Можно ли использовать плоскую стальную полосу для систем электрического заземления в зданиях?

Соответствие требованиям NEC и кодовое одобрение использования плоской стальной полосы для заземления

Статьи NEC 250.52 и 250.64: когда плоская стальная полоса может использоваться в качестве заземляющего электрода или заземляющего проводника

Национальный электротехнический кодекс (NEC) устанавливает конкретные требования к размерам, материалам и монтажу систем заземления, включающих плоские стальные полосы. Например, статья 250.52(A)(7) определяет плоские стальные полосы в качестве электродов заземления при условии, что полосы из низкоуглеродистой стали размещены горизонтально выше или ниже глубины промерзания грунта. Для использования этих полос в качестве проводников заземления статья 250.64 предписывает требования к механической защите, сечению и состоянию компонентов. Несоблюдение этих требований может привести к увеличению импеданса системы заземления на 40–70 %. Такое увеличение может вызвать ряд проблем, включая сбой в обнаружении замыканий на землю и выход оборудования из строя. Именно поэтому в Справочнике NEC 2023 года приводятся подробные указания для электриков.

Минимальные требования к размерам согласно таблице 250.66 NEC: размеры, толщина и глубина залегания плоских стальных полос

Оцинкованные стальные прутки должны иметь заданные размеры после горячего цинкования. Потеря цинкового покрытия не должна приводить к уменьшению толщины стального материала ниже нормативных значений, установленных в целях обеспечения безопасности. В грунтах с pH-значением менее 5,0 тонкие металлические прутки подвергаются коррозии почти в три раза быстрее, чем стандартные прутки, согласно IEEE Std. 80-2023. Ускоренная коррозия создаёт опасный аспект при управлении токами короткого замыкания в системе. В районах, где грунт настолько каменистый, что не позволяет полностью заглубить прутки, бригады на месте обязаны документировать все дополнительные меры, предпринятые для решения этой проблемы, включая установку более коррозионностойких слоёв, дополнительное заземление и т. д. В таких случаях любые дополнительные меры должны быть одобрены компетентным органом.

Коррозионная стойкость и срок службы плоских стальных прутков для целей заземления

Горячеоцинкованный плоский стальной пруток: ASTM A123 и коррозионная стойкость от 30 до 50 лет в типичных грунтах

Системы заземления с полосами из плоской стали с горячим цинкованием, соответствующие стандарту ASTM A123, успешно прошли различные полевые испытания. Цинковое покрытие действует как барьер против коррозии почвы и первым подвергается коррозионному воздействию, защищая лежащую под ним сталь. Независимые испытания показывают, что толщина этого покрытия составляет не менее 85 микрометров — это минимально требуемая толщина для обеспечения защиты в течение 30–50 лет в почве с pH от 5,5 до 8,0 и удельным электрическим сопротивлением выше 1000 Ом·см. Результаты матричных испытаний в экстремальных условиях свидетельствуют о том, что материал сохраняет целостность после воздействия солевого тумана в течение эквивалента 1500 часов, что соответствует примерно 20 годам эксплуатации в прибрежной зоне. Правильный монтаж этих полос из плоской стали с горячим цинкованием гарантирует, что системы заземления будут поддерживать сопротивление менее 25 Ом на протяжении всего срока службы и удовлетворять требованиям стандарта IEEE 80 в части безопасности.

Деградация незащищённых и оцинкованных полос из плоской стали в прибрежных и засушливых условиях

Постоянная система заземления подвергается воздействию внешних факторов окружающей среды, начиная с коррозии в системах заземления. Такие факторы, как влажность, колебания температуры и коррозия, делают цинковое покрытие всё более важным.

Прибрежные и засушливые районы

Незащищённая сталь в прибрежных районах подвержена ржавчине со скоростью около 1,5 мм в год из-за хлоридов, влаги и колебаний температуры. В засушливых районах ожидаемый срок службы составляет более 30 лет при потере менее 15 % цинкового покрытия, тогда как оцинкованная (с покрытием) стальная арматура рассчитана на примерно 30 лет службы в засушливых районах.

