На початку 2023 року нам зателефонував підрядник-електрик з Абуджі, Нігерія. Він забив чотири цільні 2,4-метрові міднопластовані заземлювальні стрижні в латеритовий ґрунт на місці будівництва нової телекомунікаційної вежі. Усі чотири виміряли опір понад 25 Ом — значно вище цільового показника в 5 Ом, встановленого його специфікацією. У нього не було забивного стрижня, який міг би впоратися з будь-чим, довше 3 м, а найближчий постачальник стрижнів подовженої довжини знаходився в Лагосі, за 700 км. Ми відправили йому комплекти секційних стрижнів та латунні з'єднувачі. Через два тижні його команда забила ті ж стрижні на глибину 6 м за допомогою стандартного перфоратора, і виміряний опір склав 4,2 Ом. Цей проект змінив наше уявлення про вибір цільного чи секційного стрижня: це не питання уподобань, це питання того, що дозволяє ваш ґрунт, ваше обладнання та доступ до вашого майданчика.

Секційний проти цільного: рішення не залежить від уподобань

Аргумент щодо цільного стрижня простий і обґрунтований: відсутність з'єднань означає відсутність слабких місць. Один 2,4-метровий мідний стрижень, вбитий безпосередньо у вологу глину, прослужить довше вашої будівлі, і він коштує менше, ніж секційний комплект такої ж довжини. Ми все ще продаємо більше цільних стрижнів, ніж секційних комплектів за обсягом, і не без підстав: для неглибокого закладання в ґрунті з низьким опором вони є правильним вибором.

Але за 17 років виробництва заземлювальних виробів ми спостерігаємо постійну тенденцію: проекти, які повертаються до нас з проблемами високого опору, майже завжди є цільними установками в сухому, кам'янистому або піщаному ґрунті, де підрядник забивав стрижень на повну довжину і зупинявся, бо не мав можливості заглиблюватися глибше.секційний заземлювальний стриженьусуває це обмеження. Кожен сегмент має довжину 1,2 м, з'єднанийрізьбові з'єднувачі, і ви продовжуєте додавати сегменти, доки вимірювач опору не покаже нижче запланованого значення. У нас є клієнти в Саудівській Аравії, які збирали секційні стрижні довжиною 9 м у пустельному піску, та клієнти в Демократичній Республіці Конго, які досягли 12 м у тропічному латериті.

TheСтандарт IEEE 80Для заземлення підстанції не вимагається перевага однієї конструкції над іншою. Воно визначає кінцевий результат: опір заземлення, достатньо низький для забезпечення безпеки під час виникнення струмів короткого замикання. Як досягти цього опору – це інженерне рішення, яке залежить від конкретного місця, а не від філософського питання.

Ключове питання не «що краще», а «що відбувається, коли ваше цільне вудилище недостатньо довге?» В Абуджі відповідь була такою: ви втрачаєте два тижні на пошук довших вудилищ з Лагосу. В Ер-Ріяді відповідь була такою: ви замовляєте у нас секційні комплекти та продовжуєте роботу того ж дня. Секційна конструкція дає вам гнучкість, і, з нашого досвіду, саме гнучкість відрізняє проекти, які досягають своїх цільових показників стійкості, від проектів, які цього не роблять.

Чому ми переробили наш муфту після епідемії перехресного нарізання різьби

У 2021 році наша служба підтримки помітила сплеск скарг, пов'язаних зі з'єднувальними муфтами. За один рік ми зареєстрували 47 інцидентів перехресного нарізання різьби у 14 країнах. Схема була постійною: монтажник працював у брудній траншеї, починав нарізання з'єднувальної муфти під невеликим кутом, і латунна різьба деформувалася раніше, ніж різьба сталевого стрижня. Латунь м'якша за конструкцією (ми хочемо, щоб з'єднувальна муфта була нарізана раніше, ніж стрижень, щоб його можна було використовувати повторно), але такий вибір конструкції призвів до непередбачуваного нами режиму відмови.

