Вкратце:

Почему удельное сопротивление почвы — это первое число, которое вам нужно знать?

Прежде чем задавать диаметр заземляющего стержня, прежде чем выбирать между сталью с медным покрытием и оцинкованной сталью, и прежде чем рассчитывать необходимое количество стержней для площадки подстанции, вам нужен один показатель: удельное сопротивление грунта на месте установки. Каждое последующее проектное решение зависит от этого измерения.

В компании Shibang наша инженерная команда анализирует спецификации заземления проектов на шести континентах. Наиболее распространенной причиной проблем на местах является не дефектный стержень или плохое соединение, а система заземления, спроектированная без надлежащего исследования удельного сопротивления грунта. Инженеры, пропускающие этот этап, в итоге переделывают установки, добавляют дополнительные стержни или вносят грунтовые добавки спустя месяцы после первоначальной даты ввода в эксплуатацию.

Удельное сопротивление грунта показывает, насколько сильно земля на вашем участке препятствует потоку электрического тока. На песчаном, сухом холме в центральной Австралии оно может составлять 2000 Ом. В богатой глиной речной дельте в Бангладеш оно может достигать 30 Ом. Одна и та же модель заземляющего стержня с медным покрытием ведет себя совершенно по-разному в этих двух средах, и конструкция должна учитывать это различие с самого начала.

Органы по стандартизации это признают.Кодексы и стандарты NFPAВ соответствии с такими стандартами, как IEC 62305 и IEEE 80, перед началом проектирования системы заземления необходимо или настоятельно рекомендуется получить данные об удельном сопротивлении грунта, специфичные для конкретного участка. Вы можете узнать больше об основах этого вопроса.системы заземленияи какземля (электричество)работает в области электротехники, чтобы понять, почему именно это измерение определяет всё.

Что на самом деле измеряет удельное сопротивление почвы?

Удельное сопротивление почвы количественно определяет сопротивление, которое единица объема почвы оказывает потоку электрического тока. Инженеры выражают его в ом-метрах (ом-м). Это значение зависит от четырех основных факторов:

Содержание влаги.Вода значительно снижает удельное сопротивление. В сухой почве оно может превышать 1000 Ом·м; в той же почве при полевой влагоемкости оно может упасть ниже 100 Ом·м. Именно поэтому сезонные измерения имеют значение, и мы рекомендуем проводить измерения в самые засушливые ожидаемые условия, чтобы заложить в систему запас наихудшего сценария.

Концентрация ионов.Растворенные в почвенной воде соли повышают проводимость. Прибрежные участки, сельскохозяйственные земли с историей применения удобрений и солончаки в пустыне показывают более низкие значения удельного сопротивления, чем чистый кварцевый песок. Наши производственные данные показывают, что клиенты на Ближнем Востоке и в Северной Африке часто сталкиваются с песчаными грунтами с высоким удельным сопротивлением, требующими химической обработки.

Температура.Удельное сопротивление почвы возрастает по мере её охлаждения. В промерзшей почве удельное сопротивление может увеличиться в десять и более раз по сравнению с той же почвой при температуре 20 градусов Цельсия. При реализации проектов в северной Канаде, Скандинавии или России необходимо учитывать зону промерзания грунта и размещать заземляющие стержни ниже неё.

Состав и плотность почвы.Частицы глины проводят электричество лучше, чем песок или гравий, потому что они удерживают влагу и ионы на своей большой поверхности. Горные породы, сланцы и разложившийся гранит сильно различаются по своим характеристикам. На участках со слоистой геологией удельное сопротивление будет различаться на разных глубинах, поэтому профилирование удельного сопротивления по глубине имеет такое же значение, как и измерения на поверхности.

Четырехточечный тест Веннера: как инженеры измеряют удельное сопротивление грунта в полевых условиях.

Четырехточечный метод Веннера остается отраслевым стандартом полевых испытаний удельного сопротивления грунта. Он прост, портативен и дает результаты, которые напрямую используются в расчетах проектирования заземления. TestGuy предлагает отличное пошаговое руководство по этому методу.Объяснение метода измерения удельного сопротивления почвыв практических деталях.

