Dieses White Paper wurde auf der Power Quality ’93 Conference vorgestellt und im offiziellen Tagungsband veröffentlicht.

DEEP EARTH GROUNDING vs SHALLOW EARTH GROUNDING

von
Martin D. Conroy und Paul G. Richard

Computer Power Corporation
Omaha, Nebraska

ABSTRACT

Niederohmige Erdung ist für die Sicherheit und den Schutz empfindlicher elektronischer Geräte unerlässlich. Sie ist die Grundlage für das Programm zur Sicherung der Stromqualität in jeder Einrichtung.

In diesem Beitrag werden die Vorteile von tiefliegenden Elektroden gegenüber flachen (10 Fuß oder weniger) Elektroden vorgestellt. Es wird gezeigt, dass Tiefenerder einen niedrigen Erdwiderstand aufweisen, wirtschaftlich zu installieren sind, einen niedrigen Widerstand über die Zeit beibehalten, wartungsfrei sind und keine Umweltprobleme verursachen. In diesem Beitrag werden Felddaten von über 140 tiefgeführten Elektroden verwendet, die über einen Zeitraum von 5 Jahren in mehreren Bundesstaaten installiert wurden. Erörtert wird die Entwicklung der Ausrüstung, der Materialien und des Verfahrens zur Installation und Prüfung von tief eingebrachten Elektroden. Das Verfahren umfasst eine neue Technik zur Injektion von Bentonit in den Hohlraum des Kopplers, um einen vollständigen Kontakt der Stange über die gesamte Länge zu gewährleisten. Es werden mehrere Baustellenberichte vorgestellt und diskutiert. Dieses Papier ist für jeden von Wert, der für die Festlegung, Installation oder Prüfung von Erdungssystemen mit niedrigem Widerstand verantwortlich ist.

ZIELE

Die Ziele dieses Papiers sind:

1. die erforderlichen Elektrodentiefen zu bestimmen, um niedrige Widerstandswerte zu erreichen
2. zu bestimmen, ob die standardmäßigen 8 bis 10 Fuß langen Erdungsstangen die Mindestanforderungen der Vorschriften erfüllen
3. die Stabilität von flachen Elektroden zu bewerten
4. ein neues Verfahren für die Installation von tief eingeschlagenen Erdungsstangen vorzustellen

Vorwärts

Konfuse Normen, unterschiedliche Philosophien und widersprüchliche Meinungen haben den Bereich der Erdung über viele Jahre hinweg geplagt. Die meisten dieser Fragen befassen sich mit dem Wie und Warum der Erdung und Verbindung in Elektro-, Computer- und Kommunikationssystemen.Wenig Informationen und Diskussionen wurden auf den Erdungswiderstand des Erdungselektrodensystems konzentriert. Die meisten Pläne und Spezifikationen enthalten nur wenige Anweisungen für die Installation und Prüfung eines Erdungselektrodensystems, und in vielen ist lediglich die Rede von „Erdung gemäß NEC“. In einer bekannten Veröffentlichung über Erdung heißt es, dass Ingenieure, die solche Spezifikationen verfassen, „nicht ihre volle Verantwortung für die Sicherheit übernehmen“ und die Installation einer „effektiven“ Erdung dem Zufall überlassen! Auf der Grundlage der von den Autoren durchgeführten Erhebungen über die Stromversorgungsqualität ist festzustellen, dass 90-95 % aller untersuchten Anlagen nicht über ein wirksames Erdungssystem verfügen. Darüber hinaus hatte keine der inspizierten Einrichtungen jemals den Erdungswiderstand ihres Elektrodensystems getestet.

Eine wirksame Erdung ist für geerdete AC- und DC-elektrische Geräte und Verteilungssysteme unerlässlich. Eine wirksame Erdung bietet das erforderliche Maß an Sicherheit, um Personal und Geräte vor Stromschlägen und Brandgefahr zu schützen. Das Verständnis und die Bewertung des Erdungssystems einer Anlage sollte Teil eines jeden Programms zur Sicherung der Stromqualität sein.

Um die Erdung und die Prüfverfahren zu verstehen, ist es notwendig zu überprüfen, warum die Erdung wichtig ist. Die folgende Liste enthält einige der grundlegenden Anforderungen an ein effektives Erdungssystem.