Ми виявили першопричину в геометрії входу різьби. Стандартна V-подібна різьба як на штоку, так і на муфті мала гострий вхідний край, що дозволяло легко починати нарізання різьби під кутом, особливо коли різьба була забруднена ґрунтом. Наше рішення: ми зняли фаску з перших двох різьб як на штоку, так і на муфті, створивши ширший кут входу, який самоцентрується з'єднання навіть при невеликому зміщенні. Ми також додали візуальну позначку вирівнювання (лінію, нанесену лазером, на корпусі муфти), яка показує монтажнику, коли різьба правильно вирівняна.

Результати були значними. У 2022 році кількість скарг на перехресне різьблення зменшилася до 19. У 2023 році – до 11. У першій половині 2024 року – до 3. Це сукупне скорочення приблизно на 70 відсотків, і це нічого нам не коштувало на одиницю виробу – фаска – це зміна інструменту, а не матеріалу. Це той вид поступового покращення, який дозволяють зробити 17 років зворотного зв'язку від виробництва.

Сам матеріал муфти виготовлений з цільного латунного прутка (не лиття). Ми обрали латунь замість сталі з трьох причин. По-перше, латунь не кородує в ґрунті, як звичайна сталь — ми розкопали муфти з 15-річних установок у Саудівській Аравії, які виглядали майже новими. По-друге, різниця гальванічних потенціалів між латунню та сталлю з мідним покриттям мінімальна (менше 50 мВ), що означає, що електрохімічна корозія на межі різьби незначна. По-третє, латунь обробляється з меншими допусками на різьбу, ніж сталь, що важливо, коли ви нарізаєте різьбу вручну в брудній траншеї та потребуєте плавного з'єднання.

Міцність на розтяг нашої латунної муфти (≥580 Н/мм2) перевищує межу текучості сталевого осердя в сегментах стрижня. Ми перевіряємо це на кожній виробничій партії: ми витягуємо три зразки збірок до руйнування на гідравлічному випробувальному стенді. Стрижень завжди ламається приблизно на 25 мм від торця муфти — ніколи біля самої муфти. Це задумано за конструкцією: ми хочемо, щоб стрижень руйнувався раніше за муфту, оскільки пошкоджений стрижень можна витягнути та замінити, тоді як пошкоджена муфта може залишити сегмент під землею.

Мідноплакована сталь: характеристики, які ми тестуємо, та несправності, які ми виявляємо

Кожен виробник вказує однакові характеристики: товщина міді, чистота, міцність на розрив, прямолінійність. Різниця полягає в тому, чи ці характеристики перевіряються, чи є припущеннями. На нашому заводі в Сіньчані ми перевіряємо кожну виробничу партію та відбраковуємо матеріал, який не проходить випробування. Ось що ми перевіряємо, як ми це перевіряємо та що ми виявляємо.

Товщина шару міді: ≥0,254 мм. ЦеUL 467мінімум. Ми вимірюємо каліброваним ультразвуковим товщиноміром у трьох точках на кожному стрижні (кінчик, середина, основа). Середній показник нашого виробництва становить 0,28 мм, з діапазоном від 0,254 до 0,32 мм. У 2022 році ми відхилили всю партію мідних катодів, що надходила від нового постачальника, коли випробування першої партії показало середню товщину 0,22 мм. Постачальник стверджував, що катод відповідає специфікації; наш ультразвуковий вимірювач говорив про інше. Ми змінили постачальника.

Чистота міді: ≥99,95 відсотка. Ми підтверджуємо це за допомогою іскрового OES (оптичної емісійної спектрометрії) аналізу кожної вхідної партії мідних катодів. Домішки вище 0,05%, особливо сірка та фосфор, прискорюють корозію в кислих ґрунтах. У 2023 році партіясталевий стрижень з мідним покриттямз нашої виробничої лінії, протестованої на чистоту 99,91%. Ми виявили проблему через забруднений мідний анод у гальванічній ванні. Ми утилізували всю партію (приблизно 2000 стрижнів), замість того, щоб відправляти матеріал, який міг би передчасно кородувати в польових умовах.

