨季のみの試験では、誤った結果が生じる可能性があります。接地システムは、設置場所が経験する最も乾燥した、最も暑い、そして最も寒い条件下でも正常に機能する必要があります。お客様には、雨季と乾季にそれぞれ1回ずつ、少なくとも2回の試験を実施することをお勧めします。

ロッド径の仕様が不十分である。材料重量を最小限に抑えるために、入手可能な最小径のロッドを使用することは、理論上は合理的であるように思えるかもしれません。しかし、硬い土壌や岩の多い土壌では、細いロッドは打ち込み中に曲がったり、座屈したり、折れたりします。これは設置時間の無駄になり、システムの設計が不十分なままになってしまいます。岩の多い場所や固く締まった土壌の現場では、3/4インチ（25mm）のロッドを指定しています。

カップリングのことを忘れて。技術者が4.5メートルまたは6メートルの深さのロッドを必要とする場合、2本のロッドを溶接しようとすることがあります。しかし、溶接は接合部の銅層を破壊し、腐食のホットスポットを作り出し、数年以内に破損につながります。銅被覆の連続性を維持できる、専用設計の機械式カップリングを必ず使用してください。

接続品質を軽視している。世界最高水準の接地棒であっても、導体との接続部が緩んでいたり、腐食していたり​​、あるいは互換性のない金属で接続されていたりすれば、役に立ちません。発熱溶接または認定された機械式コネクタを用いた銅同士の接続は、長期的な接続の完全性を維持します。湿気の多い環境で銅製の接地棒と亜鉛メッキされたクランプを併用すると、ガルバニック腐食が発生し、時間の経過とともに接続部が破壊されます。

土壌化学分析を読まない。抵抗率だけでは腐食を予測することはできません。抵抗率が中程度（300Ω・m）でも、硫酸塩含有量が高くpHが低い土壌は、予想以上に早く銅を腐食させます。適切なロッド材料を選択するためには、抵抗率試験と土壌化学分析（pH、塩化物、硫酸塩、水分含有量）を必ず併用してください。

新昌にある当社の品質管理ラボでは、銅被覆棒の新規生産バッチごとに塩水噴霧試験（ASTM B117）を実施しています。過去47バッチ（N=47、約23万5000本の棒に相当）において、銅層の平均厚さは0.268mm、標準偏差は0.012mmでした。0.254mmの最小値を下回ったバッチはありませんでした。腐食試験の期間は1000時間で、その期間中に母材の露出が認められたバッチはありませんでした。

よくある質問

当社工場で製造されている接地製品の全ラインナップについては、こちらをご覧ください。接地棒およびアース棒のカテゴリーページ。グラウンディングとは何か、そしてなぜそれが重要なのかより広範な業界リソースから。