このホワイトペーパーは Power Quality ’93 Conference で発表され、公式プロシーディングス ブックに掲載されました。
DEEP EARTH GROUNDING vs SHALLOW EARTH GROUNDING
by
Martin D. Conroy and Paul G. Richard
Computer Power Corporation
Omaha, Nebraska
ABSTRACT
低抵抗接地は、安全で敏感な電子機器の保護に欠かせないものです。 これは、あらゆる施設の電力品質保証プログラムの基礎となります。
この論文では、浅い (10 フィート以下) 電極よりも深い駆動電極の利点を紹介します。 この論文では、深層駆動電極が低い接地抵抗を提供し、設置が経済的で、長期間にわたって低い抵抗を維持し、メンテナンスが不要で、環境への懸念がないことを実証します。 この論文では、いくつかの州で5年間に設置された140以上の深層駆動電極のフィールドデータを利用します。 この論文では、深層駆動電極を設置し、試験を行うための装置、材料、プロセスの開発について述べている。 このプロセスには、全長にわたってロッドの完全な接触を維持するために、カプラーの空隙にベントナイトを注入する新しい技術も含まれている。 いくつかの現場レポートを紹介し、議論している。 この論文は、低抵抗接地システムの仕様決定、設置、テストに携わる人々にとって価値のあるものであろう。
Objectives
The objectives of this paper is to:
- 低抵抗値を達成するために必要な電極の深さを決定する
- 標準の 8 ～ 10 フィート グランド ロッドが最小限のコード要件を満たすかどうかを決定する
- 浅い電極の安定性を評価する
- 深い駆動グランド ロッドのインストール用の新しいプロセスを提示する
前進
混乱した基準。 アースの分野では、長年にわたり、さまざまな哲学や意見の対立に悩まされてきました。 これらの問題の大部分は、電気、コンピュータ、通信システムにおける接地と結合の方法と理由を扱っています。接地電極システムの接地抵抗に焦点を当てた情報と議論はほとんどありません。 ほとんどの計画や仕様書は、接地電極システムのインストールとテストについてほとんど指示を与えず、多くは単に「NECに従って接地する」と述べています。 接地に関するある有名な出版物は、そのような仕様を書く技術者は「安全に対する全責任を負っておらず」、「効果的な」接地の設置を成り行き任せにしている、と述べています! 著者らが行った電力品質の現場調査によると、検査した全施設の90～95%は効果的な接地システムを備えていませんでした。 さらに、検査した施設の中で、電極システムの接地抵抗をテストしたことがあるところはありませんでした。
効果的なアース接地は、AC および DC 電気機器と配電システムを接地するために不可欠です。 効果的な接地は、衝撃や火災の危険から人員や機器を保護するために必要なレベルの安全性を提供します。 施設の接地システムの理解と評価は、あらゆる電力品質保証プログラムの一部であるべきです。
接地および試験手順を理解するためには、なぜ接地が重要であるかを再検討する必要があります。 以下のリストは、効果的な接地システムの基本的な要件をいくつか示しています。
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配電システムの電圧を明確な固定値に制限 |
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絶縁体の定格内に電圧を制限 |
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過渡電流を最小限に抑え、より安定したシステムを提供します。 電圧と電気ノイズ |
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故障時に接地する経路を提供し、地絡保護の動作により機器を迅速に絶縁 |
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人が触れることがあるすべての導電性エンクロージャの接地を提供します。 これにより、感電の危険を排除します。 |
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施設内で発生する静電気を低減します。 大地への低抵抗パスを作成することにより、大きな電気障害（雷など）からの保護 |