Поверхность обычной стали со временем становится ямчатой. Непокрытая сталь будет покрываться ямками значительно быстрее, чем покрытая сталь. Оцинкованная (с цинковым покрытием) сталь сохраняет около 98 % своей проводимости спустя примерно 10 лет.

Испытания различных типов растительности и почвенных условий в нескольких географических районах подтверждают предположение инженеров о том, что цинковые покрытия удваивают или утраивают срок службы металлических компонентов в агрессивных условиях.

Это имеет важное значение для обеспечения надёжных электрических соединений и систем с точки зрения соблюдения требований безопасности без необходимости в техническом обслуживании.

Применение плоских стальных полос в системах заземления зданий

Жилые и коммерческие объекты: главные уравнивающие перемычки, шины заземления и соединения электродов

Плоские стальные полосы используются практически во всех типах строительства, поскольку они обладают высокими механическими характеристиками, просты в монтаже и дешевле большинства альтернативных решений. В жилищном строительстве их часто применяют в качестве основного соединительного проводника (jumping conductor), который соединяет оборудование ввода с заземляющими электродами. Это особенно важно, когда для достижения требуемого сопротивления заземления в 25 Ом, установленного стандартом IEEE 142, необходимо использовать несколько заземляющих стержней. В коммерческих зданиях плоская форма полосы удобна при использовании в качестве шин заземления в распределительных устройствах и щитах. Плоская форма также позволяет электромонтажникам устанавливать такие полосы в узких местах, обеспечивая при этом необходимую площадь шины заземления в тех участках, где требуется подключить большое количество заземляющих проводников. Плоские стальные полосы также хорошо подходят для соединения различных типов заземляющих электродов — в том числе заземляющих стержней, бетонных заземлителей типа «Уфер» и даже металлических водопроводных труб, которые некоторые называют «старым заземлением». Соединение таких электродов между собой образует то, что электромонтажники обычно называют «системой с низким импедансом», которая значительно эффективнее, чем рассмотрение каждого из них как отдельного элемента системы.

Согласование с компетентным органом, обеспечение низкоимпедансных соединений и предотвращение механических повреждений

Существует несколько базовых требований для начала работ: при устройстве в грунте на глубине более 750 мм (30 дюймов) с использованием NEC в качестве руководства следует укладывать открытые плоские стальные полосы. Это минимизирует риски повреждения при случайных земляных работах и предотвращает возникновение температурно-обусловленных проблем у полос. Для подключения к заземляющим электродам, шинам или другому оборудованию применяйте исключительно сертифицированные соединители, например, наконечники, одобренные UL, или термитные сварные соединения, поскольку они обеспечивают электрическую и тепловую непрерывность и снижают сопротивление. При нестандартных почвенных условиях горячее цинкование становится обязательным. В частности, если pH почвы составляет менее 5,0 или более 10,0, либо удельное электрическое сопротивление почвы ниже 1000 Ом·см, цинкование требуется для соответствия стандарту ASTM A123. Также рекомендуется связаться с компетентным органом (AHJ), чтобы уточнить, применимы ли к месту реализации проекта специальные требования, например, связанные с повышенной влажностью, прибрежным расположением или химически агрессивными почвенными условиями. Такие условия могут потребовать дополнительных испытаний, нанесения защитных покрытий и/или мер контроля качества.

Часто задаваемые вопросы

1. Какую функцию выполняют плоские стальные полосы в системах заземления?

Плоские стальные полосы служат заземляющими электродами, которые обеспечивают безопасное и эффективное рассеивание тока короткого замыкания в грунте.

2. Плоские стальные полосы оцинкованы. Зачем это делается?

Оцинковка покрывает стальные полосы защитным цинковым слоем. Это повышает устойчивость полос к ржавчине и коррозии. Это особенно важно в прибрежных или очень сухих условиях.

3. Как плоские стальные полосы соответствуют требованиям Национального электротехнического кодекса (NEC)?

Плоские стальные полосы должны быть проложены на глубине не менее 750 мм (30 дюймов) ниже поверхности земли. Кроме того, полосы должны быть защищены сплошным металлическим кожухом для предотвращения коррозии. К полосам должны быть выполнены абразивные механические соединения, а также соединения с использованием клемм UL или экзотермической сварки.