Kan een platte stalen staaf worden gebruikt voor aardingsystemen in gebouwen?

Naleving van de NEC en code-acceptatie van vlakke staalstaaf voor aarding

NEC-artikelen 250.52 en 250.64: Wanneer een vlakke staalstaaf in aanmerking komt als aardings-elektrode of aardingsgeleider

De Nationale Elektriciteitscode (NEC) stelt specifieke eisen aan afmetingen, materialen en installatie voor aardingsystemen die platte stalen staven omvatten. Artikel 250.52(A)(7) bijvoorbeeld definieert platte stalen staven als aardingselektroden wanneer koolstofarme stalen staven horizontaal worden geplaatst, boven of onder de vorstgrens. Om deze staven als aardingsgeleiders te gebruiken, stelt artikel 250.64 eisen vast met betrekking tot mechanische bescherming, afmeting en toestand van de componenten. Het niet naleven van deze eisen kan leiden tot een verhoging van de impedantie van het aardingsysteem met 40–70%. Deze verhoging kan diverse problemen veroorzaken, zoals een storing in de detectie van aardfouten en een storing van de apparatuur. Dit is de voornaamste reden waarom het NEC-handboek 2023 gedetailleerde informatie aan elektriciens verstrekt.

Minimale afmetingseisen volgens NEC-tabel 250.66: Afmetingen, dikte en begravingdiepte voor platte stalen staven

Gecoate staalstaven moeten na galvanisatie de gespecificeerde afmetingen hebben. Het verlies van de coating mag niet leiden tot een vermindering van het staalmateriaal onder de veiligheidsnormen. Metalen staven in grond met een pH-waarde lager dan 5,0 zullen bijna drie keer sneller corroderen dan standaardstaven, volgens IEEE Std. 80-2023. Deze versnelde corrosie vormt een gevaarlijk aspect van het foutstroombeheer in het systeem. In gebieden waar de grond te rotsachtig is voor volledige begraving, moeten werkploegen alle extra maatregelen die zijn genomen, documenteren, inclusief het aanbrengen van meer corrosiebestendige lagen, extra aarding, enzovoort. In dergelijke gevallen moeten de extra maatregelen worden goedgekeurd door de bevoegde autoriteit.

Corrosiebestendigheid en levensduur van platte staalstaven voor aardingsdoeleinden

HDG-platte staalstaaf: ASTM A123 & 30–50 jaar corrosiebestendigheid in typische grondsoorten

Aardingsystemen met warmgedoopte gegalvaniseerde platte stalen staven die voldoen aan de ASTM A123-normen hebben zich in diverse veldtests succesvol bewezen. De zinklaag fungeert als een barrière tegen corrosie door de grond en neemt de corrosiebelasting eerst op om het onderliggende staal te beschermen. Onafhankelijke tests tonen aan dat deze lagen ten minste 85 micrometer dik zijn, wat de vereiste dikte is voor 30 tot 50 jaar bescherming in grond met een pH van 5,5 tot 8,0 en een weerstand van meer dan 1.000 ohm-centimeter. Matrixtestresultaten voor extreme omstandigheden wijzen erop dat het materiaal intact blijft na het equivalent van 1.500 uur zoutnevel, wat overeenkomt met ongeveer 20 jaar blootstelling aan kustomstandigheden. Een effectieve installatie van deze warmgedoopte gegalvaniseerde stalen staven garandeert dat de aardingsystemen gedurende hun gehele levensduur een weerstand van minder dan 25 ohm behouden en voldoen aan de veiligheidseisen van de IEEE 80-norm.

Afbraak van onbeschermde en gegalvaniseerde platte stalen staven in kust- en droge omgevingen

Permanente aardinginfrastructuur wordt blootgesteld aan milieufactoren, te beginnen met corrosie in aardingsystemen. Factoren zoals vocht, temperatuurschommelingen en corrosie maken verzinken steeds belangrijker.

Kust- en droge omgevingen

Onbeschermd staal in kustgebieden roest gemiddeld ongeveer 1,5 mm per jaar als gevolg van chloriden, vocht en temperatuurschommelingen. In droge gebieden wordt een levensduur van meer dan 30 jaar verwacht, waarbij minder dan 15% van de coating (zink) verloren gaat; verzinkte (gecoate) staalstaven hebben in droge gebieden een geschatte levensduur van ongeveer 30 jaar.

Gewone stalen oppervlakken zullen uiteindelijk gepit raken. Ongecoated staal raakt veel sneller gepit dan gecoated staal. Verzinkt (zinkgecoat) staal behoudt na ongeveer 10 jaar nog ongeveer 98% van zijn geleidingsvermogen.