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アースシステムはNEC (National Electrical Code) Article 250 requirementsを満たす必要があります。 NEC は、「接地」とは「大地または大地の代わりとなる接続体に接続されていること」、「効果的に接地されていること」とは「接続された機器または人への過度の危険となる電圧の蓄積を防ぐために、十分に低いインピーダンスと十分な電流容量を持つ接地接続または接続を介して意図的に大地と接続されていること」と定義しています。 このシステムはNEC 250-81 & 83に規定されており、表1に記載されている利用可能な項目の組み合わせが含まれています。
金属製水道管、地中10フィート
建物の金属フレーム
コンクリート包囲電極
グランドリング
棒およびパイプ電極
プレート電極
テーブル1.電極の種類と材質 Grounding electrode system components
NEC は、Article 250-81 で要求される接地電極システムの最大接地抵抗を規定していない。 唯一、接地抵抗を規定しているのは、第250-84条の「作られた」(ロッド、パイプ、プレート)電極の場合である。 ここでNECは、単一電極の対地抵抗が25オーム以下であることを規定している。 25オームを満たさない場合は、電極を1つ追加する必要がある。 しかし、2つの電極の組み合わせは、25オームの要件を満たす必要はありません。 NECの作成者は、表1の組み合わせで25オーム以下の規格を満たすと想定しているとしか思えない。
IEEE グリーンブックによると、大規模な変電所の接地電極の抵抗は 1 オーム以下であるべきです。 商業用および工業用変電所では、推奨接地抵抗は2～5オーム以下です。 この低抵抗は、電気系統の対地電位が高いために必要です。
多くの機器ベンダーや通信会社では、3オーム以下の抵抗の接地システムを要求しています。
現代の建設方法および材料では、低抵抗のアース システムを実現することが難しくなっています。 多くの自治体では、防錆のために金属製の水道管を絶縁したり、非金属製の水道管に切り替えたりしています。 建築用鋼材は、「効果的に接地されている」場合にのみ使用することができます。 ほとんどの施設では、そうではない。 コンクリートで覆われた電極（ウーファー・アース）は、多くの地域では一般的ではありません。 リングアースやプレート電極は、設置コストが高いため、ほとんど使用されていない。 8-10フィートの接地棒は、ほとんどの施設で典型的な「作られた」電極である。
最小限の接地システムを持つ多くのサイトでは、新しい接地電極システムをインストールすることは、コストが高くつくか、非現実的です。
INTRODUCTION
1986年、低抵抗の大地アースを設置する最も効果的な方法を決定するために研究が行われました。 様々な接地方法と材料が評価されました。 その結果、実用性やコスト面から標準的な方法のほとんどが否定されました。 化学棒や土壌改良材を使用する新工法は有望視されましたが、環境への影響や責任について未解決の問題が残されています。 あるベンダーの製品の「秘密の」化学組成について質問されたとき、そのアイテムは埋立地に置かれるEPAの承認を受けているという答えが返ってきた。 問題は、埋立地には低抵抗の接地が必要ないことです。 ある州の環境エンジニアは、自治体の水源近くで化学的土壌改良材を使用することに注意を促した。
研究に基づいて、それは深い駆動地上ロッドは、完全なロッドの接触を維持することができれば、低抵抗の地球接地のための最良のソリューションを提供すると判断されました。
この論文では、1988年5月から1993年7月の間に設置された140本の深層打ち込み地中埋設材の現場データを評価した。 1988年5月から1993年7月までの間に140本の深部地中埋設棒が設置され、ネブラスカ州を中心に6つの州で設置された。 深さは15フィートから90フィートであった。 すべての抵抗測定はBiddleMegger、モデルNo.250220-1、Null-Balance Earth Tester.を使用して3点フォールオブポテンシャル法で行われた
DISCUSSION
フィールドデータは、グランドロッドのインストール5フィート深さごとに地球抵抗値を含んでいます。 アースロッドの深さは、所望の抵抗値を達成するか、障害物に当たるかによって決定された。 ロッドの抵抗値は図1のような深さ対抵抗値のグラフにプロットされた。
Figure 1. 接地棒の抵抗値グラフの例。 Ohms vs. Depth
140本以上の接地棒の抵抗値データを平均化してプロットしたものが図2である。 平均的な5フィートのグランドロッドは66オームを測定し、10フィートで29.8オームであることに注意してください、補間によって8フィートのグランドロッドは、約40オームを平均します。 8フィートと10フィートの平均的なアース棒は、NECの最低値である25オーム以下を満たしていない。 5オーム以下の場合、30フィートの深さが必要です。 深さの最初の20フィートは、地球の抵抗の最大の変化を表していた。
