В начале 2023 года нам позвонил электромонтажник из Абуджи, Нигерия. Он забил четыре цельных медных заземляющих стержня длиной 2,4 м в латеритный грунт на новой площадке телекоммуникационной вышки. Сопротивление всех четырех стержней превысило 25 Ом — значительно выше требуемых в спецификации 5 Ом. У него не было инструмента для забивки стержней большей длины (3 м), а ближайший поставщик стержней увеличенной длины находился в Лагосе, в 700 км. Мы отправили ему комплекты секционных стержней и латунные соединители. Две недели спустя его команда забила те же стержни на глубину 6 м с помощью стандартного роторного молотка, и измеренное сопротивление составило 4,2 Ом. Этот проект изменил наше представление о выборе между цельными и секционными стержнями: это не вопрос предпочтений, а вопрос того, что позволяют грунт, оборудование и доступ к площадке.

Секционные или цельные: решение не зависит от личных предпочтений.

Аргумент в пользу цельных стержней прост и обоснован: отсутствие соединений означает отсутствие слабых мест. Один медный стержень длиной 2,4 м, вбитый прямо во влажную глину, прослужит дольше, чем ваше здание, и стоит дешевле, чем секционная конструкция той же длины. Мы по-прежнему продаем больше цельных стержней, чем секционных комплектов, и на то есть веские причины: для неглубоких установок в грунтах с низким сопротивлением они являются оптимальным выбором.

Однако за 17 лет производства заземляющих изделий мы наблюдали устойчивую закономерность: проекты, которые возвращаются к нам с проблемами высокого сопротивления, почти всегда представляют собой цельные установки в сухой, каменистой или песчаной почве, где подрядчик забил стержень на всю длину и остановился — потому что у него не было возможности забить его глубже.секционный заземляющий стерженьустраняет это ограничение. Каждый сегмент имеет длину 1,2 м и соединен между собой.резьбовые соединителиИ вы продолжаете добавлять сегменты, пока показания измерителя сопротивления не окажутся ниже целевого значения. У нас есть клиенты в Саудовской Аравии, которые собирали секционные стержни длиной до 9 м в пустынном песке, и клиенты в Демократической Республике Конго, которые достигали 12 м в тропическом латерите.

ОнСтандарт IEEE 80В отношении заземления подстанции не устанавливается какой-либо конкретный вариант конструкции. Определяется конечный результат: сопротивление заземления, достаточно низкое для обеспечения безопасности при возникновении токов короткого замыкания. Способ достижения этого сопротивления — это инженерное решение, зависящее от конкретного объекта, а не вопрос философии.

Ключевой вопрос не в том, «что лучше», а в том, «что произойдет, если ваш цельный стержень окажется недостаточно длинным?». В Абудже ответ был таков: вы теряете две недели, заказывая более длинные стержни в Лагосе. В Эр-Рияде ответ был таков: вы заказываете у нас комплекты секционных стержней и продолжаете ехать в тот же день. Секционная конструкция обеспечивает гибкость, а по нашему опыту, именно гибкость отличает проекты, достигающие целевых показателей сопротивления, от проектов, которые этого не делают.

Почему мы перепроектировали наш соединитель после вспышки перекрестного завинчивания

В 2021 году наша служба поддержки заметила резкий рост жалоб, связанных с муфтами. За один год мы зафиксировали 47 случаев перекоса резьбы в 14 странах. Схема была неизменной: монтажник работал в грязной траншее, начинал нарезать резьбу муфты под небольшим углом, и латунная резьба деформировалась раньше, чем стальная резьба стержня. Латунь по своей конструкции мягче (мы хотим, чтобы муфта деформировалась раньше стержня, чтобы его можно было использовать повторно), но это конструктивное решение привело к неожиданному типу поломки.

Мы выявили первопричину проблемы — геометрию резьбового соединения. Стандартная V-образная резьба на стержне и муфте имела острый входной край, из-за чего легко было начать нарезание резьбы под углом, особенно если резьба была загрязнена грунтом. Наше решение: мы сняли фаску с первых двух витков резьбы на стержне и муфте, создав более широкий угол входа, который обеспечивает самоцентрирование соединения даже при небольшом смещении. Мы также добавили визуальную метку выравнивания (линия, выгравированная лазером на корпусе муфты), которая показывает монтажнику, когда резьба правильно выровнена.