Наши инженеры на местах следуют этой процедуре при каждом новом обследовании объекта:

Шаг 1: Планировка.Вкопайте в землю четыре равномерно расположенных электрода по прямой линии. Обозначьте их слева направо: C1, P1, P2 и C2. Расстояние между каждой парой электродов обозначается буквой «а», и это расстояние выбирается в зависимости от глубины исследуемого грунта. Расстояние в 1 метр дает среднее значение удельного сопротивления примерно по верхним 0,5 метрам. Расстояние в 10 метров позволяет исследовать грунт на глубине примерно до 5 метров.

Шаг 2: Подать ток.Подключите измеритель сопротивления заземления (например, серию Megger DET или Fluke 1621) к внешним электродам (C1 и C2). Прибор подает известный переменный ток через почву между ними.

Шаг 3: Измерение потенциала.Прибор измеряет разность напряжений между внутренними электродами (P1 и P2). Это падение напряжения, деленное на подаваемый ток, дает значение сопротивления R.

Шаг 4: Произведите расчет.Примените формулу Веннера:

Удельное сопротивление (ро) = 2 x π x ax R

где «а» — расстояние между электродами в метрах, а R — измеренное сопротивление в омах. В результате получается удельное сопротивление почвы в ом-м.

Профилирование по глубине.Повторите испытание с различным расстоянием между забойными стержнями (1 м, 2 м, 5 м, 10 м, 20 м), чтобы построить профиль удельного сопротивления в зависимости от глубины. Этот профиль покажет, существует ли проводящий слой глубже под землей, что может оправдать забивку стержней на глубину 3 метров вместо стандартных 2,4 метров.

Когда проводить тестирование.Мы проводим испытания в условиях самой засушливой ожидаемой сезонной погоды, поскольку системы заземления должны функционировать круглый год. Испытания только в сезон дождей дают завышенные результаты, не отражающие наихудшие летние условия или засуху.

На нефтехимическом предприятии в Восточной провинции Саудовской Аравии в сухой сезон было измерено удельное сопротивление поверхности грунта, которое составило 1800 Ом·м. После того, как наша техническая группа определила три медных стержня длиной 3 метра (AF-0232, слой меди 0,254 мм), забитых на глубину 5 метров с интервалом 6 метров, измеренное сопротивление заземления снизилось до 3,8 Ом — значительно ниже целевого значения в 5 Ом, требуемого стандартом IEC 62305 для молниезащиты резервуаров для хранения.

Как удельное сопротивление грунта влияет на выбор заземляющего стержня

Получив данные об удельном сопротивлении грунта, вы сможете с уверенностью выбрать подходящий заземляющий стержень. Показатель удельного сопротивления позволяет определить три параметра: какой материал будет наиболее устойчив к коррозии в данном грунте, какая геометрия стержня (диаметр и длина) вам необходима, и обеспечит ли один стержень целевое сопротивление заземления или потребуется несколько стержней в массиве.

Вот общая схема, которую мы используем в Shibang при консультировании клиентов:

Эта таблица является отправной точкой, а не заменой детального проектирования. Инженер также должен учитывать pH почвы, содержание хлоридов, уровень сульфатов и колебания влажности, чтобы сделать окончательный выбор материала. Подробнее о подборе материалов мы поговорим в следующем разделе.

Нашмедный заземляющий стерженьАссортимент продукции (модель AF-0232) включает в себя стержни диаметром от 14,2 мм до 25 мм (от 5/8 дюйма до 3/4 дюйма) и длиной от 1,2 м до 3,0 м (от 4 футов до 10 футов). Медный слой имеет толщину не менее 0,254 мм и чистоту 99,95% или выше, соединен с сердечником из низкоуглеродистой стали. Это обеспечивает стержню высокую прочность на растяжение (не менее 580 Н/мм) для забивки, сохраняя при этом коррозионную стойкость меди в большинстве типов грунта. Мы сертифицируем эту линейку продукции в соответствии со стандартом ISO 9001:2008.