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	begrenzt die Spannung in einem elektrischen Verteilungssystem auf bestimmte feste Werte
	Begrenzt die Spannung innerhalb der Isolationswerte
	Sorgt für ein stabileres System mit einem Minimum an transienten Über Überspannung und elektrischem Rauschen
	bietet einen Pfad zur Erde unter Fehlerbedingungen für eine schnelle Isolierung von Geräten bei Betrieb des Erdschlussschutzes
	bietet eine Erdung aller leitfähigen Gehäuse, die von Personen berührt werden können, dadurch wird die Gefahr von Stromschlägen vermieden
	reduziert statische Elektrizität, die in den Einrichtungen entstehen kann
	bietet Schutz vor großen elektrischen Störungen (z. B. Blitzschlag) durch Schaffung eines niederohmigen Pfades zur Erde

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Ein Erdungssystem muss den Anforderungen des NEC (National Electrical Code) Artikel250 entsprechen. Der NEC definiert „geerdet“ als „mit der Erde oder einem Verbindungskörper, der anstelle der Erde dient, verbunden“ und „wirksam geerdet“ als „absichtlich mit der Erde durch eine Erdverbindung oder Verbindungen mit ausreichend niedriger Impedanz und ausreichender Strombelastbarkeit verbunden, um den Aufbau von Spannungen zu verhindern, die zu einer unangemessenen Gefährdung der angeschlossenen Geräte oder Personen führen können.“

Die Erdung eines elektrischen Systems erfolgt durch die Verbindung geeigneter Komponenten des Verteilungssystems mit dem „Erdungselektrodensystem“. Dieses System ist in NEC 250-81 & 83 spezifiziert und umfasst eine Kombination der in Tabelle 1 aufgelisteten verfügbaren Elemente.

Tabelle 1. Komponenten des Erdungselektrodensystems

Der NEC gibt keinen maximalen Erdungswiderstand für das gemäß Artikel 250-81 erforderliche Erdungselektrodensystem an. Die einzige Stelle, an der ein Erdungswiderstand spezifiziert wird, ist in Artikel 250-84 für „hergestellte“ (Stab-, Rohr- und Platten-)Elektroden. Hier schreibt der NEC einen Widerstand gegen Erde von 25 Ohm oder weniger für eine einzelne Elektrode vor. Erfüllt die Elektrode den Wert von 25 Ohm nicht, muss sie durch eine zusätzliche Elektrode ergänzt werden. Die Kombination der beiden Elektroden muss jedoch nicht die 25-Ohm-Anforderung erfüllen! Man kann nur vermuten, dass die Verfasser des NEC davon ausgehen, dass die Kombination der in Tabelle 1 aufgeführten Elemente die Norm von 25 Ohm oder weniger erfüllt. Im Hinblick auf die Stromqualität überlässt diese Annahme den Erdungswiderstand dem Zufall.

Nach dem IEEE Green Book sollte der Widerstand der Erdungselektroden großer elektrischer Umspannwerke 1 Ohm oder weniger betragen. Für gewerbliche und industrielle Umspannwerke beträgt der empfohlene Erdungswiderstand 2-5 Ohm oder weniger. Dieser niedrige Widerstand ist aufgrund des hohen Erdpotentials des elektrischen Systems erforderlich.

Viele Gerätehersteller und Kommunikationsunternehmen verlangen Erdungssysteme mit einem Widerstand von weniger als 3 Ohm.

Mit modernen Baumethoden und Materialien wird es immer schwieriger, ein Erdungssystem mit niedrigem Widerstand zu erreichen. Viele Gemeinden isolieren metallische Wasserleitungen zum Korrosionsschutz oder stellen auf nichtmetallische Wasserleitungen um. Baustahl kann nur verwendet werden, wenn er „wirksam geerdet“ ist. Bei den meisten Anlagen ist das nicht der Fall. Betonummantelte Elektroden (Ufererder) sind in vielen Regionen nicht üblich. Ringerder und Plattenerder werden wegen der hohen Installationskosten nur selten verwendet. Auntested 8-10 Fuß Erdungsstange ist die typische „gemacht“ Elektrode für die meisten Einrichtungen.

Für viele Standorte, die über minimale oder fehlende Erdungssysteme verfügen, ist die Installation eines neuen Erdungselektrodensystems unerschwinglich oder unpraktisch. Aus diesem Grund wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem tief getriebene Erdungsstäbe als kostengünstige und effektive Lösung installiert werden können.