Результаты оказались значительными. В 2022 году количество жалоб на перекос резьбы сократилось до 19. В 2023 году — до 11. В первой половине 2024 года — до 3. Это совокупное снижение примерно на 70 процентов, и это ничего нам не стоило на единицу продукции — снятие фаски — это изменение оснастки, а не материала. Это тот вид постепенного улучшения, который можно достичь благодаря 17 годам анализа производственного опыта.

Материал муфты изготавливается из цельного латунного прутка (а не отливается). Мы выбрали латунь вместо стали по трем причинам. Во-первых, латунь не подвергается коррозии в грунте так, как обычная сталь — мы находили муфты на объектах 15-летней давности в Саудовской Аравии, которые выглядели почти как новые. Во-вторых, разница гальванических потенциалов между латунью и сталью с медным покрытием минимальна (менее 50 мВ), что означает, что электрохимическая коррозия в месте соединения резьбы незначительна. В-третьих, латунь обрабатывается с более жесткими допусками по резьбе, чем сталь, что важно при ручной нарезке резьбы в грязной траншее, когда необходимо, чтобы соединение плавно соединялось.

Предел прочности на растяжение нашей латунной муфты (≥580 Н/мм²) превышает предел текучести стального сердечника в сегментах стержня. Мы проверяем это на каждой производственной партии: мы испытываем три образца узлов на разрушение на гидравлическом разрывном стенде. Стержень всегда разрушается примерно в 25 мм от поверхности муфты — никогда в самом стержне. Это сделано намеренно: мы хотим, чтобы стержень разрушался раньше муфты, потому что поврежденный стержень можно извлечь и заменить, в то время как поврежденная муфта может оставить сегмент зажатым под землей.

Медная плакированная сталь: технические характеристики, которые мы проверяем, и причины отказов, которые мы выявляем.

Все производители указывают одни и те же характеристики: толщина меди, чистота, прочность на разрыв, прямолинейность. Разница заключается в том, проверяются ли эти характеристики или же они предполагаются. На нашем заводе в Синьчане мы проверяем каждую партию продукции и отбраковываем непроверенные материалы. Вот что мы проверяем, как мы это делаем и что нам удается выявить.

Толщина медного слоя: ≥0,254 мм. ЭтоUL 467Минимальная толщина. Мы измеряем калиброванным ультразвуковым толщиномером в трех точках на каждом стержне (наконечник, середина, основание). Средняя толщина в нашем производстве составляет 0,28 мм, с диапазоном от 0,254 до 0,32 мм. В 2022 году мы забраковали всю партию медных катодов от нового поставщика, когда тест первой партии показал среднюю толщину 0,22 мм. Поставщик утверждал, что катод соответствует спецификации; наш ультразвуковой измеритель показал обратное. Мы сменили поставщика.

Чистота меди: ≥99,95 процента. Мы подтверждаем это с помощью анализа методом искровой оптической эмиссионной спектрометрии (Spark-OES) каждой поступающей партии медных катодов. Примеси свыше 0,05% — особенно сера и фосфор — ускоряют коррозию в кислых почвах. В 2023 году партиястальной стержень с медным покрытиемС нашей производственной линии образцы показали чистоту 99,91%. Мы выяснили, что проблема заключалась в загрязненном медном аноде в гальванической ванне. Мы забраковали всю партию (примерно 2000 стержней), чтобы не отправлять материал, который преждевременно подвергся бы коррозии в процессе эксплуатации.

Целостность соединения: испытание на изгиб на 180 градусов. Медный слой не должен трескаться или отслаиваться при изгибе стержня на 180 градусов с радиусом 100 мм. Это испытание имитирует ударные нагрузки во время забивки. Мы проводим его на каждой производственной партии. Если медь отслаивается, значит, плотность тока электролитического осаждения была слишком низкой, и соединение носит механический, а не металлургический характер. За последние три года мы дважды не прошли это испытание, оба раза причиной было падение напряжения в линии электролитического осаждения, вызванное коррозией шины.