各ロッドの最終的な深さと抵抗は、図3にプロットされています。 ロッドの大半は、40～60フィートの深さで0.9～2.0オームの抵抗の範囲であった。
異なる時間での抵抗の比較は図4に示されている。 このグラフは調査期間中の各年に設置されたロッドの平均抵抗値を示しているが、深さ10フィート以下で抵抗値が大きく変化していることに注目されたい。 図2 平均抵抗値グラフ
図3 平均抵抗値グラフ
図3. 散布図
深さ30フィートでは、年ごとの変動は10オーム抵抗以下にまで減少している。 30フィート以下の深度では安定性が増し、抵抗値はさらに減少する。
図4. 年比較グラフ
CASE STUDY 1
このケースは、新しいテレマーケティングと予約センターのための深部駆動地盤システムのインストールに関与していました。 1991年初めに建設されたこの施設は、丘の頂上付近に位置する60,000平方フィートの3階建ての建物です。 建物の設計は、コンクリートのフーチングにボルトで固定された鋼鉄製の支柱を持つコンクリート打ちっぱなしの基礎が含まれていました。 工事書類には接地電極システムは指定されていませんでした。 この建物の建設中、金属製の水道管を屋内配管に接続する前に耐地性試験を行いました。 水道管は10オーム以上の抵抗を示した。 10フィートのアース棒が設置され、45オームの抵抗でテストされました。 落雷リスク評価では、この施設は中程度から重度のカテゴリーに分類されました。
安全性と保護に関する懸念に対処するため、新しい電極システムが提案され設置されました。 新しい接地電極システムは、アーリング接地棒と深部駆動接地棒の両方で構成されていた。 建物の各コーナーに深さ70-78フィートのロッドを合計4本設置した。 4本のロッドの平均抵抗値は1.57オームで、一緒に接続すると1オーム以下になりました。 建物の外周に2番の裸銅導線を埋設し、リングを形成した。 4本の深層地中線はボルト式のコネクターでリングアースに接続され、グラスファイバーの筐体で覆われている。 これにより、各電極の定期的な接続解除とテストが可能になりました。
建物の鉄骨は、各コーナー柱と交互の柱でリングアースに発熱接続されていた。 リングアースは主電源と水道管に接続されていた。 さらに、電話避雷針、電話システム、スタンバイ発電機、コンピュータルームの床上げ、電源保護装置などがアースに接続されていました。
これは新しい施設であるため、前後の結果を比較することはできません。 しかし、いくつかの一般的な観察は可能です。 この施設は、電力や雷に関連した障害による機器の損失や損傷がなく、トラブルフリーの操業の歴史を示しています。 1993年初頭は異常気象で、雷雨が頻発したことは興味深い。
CASE STUDY 2
このケースは、半乾燥の山岳地帯にある既存の施設を対象としています。 40,000平方フィートの平屋建ての建物は、もともと商業用オフィスとして設計されました。 約30,000平方フィートが賃貸され、マーケティング会社用に改装されました。 この施設では、過去に機器のトラブルや故障があり、また従業員から感電の苦情もありました。 300台あるコンピューター端末の故障率は年間200％に達していました。 その他にも、データ通信のエラーや機器の損傷などの問題がありました。
電力品質調査と電気点検の結果、この施設にはいくつかの電力と接地の問題があることがわかりました。 中でも最も深刻な問題は、不適切な接地と接地電極システムの欠如を含むNECの違反でした。 金属製の水道管は、主な接地電極として使用されていました。 しかし、その金属管は地下5フィートまでしかなく、そこでプラスチックに変更されていることが判明しました。 そのため、建物の鉄骨は効果的に接地されておらず、他の接地電極は設置されていませんでした。
配電システムの安全性と機能性の両方に対処するため、電力品質実施計画が策定されました。 この計画には、電気的な修正と接地電極システムのアップグレードが含まれていました。 地元の電気工事業者は、この地域では土壌の抵抗が低く、接地棒の打ち込みが困難なため、接地が非常に困難であると述べています。 その解決策として、化学的接地棒を提案しました。 このタイプのロッドは、周囲の土壌に化学物質（電解塩）を溶出させることで電極の抵抗値を下げるものです。 しかし、メンテナンスの問題や環境への配慮から、このタイプの電極は採用されませんでした。