EINFÜHRUNG

Ab 1986 wurde eine Studie durchgeführt, um die effektivste Methode zur Installation einer niederohmigen Erdung zu ermitteln. Es wurden verschiedene Erdungsmethoden und -materialien bewertet. Die meisten Standardmethoden wurden aus Gründen der Praktikabilität oder der Kosten verworfen. Neue Methoden mit chemischen Stäben und bodenverbessernden Materialien sahen vielversprechend aus, ließen aber Fragen hinsichtlich der Umweltauswirkungen und der Haftung unbeantwortet. Auf die Frage nach der „geheimen“ chemischen Zusammensetzung des Produkts eines Anbieters wurde geantwortet, dass das Produkt von der EPA für die Ablagerung auf einer Deponie zugelassen sei. Das Problem ist, dass Mülldeponien keine niederohmige Erdung erfordern! Ein staatlicher Umweltingenieur warnte vor der Verwendung von chemischen Bodenverbesserungsmitteln in der Nähe kommunaler Wasserversorgung. Er befürchtete eine Verunreinigung des Grundwassers durch die Chemikalien.

Auf der Grundlage der Studie wurde festgestellt, dass tief eingebrachte Erdungsstäbe die beste Lösung für eine niederohmige Erdung darstellen, wenn ein vollständiger Kontakt der Stäbe gewährleistet werden kann.

Im Jahr 1988 wurde ein neues Verfahren für das Einbringen von tief eingebrachten Erdungsstäben entwickelt, das die mit dem Einbringen von tief eingebrachten Erdungsstäben verbundenen Probleme überwand.

Dieser Beitrag wertet die Felddaten von 140 tief eingebrachten Erdstäben aus, die zwischen Mai 1988 und Juli 1993 installiert wurden. Die Erdungsstangen wurden in 6 Bundesstaaten installiert, die meisten davon in Nebraska. Die Tiefe der Erdungsstäbe reichte von 15 bis 90 Fuß. Alle Widerstandsmessungen wurden mit der Dreipunkt-Potentialabfallmethode unter Verwendung eines Null-Balance-Erdungsprüfers von Biddle-Megger, Modell Nr. 250220-1, durchgeführt.

BESPRECHUNG

Die Felddaten enthalten Erdwiderstandswerte für jede 5-Fuß-Tiefe der Erdstangeninstallation. Die Tiefe der Erdungsstange wurde bestimmt, indem der gewünschte Widerstand erreicht oder ein Hindernis getroffen wurde. Der Widerstand der Stange wurde in einem Diagramm zwischen Tiefe und Widerstand aufgetragen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1. Diagramm des Widerstands des Erdungsstabs. Ohm vs. Tiefe

Die Widerstandsdaten von über 140 Erdungsstäben werden gemittelt und in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass der durchschnittliche Erdungsstab bei 5 Fuß 66 Ohm und bei 10 Fuß 29,8 Ohm misst. Durch Interpolation würde ein Erdungsstab von 8 Fuß im Durchschnitt etwa 40 Ohm betragen. Der durchschnittliche 8- und 10-Fuß-Erdungsstab erfüllte nicht das NEC-Minimum von 25 Ohm oder weniger. Eine Tiefe von 30 Fuß ist für 5 Ohm oder weniger erforderlich. Die ersten 20 Fuß Tiefe stellten die größte Veränderung des Erdwiderstandes dar.

Die endgültige Tiefe und der Widerstand jeder Stange sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Mehrheit der Stäbe wies einen Widerstand von 0,9 bis 2,0 Ohm in einer Tiefe von 40 bis 60 Fuß auf.

Ein Vergleich des Widerstands zu verschiedenen Zeiten ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses Diagramm zeigt den durchschnittlichen Widerstand für die in jedem Jahr des Erhebungszeitraums installierten Stangen, wobei zu beachten ist, dass der Widerstand in Tiefen von 10 Fuß oder weniger beträchtlich variiert. Der frühe Teil des Jahres 1993 war eine sehr „nasse“ Periode und wird durch einen viel geringeren Widerstand dargestellt.

Abbildung 2 Diagramm des durchschnittlichen Widerstands

Abbildung 3. Streudiagramm

Bei einer Tiefe von 30 Fuß verringert sich die jährliche Abweichung auf unter 10 Ohm Widerstand. Tiefen unter 30 Fuß erhöhen die Stabilität und verringern den Widerstand noch weiter.

