Thanh thép dẹt có thể được sử dụng cho hệ thống nối đất điện trong các tòa nhà không?

Tuân thủ NEC và sự chấp nhận theo quy chuẩn của thanh thép dẹt trong ứng dụng nối đất

Các điều 250.52 và 250.64 của NEC: Khi nào thanh thép dẹt đủ điều kiện làm điện cực nối đất hoặc dây dẫn nối đất

Mã Điện Quốc Gia (NEC) quy định các tiêu chí cụ thể về kích thước, vật liệu và lắp đặt đối với hệ thống nối đất bao gồm thanh thép dẹt. Ví dụ, Điều 250.52(A)(7) xác định thanh thép dẹt là điện cực nối đất nếu các thanh thép carbon thấp được đặt theo phương ngang ở trên hoặc dưới đường đóng băng. Để sử dụng những thanh này làm dây dẫn nối đất, Điều 250.64 nêu rõ các yêu cầu về bảo vệ cơ học, kích thước và trạng thái của các thành phần. Việc không tuân thủ các yêu cầu này có thể làm tăng trở kháng của hệ thống nối đất từ 40–70%. Sự gia tăng này có thể dẫn đến nhiều vấn đề như thất bại trong việc phát hiện sự cố chạm đất và hỏng hóc thiết bị. Đây là lý do chính khiến Sổ tay NEC năm 2023 cung cấp các chi tiết cụ thể dành cho thợ điện.

Yêu cầu về kích thước tối thiểu theo Bảng 250.66 của NEC: Kích thước, độ dày và độ sâu chôn lắp đối với thanh thép dẹt

Các thanh thép đã phủ lớp bảo vệ phải có kích thước quy định sau khi mạ kẽm. Việc mất lớp phủ không được dẫn đến việc giảm lượng thép cơ bản xuống dưới mức tiêu chuẩn về độ an toàn. Các thanh kim loại đặt trong đất có độ pH thấp hơn 5,0 sẽ bị ăn mòn nhanh gần gấp ba lần so với các thanh tiêu chuẩn, theo IEEE Std. 80-2023. Hiện tượng ăn mòn gia tốc này gây ra rủi ro nguy hiểm đối với việc quản lý dòng sự cố trong hệ thống. Tại những khu vực có đất quá nhiều đá khiến việc chôn lấp hoàn toàn không khả thi, đội thi công tại hiện trường phải ghi chép đầy đủ mọi biện pháp bổ sung đã thực hiện, bao gồm lắp đặt thêm các lớp chống ăn mòn hiệu quả hơn, nối đất bổ sung, v.v. Trong các trường hợp này, các biện pháp bổ sung phải được Cơ quan Quản lý Có Thẩm quyền phê duyệt.

Khả năng chống ăn mòn và tuổi thọ của thanh thép dẹt dùng cho ứng dụng nối đất

Thanh thép dẹt mạ kẽm nhúng nóng (HDG): Tiêu chuẩn ASTM A123 & Khả năng chống ăn mòn từ 30–50 năm trong các loại đất điển hình

Các hệ thống nối đất sử dụng thanh thép dẹt mạ kẽm nhúng nóng đạt tiêu chuẩn ASTM A123 đã hoạt động thành công trong nhiều thử nghiệm thực địa. Lớp phủ kẽm đóng vai trò như một rào cản chống ăn mòn do đất gây ra và chịu tác động ăn mòn trước tiên nhằm bảo vệ lớp thép bên dưới. Các thử nghiệm độc lập cho thấy độ dày của lớp phủ này ít nhất là 85 micromet, đây là độ dày yêu cầu để đảm bảo khả năng bảo vệ trong khoảng 30–50 năm khi lắp đặt trong đất có độ pH từ 5,5 đến 8,0 và điện trở suất trên 1.000 ohm-centimet. Kết quả thử nghiệm ma trận trong điều kiện khắc nghiệt cho thấy vật liệu vẫn nguyên vẹn sau thời gian tương đương 1.500 giờ phun muối, tương đương với khoảng 20 năm tiếp xúc ở vùng ven biển. Việc lắp đặt hiệu quả các thanh thép mạ kẽm nhúng nóng này đảm bảo rằng các hệ thống nối đất duy trì điện trở nhỏ hơn 25 ohm trong suốt toàn bộ tuổi thọ thiết kế và đáp ứng đầy đủ các yêu cầu an toàn theo tiêu chuẩn IEEE 80.

Sự suy giảm của các thanh thép dẹt trần và thanh thép dẹt mạ kẽm trong môi trường ven biển và khô hạn

Cơ sở hạ tầng tiếp đất cố định chịu tác động của các yếu tố môi trường gây căng thẳng, bắt đầu từ hiện tượng ăn mòn trong các hệ thống tiếp đất. Các yếu tố gây căng thẳng như độ ẩm, dao động nhiệt độ và ăn mòn làm cho việc mạ kẽm ngày càng trở nên quan trọng.

Môi trường ven biển và khô hạn

Thép không được bảo vệ ở khu vực ven biển thường bị gỉ với tốc độ khoảng 1,5 mm mỗi năm do ảnh hưởng của muối clorua, độ ẩm và dao động nhiệt độ. Ở khu vực khô hạn, tuổi thọ dự kiến đạt trên 30 năm với mức mất lớp phủ (kẽm) dưới 15%, trong khi thép thanh đã được mạ kẽm (có lớp phủ) được ước tính có tuổi thọ khoảng 30 năm ở khu vực khô hạn.

Bề mặt thép thông thường cuối cùng sẽ xuất hiện các vết lõm. Thép không được phủ lớp bảo vệ sẽ xuất hiện các vết lõm nhanh hơn nhiều so với thép đã được phủ lớp bảo vệ. Thép đã được mạ kẽm (có lớp phủ kẽm) vẫn duy trì khoảng 98% khả năng dẫn điện sau khoảng 10 năm.