В начале 2023 года инженер проекта подстанции 132 кВ в Тамилнаду указал в качестве материала оцинкованные стержни для снижения веса при закупке на удаленном участке на вершине холма. Когда наша команда изучила отчет о состоянии грунта — латерит, pH 4,8, удельное сопротивление 280 Ом·м на глубине 3 метров — мы рекомендовали перейти на стержни с медным покрытием, несмотря на больший удельный вес. Обоснование: низкий pH латерита и высокое содержание оксида железа ускоряют коррозию цинка, а удаленное расположение делает будущую логистику замены стержней дорогостоящей. Инженер принял рекомендацию. Через два года после установки показания сопротивления заземления остаются стабильными на уровне 1,6 Ом.

Подбор материала заземляющего стержня в соответствии с условиями грунта.

Производители заземляющих стержней предлагают несколько вариантов материалов, и каждый из них подходит для определенных типов грунта. Вот как мы их подбираем:

Стержни из стали с медным покрытием

Медные стержни с покрытием сочетают в себе стальной сердечник (для механической прочности и долговечности при забивке) и толстый медный внешний слой (для коррозионной стойкости и низкого контактного сопротивления с грунтом). Нашимедный заземляющий стерженьВ этих моделях используется сплошной процесс медного соединения, а не тонкое покрытие. Это важно в агрессивных грунтах, где слой меди, нанесенный методом гальванического покрытия или сварки, со временем может отслоиться.

Медные стержни с покрытием лучше всего работают в нейтрально-щелочных грунтах (pH от 6 до 9) с умеренной влажностью. Они устойчивы к коррозии, вызываемой большинством типов почв, и сохраняют стабильное сопротивление заземлению на протяжении десятилетий. Мы используем их на электростанциях, подстанциях, опорах линий электропередачи, базовых станциях связи, в аэропортах, на железных дорогах, в высотных зданиях и на нефтеперерабатывающих заводах. Заявленный срок службы превышает 50 лет в нормальных грунтовых условиях.

Оцинкованные стальные прутки

Мы предлагаем оцинкованные (с цинковым покрытием) прутки по более низкой цене, чем прутки с медным покрытием, и они обеспечивают приемлемую защиту от коррозии в щелочных почвах. Однако наши производственные и полевые данные показывают, что цинк растворяется быстрее меди в кислых почвах (pH ниже 5) и в почвах с высоким содержанием сульфатов. Мы задокументировали множество случаев, когда оцинкованные прутки в агрессивных почвах выходили из строя задолго до истечения ожидаемого срока службы, поэтому мы рекомендуем клиентам в тропических регионах или регионах, подверженных воздействию кислотных дождей, выбирать прутки с медным покрытием вместо оцинкованных для любых проектов со сроком службы 25 лет и более.

Согласно нашим гарантийным документам по партии продукции, поставленной в 2019 году на прибрежный объект на юге Вьетнама, оцинкованные стержни, установленные в грунте с pH 5,2 и удельным сопротивлением 120 Ом·м, начали демонстрировать видимую поверхностную коррозию в течение 18 месяцев. Толщина цинкового покрытия уменьшилась с заявленных 86 микрон до менее 40 микрон на границе раздела грунт-воздух. Мы за свой счет заменили всю установку из 240 стержней на медные по гарантии, и замененные стержни эксплуатируются уже более пяти лет без каких-либо заметных признаков износа.

Химические заземляющие электроды

Если удельное сопротивление грунта остается выше 500 Ом·м даже на глубине, то одного лишь оголенного стержня недостаточно для достижения целевых значений сопротивления.Химические заземляющие электродыЗаполнить этот пробел. Эти устройства содержат полую медную трубку, заполненную минеральными солями, которые медленно просачиваются в окружающую почву, снижая локальное сопротивление в течение месяцев и лет. Они сохраняют свою работоспособность в засушливых и каменистых условиях, где мало естественной влаги.

Мы поставляем химические электроды для проектов на Ближнем Востоке, в Северной Африке и центральной Австралии. В типичной установке техник бурит скважину, вставляет электрод, засыпает ее проводящим составом и подключает электрод к основной заземляющей сети. Со временем диффузия соли создает вокруг электрода низкоомную оболочку.