Прямолинейность: ≤1 мм/м. После гальванического покрытия мы выпрямляем каждый шток на гидравлическом прессе, затем проверяем его прокаткой на плоской гранитной плите. Штоки с отклонением более 1 мм/м отбраковываются. Эта характеристика имеет большее значение, чем многие думают: шток с изгибом 3 мм/м не будет забиваться прямо, а шток, отклоняющийся от вертикали, не достигнет заданной глубины без пилотного отверстия. Мы видели импортные штоки других производителей с изгибом от 4 до 5 мм/м, что фактически делает их непригодными для глубокой забивки.

Установка глубоких грунтовых стержней: чему мы научились на ошибках в полевых условиях.

Процесс установкисекционный заземляющий стерженьЭто несложно, но на каждом этапе возможны сбои, о которых мы узнали на собственном горьком опыте — в ходе звонков клиентам, рассмотрения гарантийных претензий и выездов на место.

Пробное отверстие: этап, который большинство подрядчиков пропускают. В уплотненной или каменистой почве всегда начинайте с пробного отверстия, используя буровой инструмент, диаметр которого немного меньше диаметра стержня. В 2022 году подрядчик в Даммаме, Саудовская Аравия, забил три отрезка стержня в пустынный песок без пробного отверстия. Кончик стержня отклонился от закопанной скалы на глубине 1,8 м, согнув стержень на 15 градусов от вертикали. Ему пришлось извлечь согнутый сегмент (работа заняла 45 минут с помощью домкрата) и начать заново с пробного отверстия. Пробное отверстие заняло 5 минут и предотвратило все последующие проблемы с изгибом.

Момент затяжки муфт: как недостаточная, так и чрезмерная затяжка приводят к поломке. Мы указываем диапазон от 50 до 80 Нм для стержней диаметром 5/8 дюйма и от 60 до 100 Нм для стержней диаметром 3/4 дюйма. В ходе проекта 2023 года в Дар-эс-Саламе, Танзания, монтажники затягивали муфты вручную без гаечного ключа. Во время забивки два муфты ослабли, и сегменты разошлись под землей. Верхний сегмент продолжил забивку, но нижний остался на глубине 2 м. Им пришлось отказаться от обоих сегментов и начать бурение новой скважины в 30 см от них. С тех пор мы включаем карту с указанием момента затяжки в каждый комплект секционных труб.

Очистка резьбы: 20 секунд, которые предотвратят 20 минут разочарования. Перед завинчиванием муфты очистите резьбу от грязи. В условиях грязи (что часто встречается в тропических регионах) грязь, забитая в резьбу, действует как абразив и может привести к заклиниванию муфты на полпути. У нас было три гарантийных случая из Юго-Восточной Азии, когда установщик силой вкрутил забитую грязью муфту и сорвал латунную резьбу. Жесткая щетка (которая теперь входит в наш монтажный комплект) решает эту проблему за 20 секунд.

Проверка сопротивления: проведите проверку перед тем, как углубляться в кабель. После установки каждого сегмента измерьте сопротивление заземления с помощью тестера падения напряжения.NFPA 70 (Национальный электротехнический кодекс)Требования. Если сопротивление уже ниже целевого уровня, прекратите движение. Мы видели, как подрядчики в Нигерии проезжали 7 метров, когда было бы достаточно 4 метров, тратя впустую три сегмента и рабочую силу на их установку. Поэтапный подход — тестирование, принятие решения, движение — является основным экономическим преимуществом секционной конструкции.

Четыре типа отказов, выявленные за 17 лет производства заземляющей продукции.

Поставляя заземляющее оборудование в более чем 60 стран, мы имеем четкое представление о том, что выходит из строя в полевых условиях и почему. Вот четыре наиболее распространенных типа отказов, ранжированных по частоте в данных наших обращений в службу поддержки с 2018 по 2024 год.