Abbildung 4. Jahresvergleichsdiagramm

FALLSTUDIE 1

In diesem Fall ging es um die Installation eines Tiefbohrsystems für ein neues Telemarketing- und Reservierungszentrum. Bei dem Anfang 1991 errichteten Gebäude handelt es sich um ein dreistöckiges, 60.000 Quadratmeter großes Gebäude, das sich in der Nähe der Spitze eines Hügels befindet. Die Planung des Gebäudes sah ein Betonfundament mit Stahlstützen vor, die mit Betonfundamenten verschraubt wurden. In den Bauunterlagen war kein Erdungselektrodensystem angegeben. Während des Baus des Gebäudes wurde die metallene Wasserleitung auf Erdungswiderstand geprüft, bevor sie an die Innenleitungen angeschlossen wurde. Die Wasserleitung wies einen Widerstand von über 10 Ohm auf. Ein 10 Fuß langer Erdungsstab wurde installiert und mit einem Widerstand von 45 Ohm getestet. Bei der Bewertung des Blitzschlagrisikos wurde die Anlage in die Kategorie mittelschwer bis schwer eingestuft.

Um den Sicherheits- und Schutzbedenken Rechnung zu tragen, wurde ein neues Elektrodensystem vorgeschlagen und installiert. Das neue Erdungselektrodensystem bestand sowohl aus Erdungsstäben als auch aus Tiefenerdern. Insgesamt wurden 4 Stangen in einer Tiefe von 70-78 Fuß installiert, eine an jeder Ecke des Gebäudes. Der durchschnittliche Widerstand der 4 Stangen betrug 1,57 Ohm, und wenn sie miteinander verbunden waren, lag er unter 1 Ohm. Es wurde ein Ring gebildet, indem ein blanker, geglühter Kupferleiter Nr. 2 um den Umfang des Gebäudes herum vergraben wurde. Jede der 4 tief eingeschlagenen Erdungsstangen wurde mit einer Schraubverbindung an die Ringerde angeschlossen und mit einer Glasfaserabdeckung versehen. Dies ermöglichte ein regelmäßiges Abklemmen und Testen jeder Elektrode.

Der Baustahl wurde an jeder Ecksäule und an den Zwischensäulen durch eine exotherme Verbindung mit dem Ringerder verbunden. Der Ringerder war mit der Hauptstrom- und der Hauptwasserleitung verbunden. Zu den zusätzlichen Systemen, die mit der Erde verbunden waren, gehörten der Telefonblitzschutz, das Telefonsystem, der Notstromgenerator, der Doppelboden des Computerraums und die Stromschutzeinrichtungen.

Da es sich um eine neue Einrichtung handelt, ist ein Vergleich der Ergebnisse vor und nach der Maßnahme nicht möglich. Es können jedoch einige allgemeine Beobachtungen gemacht werden. Die Anlage hat sich in der Vergangenheit als störungsfrei erwiesen, und es sind keine Verluste oder Schäden an Geräten durch Strom- oder Blitzschlagstörungen bekannt. Interessant ist, daß Anfang 1993 ungewöhnliches Wetter mit vielen Gewitterstürmen herrschte. Örtliche Computer- und Telekommunikationsanbieter verzeichneten eine Rekordzahl von Serviceeinsätzen und Geräteausfällen in der gleichen Gegend wie die Einrichtung.

FALLSTUDIE 2

In diesem Fall ging es um eine bestehende Einrichtung in einer halbtrockenen Bergregion. Das einstöckige Gebäude mit einer Fläche von 40.000 Quadratmetern war ursprünglich für eine kommerzielle Büronutzung konzipiert worden. Etwa 30.000 Quadratmeter wurden gemietet und für ein Marketingunternehmen umgebaut. In dem Gebäude gab es in der Vergangenheit immer wieder Probleme mit den Geräten und Ausfälle sowie Beschwerden von Mitarbeitern über Stromschläge. Das Unternehmen verzeichnete eine jährliche Ausfallrate von 200 % bei seinen 300 Computerterminals. Zu den weiteren Problemen gehörten Fehler bei der Datenübertragung und Schäden an der Ausrüstung.

Bei einer Untersuchung der Stromqualität und einer elektrischen Inspektion wurden mehrere Strom- und Erdungsprobleme in der Anlage festgestellt. Zu den schwerwiegendsten Problemen gehörten Verstöße gegen die NEC, darunter eine unsachgemäße Erdung und das Fehlen eines Erdungselektrodensystems. Als Haupterdungselektrode wurde die innere metallische Wasserleitung verwendet. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Metallleitung nur 5 Fuß unter der Erde verlief, wo sie in Kunststoff umgewandelt wurde. Der Gebäudestahl war nicht effektiv geerdet, und es wurde kein weiterer Erdungselektrode installiert.