Наземные модули

Наземные модулиПредлагается еще один подход для сложных грунтов. Эти предварительно изготовленные блоки сочетают в себе металлический проводник с окружающим его слоем проводящего материала (часто это соединение на основе углерода или глины). Инженеры закапывают их в стратегически важных точках заземляющей сети, чтобы уменьшить локальное сопротивление без необходимости технического обслуживания, которое иногда требуется при использовании химических электродов.

Наземные модули хорошо работают в смешанных грунтах, где есть проводящий слой, но он слишком неглубок для традиционного забивания стержней. Мы поставляли наземные модули на ретрансляционные станции на вершинах гор в Андах, радиолокационные установки в пустыне Омана и подстанции прибрежных ветроэлектростанций во Вьетнаме.

Просмотреть все варианты

Наш полныйкатегория заземляющих стержней и стержней заземленияВ ассортименте представлены медные, оцинкованные, нержавеющие стальные и специальные варианты. Правильный выбор зависит от результатов анализа химического состава грунта, требуемого сопротивления и ожидаемого срока службы установки.

Глубина установки, диаметр стержня и правило для нескольких стержней.

Данные об удельном сопротивлении грунта также определяют три физических параметра проектирования: глубину забивки стержня, диаметр используемого стержня и количество устанавливаемых стержней.

Глубина

Более глубокие забивные стержни достигают слоев почвы, которые удерживают больше влаги и имеют более низкое удельное сопротивление. В стандартной жилой системе может использоваться стержень длиной 2,4 метра (8 футов). В системах заземления подстанций часто указываются стержни длиной 3 метра (10 футов). В регионах с высоким удельным сопротивлением инженеры иногда забивают стержни на глубину 6 метров и более, соединяя несколько секций вместе.

Наши медные прутки оснащены соединительной втулкой, позволяющей соединять секции на месте. Пруток длиной 3 метра с удлинением на 1,5 метра достигает длины 4,5 метра. Соединительная муфта обеспечивает поддержание заданной прямолинейности (погрешность 1 мм/м или менее) по всей длине соединения, предотвращая деформацию прутка во время забивки.

Диаметр

Диаметр заземляющего стержня влияет как на механическую прочность при монтаже, так и на долгосрочную устойчивость к коррозии. Стержень диаметром 14,2 мм (5/8 дюйма) подходит для большинства жилых и небольших коммерческих объектов, где для забивки используется шуруповерт или перфоратор. Стержень диаметром 25 мм (3/4 дюйма) выдерживает более высокие механические нагрузки при глубокой забивке в уплотненный или каменистый грунт и обеспечивает большую площадь медной поверхности для защиты от коррозии.

Согласно нашим производственным данным, на долю 5/8-дюймовых штанг приходится большая часть объёма работ в проектах в умеренном климате (Северная Америка, Европа, Восточная Азия), в то время как на 3/4-дюймовые штанги наблюдается повышенный спрос в проектах на Ближнем Востоке и в Австралии, где распространена глубокая забивка в твердых грунтах.

Многостержневые массивы

Если одного стержня недостаточно для достижения целевого сопротивления заземления, добавляются стержни. Общее правило: расстояние между соседними стержнями должно быть как минимум равно глубине их забивки. Для стержней длиной 3 метра используйте расстояние не менее 3 метров. Такое расстояние предотвращает слишком сильное перекрытие зон снижения сопротивления вокруг каждого стержня.

Суммарное сопротивление многостержневой системы не является простым отношением сопротивления отдельного стержня к его количеству. Взаимодействие грунта с грунтом снижает эффективность. Двухстержневая система обеспечивает примерно 60% сопротивления отдельного стержня, а не 50%. Трехстержневая система достигает примерно 45-50%. Это приблизительные значения; фактическое соотношение зависит от однородности удельного сопротивления грунта и расстояния между стержнями.

Семь дефектов заземления, обнаруженных нашей заводской лабораторией в возвращенных технических характеристиках.

