Czy płaski pręt stalowy może być stosowany w systemach uziemienia elektrycznego w budynkach?

Zgodność z NEC oraz akceptacja kodowa płaskiego pręta stalowego do celów uziemienia

Artykuły NEC 250.52 i 250.64: kiedy płaski pręt stalowy może być stosowany jako elektroda uziemiająca lub przewód uziemiający

Krajowy Kod Elektryczny (NEC) określa konkretne wymagania dotyczące wymiarów, materiałów i montażu systemów uziemiających, w tym prętów stalowych płaskich. Na przykład artykuł 250.52(A)(7) określa pręty stalowe płaskie jako elektrody uziemiające, jeśli pręty ze stali niskowęglowej są umieszczone poziomo powyżej lub poniżej linii przemarzania gruntu. Aby wykorzystać te pręty jako przewody uziemiające, artykuł 250.64 określa wymagania dotyczące ochrony mechanicznej, wymiarów oraz stanu tych elementów. Nieprzestrzeganie tych wymagań może spowodować wzrost impedancji systemu uziemiającego o 40–70%. Taki wzrost może prowadzić do szeregu problemów, takich jak niepowodzenie wykrywania zwarć do ziemi oraz uszkodzenie sprzętu. Jest to główną przyczyną, dla której Krajowy Kod Elektryczny – Podręcznik 2023 r. zawiera szczegółowe informacje przeznaczone dla elektryków.

Minimalne wymagania dotyczące rozmiaru zgodnie z tabelą 250.66 NEC: wymiary, grubość i głębokość zakopywania prętów stalowych płaskich

Pokryte stalowe pręty muszą mieć określone wymiary po procesie galwanizacji. Utrata powłoki nie może prowadzić do zmniejszenia grubości stali poniżej wartości dopuszczalnych zgodnie ze standardami bezpieczeństwa. W glebach o pH niższym niż 5,0 cienkie stalowe pręty ulegają korozji niemal trzy razy szybciej niż pręty standardowe, zgodnie ze standardem IEEE Std. 80-2023. Przyspieszona korozja stanowi zagrożenie dla skutecznego zarządzania prądem zwarciowym w systemie. W obszarach, gdzie gleba jest zbyt skalista, aby umożliwić pełne zagłębienie prętów, załogi terenowe muszą udokumentować wszystkie dodatkowe środki zapobiegawcze, w tym stosowanie warstw o wyższej odporności na korozję, dodatkowe uziemienia itp. W takich przypadkach wszelkie dodatkowe środki muszą zostać zatwierdzone przez właściwy organ nadzorczy.

Odporność na korozję i żywotność płaskich prętów stalowych przeznaczonych do zastosowań uziemiających

Płaskie pręty stalowe gorąco ocynkowane (HDG): ASTM A123 oraz odporność na korozję przez 30–50 lat w typowych glebach

Systemy uziemienia z taśmami stalowymi płaskimi ocynkowanymi metodą gorącej imersji, zgodnymi ze standardami ASTM A123, odniosły sukces w różnych testach terenowych. Powłoka cynkowa działa jako bariera chroniąca stal przed korozją glebową i pochłania najpierw działanie korozji, aby chronić podstawowy materiał stalowy. Niezależne badania wykazały, że grubość tych powłok wynosi co najmniej 85 mikrometrów – jest to wymagana grubość zapewniająca ochronę przez 30–50 lat w glebie o pH od 5,5 do 8,0 oraz oporności właściwej przekraczającej 1000 om·cm. Wyniki badań matrycowych w warunkach skrajnych wskazują, że materiał pozostaje nietknięty po ekwiwalencie 1500 godzin narażenia na mgłę solną, co odpowiada około 20 rokom ekspozycji w środowisku przybrzeżnym. Skuteczna instalacja tych taśm stalowych ocynkowanych metodą gorącej imersji zapewnia, że systemy uziemienia utrzymują oporność poniżej 25 om przez cały okres ich użytkowania oraz spełniają wymagania normy IEEE 80 w zakresie bezpieczeństwa.

Degradacja taśm stalowych płaskich nieocynkowanych i ocynkowanych w środowiskach przybrzeżnych i suchych

Stała infrastruktura uziemienia podlega oddziaływaniu czynników środowiskowych, począwszy od korozji w systemach uziemienia. Czynniki takie jak wilgoć, wahania temperatury oraz korozja sprawiają, że proces ocynkowania staje się coraz ważniejszy.

Środowiska nadmorskie i suchy klimat

Niechroniona stal w obszarach nadmorskich ma tendencję do rdzewienia z prędkością około 1,5 mm rocznie wskutek działania chlorków, wilgoci oraz wahania temperatury. W obszarach suchych przewiduje się trwałość ponad 30 lat przy utracie mniej niż 15% powłoki (cynku), podczas gdy ocynkowane (pokryte) pręty stalowe mają szacowaną żywotność wynoszącą około 30 lat w obszarach suchych.