Ein Plan zur Verbesserung der Stromqualität wurde entwickelt, um sowohl die Sicherheit als auch die Funktionalität des elektrischen Verteilungssystems zu verbessern. Dieser Plan umfasste elektrische Änderungen und die Aufrüstung des Erdungselektrodensystems. Örtliche Elektroinstallateure erklärten, dass die Erdung in der Region aufgrund der geringen Widerstandsfähigkeit des Bodens und der Schwierigkeit, Erdungsstangen einzuschlagen, sehr schwierig sei. Sie schlugen einen chemischen Erdungsstab als Lösung vor. Diese Art von Stäben verringert den Elektrodenwiderstand, indem sie Chemikalien (elektrolytische Salze) in das umgebende Erdreich auswaschen. Der Kunde lehnte die chemischen Stäbe sowohl aus Wartungs- als auch aus Umweltgründen ab.

Als beste Lösung für diesen Standort wurde ein tief getriebenes Elektrodensystem gewählt, das die Schwierigkeiten des Vortriebs durch den harten Boden überwinden sollte. Zwei 60 Fuß tiefe Testlöcher mit einem Durchmesser von 4 Zoll wurden in Abständen von 70 Fuß gebohrt. Die ersten 30 Fuß bestanden aus einer Sand- und Kiesschicht, die letzten 30 Fuß waren aus Schiefergestein. Nach den ANSI/IEEE-Normen liegt der Widerstand von Sand- und Kiesböden zwischen 15.800 und 135.000 Ohm/cm. Der Widerstand von Schiefer liegt zwischen 4060 und 16.300 Ohm/cm. Die untere Schieferschicht bietet einen etwa 10-mal geringeren Widerstand als die obere Schicht.

Die Testlöcher wurden mit hydratisiertem Natriumbentonit gefüllt, in das die Erdungsstange(n) getrieben wurden. Beide Stangen bestanden aus je 6 3/4 Zoll mal 10 Fuß großen kupferummantelten Stangen mit Antriebskupplungen. Der Endwiderstand der beiden Stangen betrug 0,88 bzw. 0,48 Ohm.

Allgemein hat die Anlage eine drastische Verringerung der Geräteausfälle und Kommunikationsfehler erfahren. Aus der Sicht des Kunden ist die Anlage zu einem seiner störungsfreiesten Standorte geworden.

FALLSTUDIE 3

Diese Studie betrifft eine militärische Computeranlage, die in einer umgebauten Flugzeugfabrik untergebracht war. Für die Einrichtung wurde eine eigene Unterstation mit einer Primärspannung von 13.800 Volt und einer Sekundärspannung von 480/277 Volt eingerichtet. Das Stromversorgungssystem der Einrichtung umfasste eine parallele, redundante statische USV und Backup-Dieselgeneratoren. Die Spezifikationen verlangten für das Erdungselektrodensystem einen Erdungswiderstand von 3 Ohm oder weniger. Das Erdungselektrodensystem bestand aus 6 3/4-Zoll- und 10-Fuß-Erdungsstäben, die im Untergeschoss des Gebäudes installiert waren. Alle 6 Erdungsstangen wurden in einem Abstand von 6 Zoll zueinander installiert und mit einer Erdungsstange aus Kupfer verschraubt. Das elektrische Umspannwerk nutzte das gleiche Erdungssystem. Die Konstruktion der Anlage schloss die Verwendung von Baustahl, Wasserrohren oder Ringerdern als Erdungselektroden aus.

Der Standort wurde von Computer-Hardware-Problemen geplagt, die der Verkäufer auf Strom und Erdung zurückführte. Das Erdungsstangensystem wurde vom Personal der Einrichtung getestet und maß 0,0 Ohm. Eine Untersuchung der Netzqualität ergab, dass die Erdungsprüfung nicht korrekt durchgeführt worden war und ein Sicherheitsrisiko bestand. Standardmäßige Erdungswiderstandsprüfmethoden erfordern, dass die Erdungsstäbe während der Prüfung getrennt werden, um falsche Messwerte zu vermeiden.