Цілісність з'єднання: випробування на вигин на 180 градусів. Мідний шар не повинен тріскатися або розшаровуватися, коли стрижень згинається на 180 градусів з радіусом 100 мм. Це випробування імітує ударні сили під час забивання. Ми проводимо його на кожній виробничій партії. Якщо мідь відшаровується, щільність струму гальванічного покриття була занадто низькою, і з'єднання є механічним, а не металургійним. Ми двічі не пройшли це випробування за останні три роки, обидва рази це було пов'язано з падінням напруги в лінії гальванічного покриття, спричиненим кородованою шиною.

Прямолінійність: ≤1 мм/м. Ми випрямляємо кожен стрижень на гідравлічному пресі після гальванічного покриття, а потім перевіряємо прокатуванням на плоскій гранітній плиті. Стрижні з відхиленням більше 1 мм/м бракуються. Ця специфікація має більше значення, ніж більшість людей усвідомлює: стрижень з вигином 3 мм/м не буде проходити прямо, а стрижень, який відхиляється від вертикалі, не досягне цільової глибини без попереднього отвору. Ми бачили імпортні стрижні від інших виробників з вигином від 4 до 5 мм/м, що фактично робить їх непридатними для глибокого забивання.

Встановлення глибокого заземлювального стрижня: чого ми навчилися з польових помилок

Процес встановлення длясекційний заземлювальний стриженьне складний, але кожен крок має режими несправностей, про які ми дізналися на власному гіркому досвіді — через дзвінки клієнтів, гарантійні претензії та відвідування об'єктів.

Пілотний отвір: крок, який пропускає більшість підрядників. У ущільненому або кам'янистому ґрунті завжди починайте з пілотного отвору, використовуючи ґрунтовий бур трохи меншого діаметра за штангу. У 2022 році підрядник у Даммамі, Саудівська Аравія, забив три сегменти штанги в пустельний пісок без пілотного отвору. Кінчик штанги відхилився від закопаної породи на глибині 1,8 м, зігнувши штангу на 15 градусів від вертикалі. Йому довелося витягнути зігнутий сегмент (робота за 45 хвилин з домкратом) і почати все спочатку з пілотного отвору. Пілотний отвір зайняв 5 хвилин і запобіг усім подальшим проблемам із вигином.

Крутний момент затягування муфти: як недостатнє, так і надмірне затягування призводить до відмови. Ми вказуємо від 50 до 80 Нм для стрижнів діаметром 5/8 дюйма та від 60 до 100 Нм для стрижнів діаметром 3/4 дюйма. У проекті 2023 року в Дар-ес-Саламі, Танзанія, монтажники вручну затягували муфти без гайкового ключа. Під час забивання дві муфти ослабли, і сегменти розійшлися під землею. Верхній сегмент продовжував забивати, але нижній сегмент залишився на глибині 2 м. Їм довелося залишити обидва сегменти та почати новий отвір на відстані 30 см. Відтоді ми додаємо картку зі специфікацією крутного моменту до кожної коробки секційного комплекту.

Очищення різьби: 20 секунд, які запобігають 20 хвилинам невдоволення. Перед тим, як нарізати муфту, очистіть різьбу штока від бруду. У брудних умовах (поширених у тропічних умовах) бруд, що утрамбувався в різьбі, діє як абразив і може призвести до заклинювання муфти наполовину. Ми отримали три гарантійні претензії з Південно-Східної Азії, де монтажник примусово вставив муфту, утрамбовану брудом, і зірвав латунну різьбу. Щітка з жорсткою щетиною (яку ми тепер включаємо до нашого монтажного комплекту) вирішує цю проблему за 20 секунд.

Випробування опору: перевірте його, перш ніж братися за більш глибоке встановлення. Після встановлення кожного сегмента виміряйте опір заземлення за допомогою тестера падіння напруги, згідно зNFPA 70 (Національний електротехнічний кодекс)вимоги. Якщо ви вже не досягли цільового рівня опору, припиніть рух. Ми бачили, як підрядники в Нігерії доїжджали до 7 м, коли 4 м було б достатньо, марнуючи три сегменти та робочу силу для їх встановлення. Поетапний підхід — випробувати, вирішити, заїхати — є основною економічною перевагою секційної конструкції.

Чотири режими відмови за 17 років виробництва заземлювальних виробів

Після постачання заземлювальної продукції до понад 60 країн, ми маємо чітке уявлення про те, що виходить з ладу в польових умовах і чому. Ось чотири найпоширеніші види несправностей, відсортовані за частотою в наших даних щодо заявок на підтримку з 2018 по 2024 рік.