Việc kiểm tra nhiều điều kiện thực vật và đất ở nhiều khu vực địa lý khác nhau cho thấy giả định của các kỹ sư rằng lớp phủ mạ kẽm làm tăng tuổi thọ của các bộ phận kim loại trong điều kiện khắc nghiệt lên gấp hai đến ba lần là chính xác.

Điều này rất quan trọng để đảm bảo các kết nối điện và hệ thống điện đáng tin cậy, đáp ứng yêu cầu an toàn mà không phát sinh phiền hà trong bảo trì.

Sử dụng thanh thép dẹt trong hệ thống tiếp địa của các tòa nhà

Ứng dụng trong nhà ở và thương mại: Dây nhảy nối đẳng thế chính, thanh góp tiếp địa và các dây nối giữa các điện cực

Các thanh thép dẹt được sử dụng trong hầu hết mọi loại công trình xây dựng, bởi vì chúng vượt trội về mặt cơ học, dễ nối dây và rẻ hơn phần lớn các lựa chọn thay thế khác. Trong xây dựng nhà ở, chúng thường được dùng làm dây nối đẳng thế chính, kết nối thiết bị cấp điện với các điện cực tiếp đất. Việc này đặc biệt quan trọng khi cần lắp nhiều cọc tiếp đất để đạt được giá trị điện trở 25 ôm theo yêu cầu của tiêu chuẩn IEEE 142. Đối với các công trình thương mại, hình dạng dẹt của thanh thép rất hữu ích khi làm thanh góp tiếp đất (busbar) trong tủ phân phối và bảng điều khiển. Hình dạng dẹt cũng cho phép thợ điện lắp đặt các thanh này vào những không gian chật hẹp, đồng thời vẫn đảm bảo diện tích bề mặt cần thiết của thanh góp tiếp đất tại những vị trí cần nối dây tiếp đất với số lượng lớn. Các thanh thép dẹt cũng rất phù hợp để liên kết các loại điện cực tiếp đất khác nhau, bao gồm cả cọc tiếp đất, hệ thống tiếp đất chôn trong bê tông (Ufer ground) và thậm chí cả các đường ống nước kim loại mà một số người gọi là "tiếp đất cũ". Việc liên kết các điện cực này chính là điều mà thợ điện thường gọi là hệ thống "trở kháng thấp", hiệu quả hơn nhiều so với việc xem chúng như những thành phần riêng lẻ trong hệ thống.

Phối hợp với cơ quan có thẩm quyền (AHJ), Đảm bảo các kết nối có trở kháng thấp và Tránh hư hại cơ học

Có một vài điều cơ bản cần thực hiện để bắt đầu: lắp đặt các thanh thép dẹt lộ ra ở độ sâu dưới 750 mm (hoặc 30 inch), sử dụng tiêu chuẩn NEC làm hướng dẫn. Việc này giúp giảm thiểu ảnh hưởng do đào bới vô tình và ngăn các thanh thép bị ảnh hưởng bởi các vấn đề liên quan đến nhiệt độ. Đối với các điểm nối với điện cực, thanh góp (busbar) hoặc thiết bị khác, chỉ được sử dụng các bộ nối được quy định trong tiêu chuẩn, chẳng hạn như đầu nối (lugs) được liệt kê theo tiêu chuẩn UL hoặc mối hàn nhiệt phản ứng (exothermic welds), vì những loại này đảm bảo tính liên tục về điện và nhiệt, đồng thời giảm điện trở. Trong trường hợp điều kiện đất nằm ngoài phạm vi bình thường, việc mạ kẽm nhúng nóng trở thành yêu cầu bắt buộc. Cụ thể, nếu độ pH của đất nhỏ hơn 5,0 hoặc lớn hơn 10,0, hoặc điện trở suất đất nhỏ hơn 1.000 ohm·cm, thì việc mạ kẽm là bắt buộc để đáp ứng tiêu chuẩn ASTM A123. Ngoài ra, cũng nên liên hệ với Cơ quan có thẩm quyền (AHJ) để xác định xem tại vị trí thực hiện dự án có yêu cầu đặc biệt nào áp dụng hay không, ví dụ như điều kiện đất ẩm ướt, gần khu vực ven biển hoặc đất có tính ăn mòn hóa học. Những điều kiện này có thể đòi hỏi thêm các biện pháp kiểm tra, phủ lớp bảo vệ và/hoặc kiểm soát chất lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Thanh thép dẹt thực hiện chức năng gì trong các hệ thống nối đất?

Thanh thép dẹt đóng vai trò là điện cực nối đất, giúp tản dòng sự cố xuống đất một cách an toàn và hiệu quả.

2. Thanh thép dẹt được mạ kẽm. Việc này được thực hiện nhằm mục đích gì?

Việc mạ kẽm tạo ra một lớp phủ kẽm bảo vệ trên bề mặt thanh thép, từ đó nâng cao khả năng chống gỉ và ăn mòn của thanh. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong các môi trường ven biển hoặc rất khô.

3. Thanh thép dẹt đáp ứng các yêu cầu của NEC như thế nào?

Thanh thép dẹt phải được lắp đặt ở độ sâu tối thiểu 750 mm (hoặc 30 inch) dưới mặt đất. Các thanh này cũng cần được bọc bảo vệ bằng lớp vỏ kim loại đặc để tránh ăn mòn. Các mối nối cơ học chịu mài mòn cùng với đầu nối UL hoặc mối hàn nhiệt phản ứng (exothermic welds) phải được thực hiện trên các thanh.