Zwei 70 Fuß tiefe Erdungsstäbe wurden im Abstand von 90 Fuß installiert, um das bestehende System zu ergänzen. Der Erdungswiderstand wurde mit 1,1 bzw. 0,8 Ohm getestet. Die neuen Stangen wurden mit dem vorhandenen Erdungsstab verbunden, um die Erdung der Anlage zu gewährleisten. Die 6 alten Stangen wurden dann abgetrennt und mit einem Widerstand von 27-32 Ohm getestet.

Nach der Installation der tief eingeschlagenen Erdungsstangen meldete der Computerdienstleister weniger Probleme mit der Hardware.

Dieser Fall veranschaulicht das Problem, sich auf unsachgemäße Erdungswiderstandsprüfungen zu verlassen. Die ursprüngliche Planung, Erdungsstangen nebeneinander zu installieren, verstößt gegen die NEC-Anforderung eines Mindestabstands von 6 Fuß. In der Regel sollten Erdungsstäbe in einem Abstand verlegt werden, der nicht geringer ist als ihre Tiefe. Der geringe Widerstand des ursprünglichen Erdungssystems stellte ein Sicherheitsrisiko für das Personal und die Geräte dar. Ein Erdschluss auf der Primärseite des Umspannwerks hätte ein übermäßiges Spannungspotenzial im Erdungssystem der Anlage verursachen können.

INSTALLATIONSMETHODE

Der Erdungswiderstand einer Elektrode hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:Bodenwiderstand, Kontaktwiderstand der Elektrode zur Erde und Widerstand der Stange(n), Kupplungen und Verbindungen.

Die Installation eines Tiefenerders umfasst die folgenden Punkte:

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	Auswahl des Stangenmaterials
	Auswahl des Kupplungstyps
	Durchmesser und Länge der Stange(n)
	Art der Antriebsausrüstung
	Installationsverfahren
	Prüfverfahren
	Drahtanschlüsse

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Die Installation von Erdungsstäben, die mehr als 10 Fuß tief sind, wirft mehrere Probleme auf. Um die gewünschte Tiefe zu erreichen, müssen Abschnittsstäbe verwendet werden (typischerweise 10-12 Fuß lang) und miteinander verbunden werden. Das Verbindungsstück hat einen größeren Durchmesser als der Stab und bildet daher ein Loch, das größer ist als der Stab selbst. Dadurch entsteht ein Hohlraum in der Kupplung, der den Bodenkontakt mit der Stangenoberfläche der zusätzlichen Abschnitte einschränkt. Nur der erste Abschnitt hat einen vollständigen Kontakt zwischen Stange und Boden.

Das manuelle Eintreiben der Stangen mit Vorschlaghämmern, Rohrtreibern und anderen Mitteln kann keine ausreichende Kraft aufbringen, um harte Böden zu durchdringen. Für tief getriebene Stangen sind mechanische oder motorisierte Eintreiber erforderlich.

Das Material des Gestänges und die Konstruktion der Kupplung müssen der Kraft standhalten, die für das Durchdringen des harten Untergrunds erforderlich ist.

Die ersten Stangen, die 1988 installiert wurden, wurden auf eine Leiter geklettert und ein elektrischer Hammer auf die Stange gehalten. Dieses Verfahren war sowohl umständlich als auch gefährlich für den Installateur. Daraufhin wurde eine Rammmaschine konstruiert, um diesen Teil des Prozesses zu erleichtern. Diese Maschine besteht aus einem Tragrahmen mit Nivellierböcken und Rädern. Ein senkrechter Aufbau hält einen elektrischen Schlaghammer und kann vom Bediener manuell auf- und abgekurbelt werden. Der Elektrohammer ist mit einem speziellen Schlagwerkzeug ausgestattet, das ein „Aufpilzen“ der Stange verhindert und das Stangenende tatsächlich neu formt.

Aufgrund der extremen Kräfte, die erforderlich sind, um harte Böden zu durchdringen, wurde festgestellt, dass Schraubenkupplungen mechanisch versagten. Die Gewinde wurden abgeschliffen, was zu einem schlechten Kontakt zwischen Stange und Stange führte. Es wurde festgestellt, dass eine neuartige Kupplung mit konischer Verzahnung die zuverlässigste Kupplung ist. Eine Teststange wurde angetrieben und dann gezogen, um die mechanische Festigkeit der Kupplung zu überprüfen. Dieses Design der Auffahrkupplung vereinfachte den Prozess, da glatte Stangen beliebiger Länge verwendet werden konnten. Dadurch konnten tief getriebene Systeme in Gebäuden mit geringer Deckenhöhe installiert werden (wie in Fallstudie 3).