Збій 1: Перехресне виконання (47% усіх заявок на підтримку). Вже обговорювалося вище. Редизайн зі скошеним входом скоротив цей показник з 47 інцидентів у 2021 році до 3 у першій половині 2024 року.

Помилка 2: Розшарування міді під час забивання (23% заявок). Якщо зв'язок між шаром міді та сталевим осердям є механічним, а не металургійним, то повторювані ударні сили під час забивання можуть призвести до відшаровування міді на кінчику. Це створює ефект гриба, який запобігає подальшому забиванню та піддає сталеве осердя корозії. Наш тест на вигин на 180 градусів виявляє це на заводі, але ми все ще спостерігаємо це в стрижнях інших виробників, які наші клієнти придбали в інших місцях та поєднали з нашими муфтами.

Відмова 3: Згинання стрижня в кам'янистому ґрунті (18% заявок). Навіть з міцністю на розтяг понад 600 Н/мм2, стрижень, який вдаряється об закопану породу під кутом, зігнеться. Після згинання більше ніж на кілька градусів стрижень не буде проходити прямо. Запобігання: завжди використовуйте попередньо просвердлений отвір у підозрілому кам'янистому ґрунті. Ми отримали цю скаргу з проектів у Туреччині, Ірані та гірських районах Східної Африки.

Відмова 4: Корозія в місці з'єднання муфти в засоленому ґрунті (12% заявок). У прибережних або засолених середовищах різьбовий інтерфейс може кородувати швидше, ніж корпус стрижня, якщо матеріал муфти не є гальванічно сумісним. Наші латунні муфти мінімізують цей ризик, оскільки різниця гальванічних потенціалів між латунню та сталлю з мідним покриттям становить менше 50 мВ. Для екстремально засолених середовищ (прибережні райони Саудівської Аравії, Катару, ОАЕ) ми також пропонуємо варіант муфти з нержавіючої сталі.

Дані про питомий опір ґрунту з реальних проектів: чому глибина змінює все

Причиною глибокого занурення є питомий опір ґрунту. У більшості типів ґрунтів питомий опір зменшується з глибиною, оскільки глибший ґрунт має вищий вміст вологи та більше розчинених мінералів. Ось виміряні значення опору ґрунту з трьох реальних проектів, де ми поставили комплекти секційних стрижнів:

Абуджа, Нігерія (латеритний ґрунт, 800 Ом·м): цільний стрижень 1,5 м = 28 Ом. Секційний стрижень 3 м = 14 Ом. Секційний стрижень 6 м = 4,2 Ом. Підряднику знадобилося 5 Ом; за допомогою секційної системи вони досягли глибини приблизно 5,5 м.

Ер-Ріяд, Саудівська Аравія (пустельний пісок, 1200 Ом·м): цільний стрижень 2,4 м = 45 Ом. Перетин 3 м = 32 Ом. Перетин 6 м = 12 Ом. Перетин 9 м = 6,8 Ом. Згідно з проектною специфікацією, опір мав бути 10 Ом; його було досягнуто на глибині приблизно 7 м.

Дар-ес-Салам, Танзанія (глинисто-суглинистий ґрунт, 200 Ом·м): цільний стрижень довжиною 1,5 м = 8 Ом. Специфікація вимагала 5 Ом. Одне подовження довжиною 1,5 м (загалом 3 м) збільшило опір до 4,8 Ом. У цьому випадку ґрунт був податливим, і потрібне було лише мінімальне подовження на глибину.

TheСтандарт IEEE 142 (Зелена книга)наведено формулу для оцінки опору забивного стрижня: R = (ρ / 2πL) × (ln(4L/a) – 1), де ρ – питомий опір ґрунту, L – довжина стрижня, а a – радіус стрижня. Формула підтверджує те, що показують наші польові дані: опір обернено пропорційний довжині стрижня. Подвоєння глибини зазвичай зменшує опір на 40–60 відсотків, залежно від нашарування ґрунту.