Tests van diverse vegetatie- en bodemomstandigheden in verschillende geografische gebieden bevestigen de veronderstelling van de ingenieurs dat verzinkte coatings de levensduur van metalen onderdelen in zware omstandigheden verdubbelen tot verdrievoudigen.

Dit is belangrijk voor betrouwbare elektrische verbindingen en systemen ter naleving van veiligheidsvoorschriften, zonder onderhoudsproblemen.

Gebruik van platte stalen staven in aardingsystemen van gebouwen

Woningbouw en commerciële toepassingen: hoofdaardverbindingen, aardbusbars en elektrodeverbindingen

Platte stalen staven worden in vrijwel alle soorten constructies gebruikt, omdat ze mechanisch superieur zijn, eenvoudig te beëindigen en goedkoper dan de meeste alternatieven. In woningbouw worden ze vaak gebruikt als hoofdaardingsbrug die de aansluitingsapparatuur verbindt met de aardingselektroden. Dit is vooral cruciaal wanneer meerdere aardingsstaven nodig zijn om de doelweerstand van 25 ohm te bereiken, zoals vereist door de IEEE 142-normen. Bij commerciële gebouwen is het platte profiel handig als aardingsbusbar in schakelapparatuur en verdeelborden. Het platte profiel maakt het ook mogelijk voor elektriciens om deze staven in smalle ruimtes te installeren, terwijl ze toch voldoende oppervlakte bieden voor de aardingsbusbar waarop een groot aantal aardingsverbindingen moet worden aangebracht. Platte stalen staven zijn ook geschikt voor het onderling verbinden van verschillende soorten aardingselektroden, waaronder aardingsstaven, in beton ingegoten Ufer-aardingen en zelfs metalen waterleidingen, die soms worden aangeduid als 'oude aarding'. Deze onderlinge verbinding van elektroden wordt door elektriciens veelal een 'laagimpedantie'-systeem genoemd, wat aanzienlijk beter is dan deze elektroden als afzonderlijke componenten van het systeem te behandelen.

Coördinatie met de bevoegde autoriteit, waarborging van lage-impedantieverbindingen en voorkoming van mechanische schade

Er zijn een paar basisprincipes om mee te beginnen: geïnstalleerd op een diepte van minder dan 750 mm (of 30 inch), volgens de NEC als richtlijn, moeten blootliggende platte stalen staven worden aangebracht. Dit minimaliseert de gevolgen van onbedoelde graafwerkzaamheden en voorkomt temperatuurgerelateerde problemen bij de staven. Voor aansluitingen op aardingselektroden, stroomrails of andere apparatuur mogen uitsluitend conform de geldende normen goedgekeurde verbindingselementen worden gebruikt, zoals UL-gecertificeerde klemmen of exothermische lasverbindingen, omdat deze elektrische en thermische continuïteit bevorderen en de weerstand verlagen. Bij grondomstandigheden buiten het normale bereik wordt thermisch verzinken noodzakelijk. Met name wanneer de pH-waarde van de grond < 5,0 of > 10,0 is, of de grondweerstand < 1.000 ohm·cm bedraagt, is verzinken vereist om aan ASTM A123 te voldoen. Het is ook raadzaam om contact op te nemen met de bevoegde autoriteit (Authority Having Jurisdiction, AHJ) om na te gaan of voor de projectlocatie speciale eisen gelden, bijvoorbeeld ten aanzien van vochtigheid, kustnabijheid of chemisch agressieve grondomstandigheden. Dergelijke omstandigheden kunnen extra testen, coating en/of kwaliteitscontrolemaatregelen vereisen.

Veelgestelde vragen

1. Wat doen platte stalen staven in aardingsystemen?

Platte stalen staven vormen aardingselektroden die helpen om foutstroom veilig en effectief in de grond af te voeren.

2. Platte stalen staven zijn verzinkt. Waarom gebeurt dit?

Verzinken voorziet staven van een beschermende zinklaag. Dit verhoogt de weerstand van de staven tegen roest en corrosie. Dit is zeer belangrijk in kustgebieden of zeer droge omgevingen.

3. Hoe voldoen platte stalen staven aan de eisen van de NEC?

Platte stalen staven moeten ten minste 750 mm of 30 inch onder de grond worden geïnstalleerd. De staven moeten ook worden beschermd met een massieve metalen afdekking om corrosie te voorkomen. Slijtagebestendige mechanische verbindingen, samen met UL-klemmen of exothermische lasverbindingen, moeten aan de staven worden aangebracht.