Ошибка 1: Пересечение потоков (47% всех обращений в службу поддержки). Уже обсуждалось выше. Благодаря переработке интерфейса со скошенными краями количество таких инцидентов сократилось с 47 в 2021 году до 3 в первой половине 2024 года.

Отказ 2: Отслоение меди во время затяжки (23% заявок). Если связь между медным слоем и стальным сердечником механическая, а не металлургическая, повторяющиеся ударные нагрузки во время затяжки могут привести к отслоению меди на конце. Это создает грибовидный эффект, который препятствует дальнейшей затяжке и подвергает стальной сердечник коррозии. Наш тест на изгиб на 180 градусов выявляет это на заводе, но мы все еще наблюдаем это в стержнях других производителей, которые наши клиенты приобрели в других местах и ​​смешали с нашими муфтами.

Неисправность 3: Изгиб стержня в каменистом грунте (18% заявок). Даже при прочности стержня на растяжение более 600 Н/мм², стержень, ударившийся о заглубленный камень под углом, согнется. После изгиба более чем на несколько градусов стержень не будет вращаться прямо. Профилактика: всегда используйте пилотное отверстие в предполагаемом каменистом грунте. Мы получали подобные жалобы на проектах в Турции, Иране и горных районах Восточной Африки.

Неисправность 4: Коррозия в месте соединения муфты в засоленной почве (12% заявок). В прибрежных или засоленных средах резьбовое соединение может корродировать быстрее, чем корпус стержня, если материал муфты не является гальванически совместимым. Наши латунные муфты минимизируют этот риск, поскольку разница гальванических потенциалов между латунью и сталью с медным покрытием составляет менее 50 мВ. Для экстремально засоленных сред (прибрежные районы Саудовской Аравии, Катара, ОАЭ) мы также предлагаем вариант муфты из нержавеющей стали.

Данные по удельному сопротивлению грунта из реальных проектов: почему глубина имеет решающее значение.

Причина глубокой забивки заключается в удельном сопротивлении грунта. В большинстве типов грунта удельное сопротивление уменьшается с глубиной, поскольку на больших глубинах содержится больше влаги и растворенных минералов. Ниже приведены измеренные значения сопротивления грунта по трем реальным проектам, где мы поставляли комплекты секционных стержней:

Абуджа, Нигерия (латеритный грунт, 800 Ом·м): цельный стержень длиной 1,5 м = 28 Ом. Секционный стержень длиной 3 м = 14 Ом. Секционный стержень длиной 6 м = 4,2 Ом. Подрядчику требовалось 5 Ом; он достиг этого значения на глубине примерно 5,5 м с помощью секционной системы.

Эр-Рияд, Саудовская Аравия (пустынный песок, 1200 Ом·м): цельный стержень длиной 2,4 м = 45 Ом. Секционный стержень длиной 3 м = 32 Ом. Секционный стержень длиной 6 м = 12 Ом. Секционный стержень длиной 9 м = 6,8 Ом. Согласно техническим условиям проекта, сопротивление составляло 10 Ом; оно было достигнуто на глубине приблизительно 7 м.

Дар-эс-Салам, Танзания (глинисто-суглинистая почва, 200 Ом·м): цельный стержень длиной 1,5 м = 8 Ом. Согласно спецификации, требовалось 5 Ом. Однократное удлинение на 1,5 м (всего 3 м) увеличило сопротивление до 4,8 Ом. В данном случае почва оказалась благоприятной, и потребовалось лишь минимальное удлинение на глубину.

ОнСтандарт IEEE 142 (Зеленая книга)Формула для оценки сопротивления забивного стержня: R = (ρ / 2πL) × (ln(4L/a) – 1), где ρ — удельное сопротивление грунта, L — длина стержня, а — радиус стержня. Формула подтверждает данные наших полевых исследований: сопротивление обратно пропорционально длине стержня. Удвоение глубины обычно снижает сопротивление на 40–60 процентов в зависимости от слоистости грунта.