За более чем 17 лет производства заземляющей продукции и поддержки проектов по всему миру наша команда выявила повторяющиеся дефекты в технических характеристиках и монтаже, которые обнаруживаются в ходе гарантийных расследований и анализа результатов проектов в разных странах и отраслях. Семь ошибок, перечисленных ниже, составляют большинство случаев преждевременного выхода из строя заземляющих стержней и неудовлетворительных показаний сопротивления заземления, с которыми мы сталкиваемся:

Пропуск исследования удельного сопротивления грунта.Иногда инженеры используют стандартные значения удельного сопротивления грунта для данного региона, вместо того чтобы проводить тестирование непосредственно на участке. Даже в пределах одного объекта удельное сопротивление может различаться в пять раз между северной и южной оконечностями из-за особенностей дренажа, истории насыпи или глубины залегания коренных пород.

Тестирование проводилось только на одной глубине.Однократное измерение по методу Веннера на одном расстоянии практически ничего не говорит о слоистой структуре грунта под землей. Всегда проводите измерения как минимум на трех расстояниях, чтобы определить проводящие слои, резистивные слои и переходы между ними.

Сезонные колебания не учитываются.Проведение испытаний только в сезон дождей дает неверные результаты. Системы заземления должны эффективно работать в самых сухих, жарких и холодных условиях, которые могут наблюдаться на объекте. Мы рекомендуем клиентам проводить испытания как минимум дважды: один раз в сезон дождей и один раз в сухой сезон.

Недостаточное указание диаметра стержня.Использование самых тонких доступных стержней для минимизации веса материала может показаться разумным на бумаге, но в твердой или каменистой почве тонкий стержень гнется, деформируется или ломается во время забивки. Это приводит к потере времени на монтаж и делает систему недостаточно надежной. Для любых участков с каменистыми или уплотненными грунтами мы рекомендуем использовать стержни диаметром 3/4 дюйма (25 мм).

Забывая о соединении.Когда инженерам требуется закачка арматуры на глубину 4,5 или 6 метров, они иногда пытаются сварить две секции арматуры вместе. Сварка разрушает медный слой в месте соединения, создавая очаг коррозии, который выходит из строя в течение нескольких лет. Всегда используйте специально разработанное механическое соединение, которое сохраняет целостность медной оболочки.

Пренебрежение качеством соединения.Даже самый лучший в мире заземляющий стержень бесполезен, если соединение с проводником неплотное, подвержено коррозии или выполнено из несовместимых металлов. Соединения медь-медь с использованием экзотермической сварки или сертифицированных механических соединителей обеспечивают долговременную целостность. Смешивание медных стержней с оцинкованными зажимами во влажной среде создает гальваническую коррозионную ячейку, которая со временем разрушает соединение.

Не изучаю химический состав почвы.Одного лишь удельного сопротивления недостаточно для прогнозирования коррозии. Почва с умеренным удельным сопротивлением (300 Ом·м), но высоким содержанием сульфатов и низким pH будет разрушать медь быстрее, чем ожидалось. Для правильного выбора материала стержня всегда следует сочетать тест на удельное сопротивление с анализом химического состава почвы (pH, хлориды, сульфаты, влажность).

В нашей лаборатории контроля качества в Синьчане каждую новую партию медных плакированных прутков подвергают испытанию в солевом тумане (ASTM B117). По результатам последних 47 партий (N=47, что составляет приблизительно 235 000 отдельных прутков), средняя толщина медного слоя составила 0,268 мм со стандартным отклонением 0,012 мм. Ни одна партия не показала толщину ниже минимального значения 0,254 мм. Продолжительность коррозионного испытания составляет 1000 часов, и ни одна партия не показала воздействия основного металла в течение этого периода.

Часто задаваемые вопросы

Полный ассортимент заземляющей продукции, производимой на нашем предприятии, вы можете посмотреть на нашем сайте.категория заземляющих стержней и стержней заземлениястраница. Вы также можете прочитать оЧто такое заземление и почему оно важноиз более широких отраслевых ресурсов.