Практичний висновок простий. У ґрунті з низьким опором (менше 300 Ом·м) зазвичай достатньо цільного стрижня довжиною від 1,5 до 3 м. У ґрунті із середнім опором (від 300 до 1000 Ом·м) може знадобитися від 3 до 6 м, що означає секційний стрижень.Управління з охорони праці та здоров'я (OSHA)вимагає від роботодавців запровадити гарантовані програми заземлення обладнання на будівельних майданчиках, що включає належне встановлення заземлюючих електродів. У ґрунті з високим опором (понад 1000 Ом·м) вам майже напевно знадобиться 6 м або більше, і секційна система є єдиним практичним способом досягти цього.

Загальна вартість встановлення: коли секційна конструкція перевершує цільну конструкцію за вашими фінансовими результатами

Вартість матеріалу за метр секційної системи вища, ніж цільноблочної, оскільки ви платите за з'єднувальні елементи та додаткову упаковку. Але загальна вартість встановлення включає оплату праці, транспортування, відходи та обладнання, і порівняння зміщується на користь секційної системи зі збільшенням глибини.

Економія на транспортуванні. У 2023 році клієнт у Кампалі, Уганда, повідомив нам, що вартість транспортування 3-метрових стрижнів з порту до місця проєкту (200 км по ґрунтових дорогах) становила приблизно 40% від вартості стрижня, оскільки кожна вантажівка могла перевозити лише 200 стрижнів через обмеження довжини. Коли вони перейшли на секційні сегменти довжиною 1,2 м, та сама вантажівка перевозила 500 сегментів за рейс. Вартість транспортування на метр стрижня знизилася більш ніж вдвічі.

Зменшення відходів. У кам'янистому ґрунті цільні стрижні, які згинаються під час забивання, є відходами. Наші клієнти з Близького Сходу повідомляють про рівень відходів від 8 до 12 відсотків для цільних стрижнів у кам'янистому пустельному ґрунті, порівняно з менш ніж 2 відсотками для секційних систем (оскільки коротші сегменти легше контролювати, а крок занурення в пілотну свердловину виконується більш послідовно). Рівень відходів 10% для проекту з 200 стрижнями означає 20 витрачених стрижнів та трудомісткість їх вилучення.

Витрати на обладнання. Для цільного стрижня довжиною понад 2,4 м потрібен спеціалізований стрижневий викрутач з довгим патроном. Секційну систему можна закручувати стандартним перфоратором з адаптером патрона — обладнанням, яке вже є у більшості електромонтажників. Економія на оренді обладнання може компенсувати вартість муфт у малих та середніх проектах.

Для неглибокого закладання (≤1,5 м) цільні стрижні дешевші та швидші. Для глибин від 1,5 до 3,0 м порівняння залежить від місця розташування. Для глибин понад 3,0 м секційна конструкція є єдиним практичним варіантом, а порівняння вартості є безпідставним.

Висновок

Вибір між секційними та цільними ґрунтовими стрижнями полягає не в тому, що краще абстрактно. Йдеться про те, що відповідає вашим ґрунтовим умовам, стійкості вашої цілі та логістиці вашого об'єкта. Цільні стрижні простіші, дешевші та міцніші на погонний метр. Секційні ґрунтові стрижні – єдине практичне рішення, коли вам потрібно заглиблюватися глибше за 3 м, коли ваш транспорт обмежує довжину стрижнів, або коли ґрунтові умови невизначені, і вам потрібна гнучкість для поступового додавання глибини.

Якість муфти визначає, чи секційна система працює належним чином. Після 47 інцидентів з перехресним нарізанням різьби у 2021 році ми переробили нашу муфту зі скошеними різьбовими входами та знизили рівень відмов на 70 відсотків. Це той вид ітеративного вдосконалення, який забезпечують 17 років виробництва та відгуки з понад 60 країн.

У компанії Xinchang Shibang New Material Co., Ltd. ми виробляємокомплекти секційних заземлювальних стрижнів, різьбові з'єднувачі, сталеві стрижні з мідним покриттям, а також повний асортимент аксесуарів для заземлення та блискавкозахисту згідно зі стандартом ISO 9001:2008. Зв'яжіться з нами, щоб обговорити вимоги до вашого проекту.

Часті запитання