Практический вывод прост. В грунтах с низким сопротивлением (ниже 300 Ом·м) обычно достаточно цельного стержня длиной от 1,5 до 3 м. В грунтах со средним сопротивлением (от 300 до 1000 Ом·м) может потребоваться от 3 до 6 м, то есть секционный стержень.Управление по охране труда и технике безопасности (OSHA)Работодатели обязаны внедрить на строительных площадках программы обеспечения надежного заземления оборудования, включая правильную установку заземляющих электродов. В грунтах с высоким сопротивлением (выше 1000 Ом·м) вам почти наверняка потребуется 6 м или более, и секционная система — единственный практический способ обеспечить это.

Общая стоимость установки: когда модульный диван выгоднее цельного дивана.

Стоимость материалов за метр секционной системы выше, чем у цельной конструкции, поскольку вы оплачиваете соединительные элементы и дополнительную упаковку. Однако общая стоимость установки включает в себя оплату труда, транспортировку, отходы и оборудование, и сравнение смещается в пользу секционной системы по мере увеличения глубины.

Экономия на транспортировке. В 2023 году клиент из Кампалы, Уганда, сообщил нам, что стоимость транспортировки 3-метровых стержней из порта на место строительства (200 км по грунтовым дорогам) составляла приблизительно 40% от стоимости стержней, поскольку каждый грузовик мог перевозить только 200 стержней из-за ограничений по длине. Когда они перешли на секционные отрезки длиной 1,2 м, тот же грузовик перевозил 500 отрезков за один рейс. Стоимость транспортировки одного метрического стержня снизилась более чем вдвое.

Сокращение отходов. В каменистых грунтах цельные штанги, которые гнутся во время забивки, являются отходами. Наши клиенты на Ближнем Востоке сообщают о показателях отходов от 8 до 12 процентов при использовании цельных штанг в каменистых пустынных грунтах, по сравнению с менее чем 2 процентами при использовании секционных систем (поскольку более короткие сегменты легче контролировать, и этап пилотного бурения выполняется более последовательно). 10-процентный показатель отходов на проекте с 200 штангами означает 20 испорченных штанг и затраты на их извлечение.

Затраты на оборудование. Для забивки цельного стержня длиной более 2,4 м требуется специализированный забивной инструмент с длинным патроном. Секционную систему можно забить стандартным перфоратором с адаптером для патрона — оборудованием, которое есть у большинства электромонтажников. Экономия на аренде оборудования может компенсировать стоимость соединительных муфт на небольших и средних проектах.

Для неглубоких установок (≤1,5 м) цельные стержни дешевле и быстрее. Для глубин от 1,5 до 3,0 м сравнение зависит от конкретного места. Для глубин более 3,0 м единственным практичным вариантом является секционная конструкция, и сравнение стоимости становится бессмысленным.

Заключение

Выбор между секционными и цельными грунтовыми стержнями — это не вопрос абстрактного превосходства. Речь идёт о том, какой вариант лучше подходит для ваших грунтовых условий, требуемого сопротивления и логистики на строительной площадке. Цельные стержни проще, дешевле и прочнее в пересчёте на погонный метр. Секционные грунтовые стержни — единственное практичное решение, когда необходимо заглубиться более чем на 3 м, когда транспортные ограничения ограничивают длину стержней или когда грунтовые условия неопределённы и вам нужна возможность постепенного увеличения глубины.

Качество соединительного элемента определяет, будет ли секционная система работать так, как задумано. После 47 случаев перекоса резьбы в 2021 году мы перепроектировали наш соединительный элемент, установив резьбовые соединения со скошенными краями, и снизили частоту отказов на 70 процентов. Это пример итеративного улучшения, достигнутого за 17 лет производства и благодаря отзывам с мест эксплуатации в более чем 60 странах.

В компании Xinchang Shibang New Material Co., Ltd. мы производим...комплекты секционных заземляющих стержней, резьбовые соединители, стальные стержни с медным покрытиема также полный ассортимент заземляющих и молниезащитных принадлежностей, соответствующих стандарту ISO 9001:2008. Свяжитесь с нами, чтобы обсудить требования вашего проекта.

Часто задаваемые вопросы