Powierzchnie zwykłej stali ostatecznie ulegają pittingowi (powstawaniu wgłębień). Stal niepokryta ulega pittingowi znacznie szybciej niż stal pokryta. Ocynkowana (pokryta cynkiem) stal zachowuje po około 10 latach około 98% swojej przewodności elektrycznej.

Badania różnych warunków roślinności i gleby w kilku obszarach geograficznych potwierdzają założenie inżynierów, że powłoki cynkowe podwajają lub potrajają żywotność elementów metalowych w trudnych warunkach.

Jest to istotne dla niezawodnych połączeń i systemów elektrycznych zapewniających zgodność z wymaganiami bezpieczeństwa bez konieczności częstej konserwacji.

Zastosowanie prętów stalowych płaskich w systemach uziemienia budynków

Zastosowania mieszkalne i komercyjne: główne przewody wyrównawcze, szyny uziemiające oraz połączenia między elektrodami

Płaskie pręty stalowe są stosowane w prawie wszystkich rodzajach konstrukcji, ponieważ charakteryzują się lepszymi właściwościami mechanicznymi, łatwością przyłączenia oraz niższą ceną w porównaniu z większością alternatyw. W budownictwie mieszkaniowym są często wykorzystywane jako główny przewód wyrównawczy łączący wyposażenie zasilające z elektrodami uziemiającymi. Jest to szczególnie istotne w przypadku, gdy do osiągnięcia wymaganego oporu 25 om, określonego w normie IEEE 142, konieczne jest zastosowanie wielu elektrod uziemiających. W budynkach komercyjnych płaski przekrój prętów sprawdza się jako szyny uziemiające w rozdzielnicach i tablicach rozdzielczych. Płaski przekrój umożliwia również elektrykom montaż tych elementów w ciasnych miejscach, zapewniając jednocześnie wymagane powierzchnie szyn uziemiających tam, gdzie należy wykonać dużą liczbę połączeń uziemiających. Płaskie pręty stalowe nadają się także do łączenia różnych typów elektrod uziemiających – w tym elektrod pionowych, uziemienia betonowego (tzw. uziemienia Ufera) oraz nawet metalowych rur wodociągowych, które niektórzy nazywają „starym uziemieniem”. Połączenie tych elektrod tworzy tzw. system o „niskim impedancji”, który jest znacznie lepszy niż traktowanie ich jako oddzielnych, niepowiązanych ze sobą elementów układu.

Koordynacja z właściwymi organami nadzorującymi, zapewnienie połączeń o niskiej impedancji oraz unikanie uszkodzeń mechanicznych

Istnieje kilka podstawowych zasad, które należy przestrzegać przy rozpoczęciu prac: konstrukcja powinna znajdować się poniżej głębokości 750 mm (30 cali), a jako wytyczna należy stosować normę NEC; pręty stalowe płaskie należy umieszczać w sposób widoczny. Dzięki temu minimalizuje się skutki przypadkowego wykopu oraz zapobiega się problemom wynikającym z zmian temperatury. Do połączeń z elektrodami, szynami zbiorczymi lub innym sprzętem należy stosować wyłącznie zatwierdzone przepisami łączniki, takie jak zatrzaski certyfikowane przez UL lub spawanie egzotermiczne, ponieważ zapewniają one ciągłość elektryczną i termiczną oraz zmniejszają opór. W przypadku warunków glebowych wykraczających poza zakres normalny konieczne staje się ocynkowanie ogniowe. W szczególności, jeśli pH gleby jest mniejsze niż 5,0 lub większe niż 10,0, albo opór właściwy gleby jest mniejszy niż 1000 Ω·cm, wymagane jest ocynkowanie w celu spełnienia wymagań normy ASTM A123. Dobrze również skontaktować się z organem odpowiedzialnym za nadzór (AHJ), aby ustalić, czy w miejscu realizacji projektu obowiązują szczególne wymagania, np. związane z wilgotnością, położeniem przy morzu lub występowaniem gleb o działaniu chemicznie korozyjnym. Takie warunki mogą wymagać dodatkowych badań, nanoszenia powłok i/lub środków kontroli jakości.

Często zadawane pytania

1. Do czego służą paski stalowe w systemach uziemienia?

Paski stalowe stanowią elektrody uziemiające, które pomagają bezpiecznie i skutecznie odprowadzać prąd zwarciowy do gruntu.

2. Paski stalowe są ocynkowane. Dlaczego się to robi?

Ocynkowanie zapewnia paskom stalowym ochronną warstwę cynku. Zwiększa to odporność pasków na rdzę i korozję. Jest to szczególnie ważne w środowiskach przybrzeżnych lub bardzo suchych.

3. W jaki sposób paski stalowe spełniają wymagania NEC?

Paski stalowe należy instalować na głębokości co najmniej 750 mm (30 cali) pod powierzchnią gruntu. Paski powinny również być chronione pokrywą z pełnego metalu, aby zapobiec korozji. Połączenia mechaniczne typu ścierające oraz zaciski UL lub spawanie termiczne powinny być wykonane do tych pasków.