このサイトでは、深層駆動電極システムが最適なソリューションとして選ばれました。硬い土壌を駆動する難しさを克服するために、ロッドのためのパイロットホールが開けられました。 深さ60フィート、直径4インチの試験孔が70フィート間隔で2つ掘られた。 最初の30フィートは砂と砂利の層で、最後の30フィートは頁岩であった。 ANSI/IEEE規格によると、砂と砂利の土壌の抵抗は15,800〜135,000オーム/cmの範囲である。 頁岩の抵抗は4060〜16300オーム/cmである。 下層の頁岩は上層に比べて約10倍抵抗が減少しています。
試験孔は水和ベントナイトで満たされ、その中に接地棒が打ち込まれた。 両ロッドは3/4インチ×10フィートの銅クラッドロッド6本で構成され、ドライブオンカプラーを備えていた。
一般論として、この施設では機器の故障と通信エラーが劇的に減少しました。 クライアントの視点からは、この施設は最もトラブルのないサイトの1つになりました。
CASE STUDY 3
この研究は、航空機工場を改造して作られた軍のコンピューター施設に関するものです。 13,800ボルトの一次側と480/277ボルトの二次側を持つ専用の変電所がこの施設のために提供されました。 この施設の電力保護システムには、並列冗長静的UPSとバックアップディーゼル発電機が含まれていた。 仕様書では、接地電極システムの接地抵抗は3オーム以下であることが要求されていました。 接地電極システムは、建物の地下階に設置された6本の3/4インチ×10フィートの接地棒で構成されています。 6本の接地棒はすべて6インチ以内に設置され、銅製のアースバーにボルトで固定されています。 変電所も同じシステムを使用しています。
このサイトはコンピュータのハードウェアの問題に悩まされ、ベンダーは電源と接地のせいにしていました。 接地棒システムは施設職員によってテストされ、0.0オームと測定されました。 電力品質調査により、接地テストが正しく行われておらず、安全上の問題があることが判明しました。 9029>
2 つの 70 フィートの深い地上の棒は既存のシステムを補強するために 90 フィートの間隔に取付けられました。 接地抵抗はそれぞれ1.1および0.8オームでテストされました。 新しいロッドは既存のアースバーに接続され、施設内のアースとなった。 6古いロッドは、その後切断され、27〜32オーム抵抗でテストされました。
深い駆動接地棒のインストール後、コンピュータサービスベンダーは、ハードウェアとの少ない問題を報告した。
このケースでは、不適切な接地抵抗テストに頼るの問題を示しています。 アース棒を互いに隣接して設置する元の設計は、最低 6 フィートの間隔という NEC の要件に違反しています。 一般に、地中線はその深さ以上の間隔で設置されるべきです。 このように、もともとの接地システムの抵抗値が低いため、人体や機器の安全が脅かされていたのである。
INSTALLATION METHOD
電極の接地抵抗は、土壌抵抗、電極の接地への接触抵抗、ロッド、カプラー、接続部の抵抗などいくつかの要因に依存する。
深層打ち込み地盤の施工には、以下の項目があります。
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ロッド材質の選択 |
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カプラータイプの選択 |
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ロッドの直径と長さ |
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駆動装置の種類 |
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インストール手順 |
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テスト手順 |
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wire termination |
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10フィート深さを超えてグランドロッドをインストールするには、いくつかの問題が発生します。 セクションロッドは、（通常10〜12フィートの長さ）を使用し、所望の深さを達成するために一緒に結合されなければならない。 そのため、ロッドよりも大きな穴が開いてしまいます。 このため、連結器の空洞ができ、追加部分のロッド表面への土の接触が制限されます。
スレッジハンマー、パイプドライバー、および他の手段でロッドを手動で駆動することは、硬い土壌を貫通するのに十分な力を提供することができない。 深部貫通型では機械式、動力式が必要である。
ロッドの材質とカプラーの設計は、硬い下層土を貫通するために必要な力に耐えられるものでなければならない。