Um den vollen Kontakt der Stangen mit dem Boden aufrechtzuerhalten, wird bei der Installation der Stangen eine Schlammmischung aus Natriumbentonit (natürlich vorkommender Ton) in den Hohlraum des Kopplers injiziert, die über die gesamte Tiefe der Stange ein leitfähiges Material zwischen der Stangenoberfläche und dem Boden bildet. Für einen typischen 60 Fuß langen Erdungsstab werden 2 bis 5 Gallonen Bentonit benötigt. Es wurde ein Test durchgeführt, um den Widerstandseffekt des Bentonits im Kupplungshohlraum zu ermitteln. Abbildung 5 zeigt eine Vergleichsgrafik von drei Erdungsstangeninstallationen ohne Bentonit. Man beachte, dass die „trockenen“ Stäbe einen schwankenden Widerstand im Vergleich zum Diagramm in Abbildung 1 aufwiesen.

ZUSAMMENFASSUNGEN

Wie aus den vorgelegten Daten hervorgeht, erfüllt ein durchschnittlicher 8 bis 10 Fuß langer Erdungsstab nicht die Mindestanforderungen des NEC-Codes für den Erdwiderstand. Der Widerstand eines flachen (10 Fuß oder weniger) Erdungsstabes variiert stark mit den jahreszeitlichen Bedingungen. Aufgrund des hohen Erdungswiderstands ist der typische flache Erder nicht in der Lage, ein elektrisches System während transienter Spannungsbedingungen und Blitzüberspannungen auf Erdpotential zu halten.

Wenn stabile Widerstandswerte von weniger als 5 Ohm erforderlich sind, sind Elektrodentiefen von 30-60 Fuß notwendig.

Die Fallstudien haben gezeigt, dass die Installation von tief getriebenen Elektroden sowohl für neue als auch für bestehende Anlagen effektiv und praktisch ist.

Die neue Methode der Installation von tief getriebenen Erdungsstäben bietet ein universelles Mittel für eine effektive Erdung.

Abbildung 5. Diagramm des „trockenen“ Stabwiderstandes

HINWEISE

Die Autoren sind Herrn Richard Teebken (Infraspec, Omaha, Nebraska) für die Bereitstellung von Felddaten, Fotos und technischer Unterstützung besonders dankbar.

The IAEI Soares Book on Grounding, 4th Edition, page 128

ANSI/NFPA 70-1991, National Electrical Code, Article 250

ANSI/IEEE Green Book, Std 142-1982

NEC Artikel 250-81, (b), (FPN)

NFPA 78, Appendix 1

ANSI/IEEE Std 142-1982, Green Book, Section 4.1 Tabelle 5

NEC Artikel 250-84

BIOGRAPHIEN

Martin D. Conroy ist Geschäftsführer der Computer Power Corporation in Omaha, Nebraska.

Er gründete CPC im Jahr 1981, um Dienstleistungen und Geräte zur Verbesserung der Stromqualität anzubieten, die den wachsenden Anforderungen der Kunden gerecht werden. In den letzten 5 Jahren hat er sich intensiv mit Netzqualitätserhebungen und Beratungsdiensten für Großkunden befasst. Martin hat sich auf die Bereiche Netzqualität, Erdung, Oberschwingungen und Inspektionen von Vorschriften spezialisiert. Er hat Netzqualitätsseminare für gewerbliche Kunden und Versorgungsunternehmen entwickelt und geleitet.

Vor der Gründung von CPC war Martin 8 Jahre lang im Bereich der Elektroinstallation tätig.

Martin ist ein IAEI-Elektroinspektor und besitzt eine Lizenz des Staates Nebraska für Elektroinstallateure der Klasse AE.

Paul G. Richard war 12 Jahre lang bei der Computer Power Corporation tätig.

Er kam 1986 in das Unternehmen. Paul war sowohl in der Vermarktung als auch in der Durchführung von Netzqualitätsuntersuchungen und Beratungsdiensten tätig. Er gab Seminare und Schulungen zur Netzqualität. Paul spezialisierte sich auch auf die Entwicklung und Prüfung statischer Steuerungen.

Paul erhielt 1985 seinen BS von der University of Nebraska in Omaha.

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