1988年に設置された最初のロッドは、はしごに登り、ロッドの上に電気ハンマーを持つことによって行われた。 この方法は、設置者にとって厄介であり、危険でもあった。 そこで、この作業をより簡単にするために、駆動装置を製作しました。 この機械は、ジャッキと車輪を備えた支持フレームで構成されています。 電動ハンマーは、垂直方向に設置され、作業者が手動で上下させることができる。
堅い土壌を貫通するために必要な極端な力のために、ネジ式カプラーが機械的に故障していることが判明しました。 ネジ山が剥がれて、ロッドとロッドの接触が悪くなっていました。 テーパースプラインカプラーが最も信頼性が高いことが判明しました。 その結果、テーパースプラインカプラーの信頼性が最も高いことがわかった。 このドライブオンカプラーは、どんな長さのスムースロッドでも使用できるため、工程が簡略化された。 このため、事例3のように天井高があまりない建物でも、深型駆動システムを設置することができるようになりました。
ロッドと土壌の完全な接触を維持するため、ロッドを設置する際にベントナイトナトリウム（天然粘土）のスラリーミックスをカプラーの空隙に注入し、ロッド表面と土壌の間にロッドの深さに渡って導電性物質を提供します。 一般的な60フィートのアースロッドには、2〜5ガロンのベントナイトが必要です。 このベントナイトがカプラの空隙にどの程度の抵抗効果をもたらすか、試験を行った。 図5は、ベントナイトを使用しない場合の3本のグランドロッドの比較グラフです。
CONCLUSIONS
提示されたデータによって示されるように、平均8から10フィートのグランドロッドは、地球抵抗のための最小NECコードの要件を満たしていないでしょうどのように “乾燥 “ロッドは図1のグラフと比較して変動する抵抗を示したので注意してください。 浅い（10フィート以下）電極の抵抗は、季節条件の変化に応じて大きく変化します。 このため、一般的な浅い電極は、過渡電圧状態や雷サージ時に電気システムを接地電位に維持することができません。
5オーム以下の安定した抵抗値が必要な場合、30-60フィートの深さの電極が必要です。
ケーススタディでは、深い駆動電極の設置は、新規および既存の施設の両方にとって、効果的かつ実用的であることが示されました。
深層打ち込み接地棒の新しい設置方法は、効果的なアース接地の普遍的な手段を提供します。
図 5. 「ドライ」ロッド抵抗グラフ
ACKNOWLEDGMENTS
著者は、フィールドデータ、写真、および技術サポートを提供してくれたリチャード・ティーブケン氏（Infraspec、オマハ、ネブラスカ）に特に感謝しています。
IAEI Soares Book on Grounding, 4th Edition, page 128
ANSI/NFPA 70-1991, National Electrical Code, Article 250
ANSI/IEEE Green Book.The IAEI Soares Book on Grounding, 4th Edition, page 128
IEEE Green Book, Std 142-1982
NEC Article 250-81, (b), (FPN)
NFPA 78, Appendix 1
ANSI/IEEE Std 142-1982、グリーンブック、セクション4.FPN, (FPN)
NEC Article 250-81, (b), (FPN)
NFPA 78, Appendix 11 Table 5
NEC Article 250-84
BIOGRAPHIES
Martin D. Conroy は、ネブラスカ州オマハの Computer Power Corporation で CEO を務めています。
彼は1981年にCPCを設立し、顧客の増大するニーズを満たすために電力品質サービスと機器を提供しました。 過去 5 年間は、大手顧客に対する電力品質調査およびコンサルティング・サービスの提供に広く携わってきました。 電力品質、接地、高調波、法令検査などの分野を専門としている。 また、商用および公益事業者向けの電力品質セミナーを開発し、講師を務めている。
CPCを設立する以前、Martinは8年間電気工事分野で働いていました。
MartinはIAEI電気検査官で、ネブラスカ州、クラスAE電気工事業者のライセンスを持っています。
ポール G. リチャードはComputer Power Corporationに12年間勤務し、
1986年に同社に入社。 ポール・リチャードは、電力品質調査およびコンサルティングサービスのマーケティングと提供の両方に携わってきました。 また、電力品質セミナーやトレーニング・クラスの講師も務めました。 1985年、ネブラスカ大学オマハ校で理学士号を取得。