Denna vitbok presenterades vid konferensen Power Quality ’93 och publicerades i den officiella proceedingsboken.

DEEP EARTH GROUNDING vs SHALLOW EARTH GROUNDING

av
Martin D. Conroy och Paul G. Richard

Computer Power Corporation
Omaha, Nebraska

ABSTRACT

Den låg resistenta jordförbindelsen är viktig för säkerheten och skyddet av känslig elektronisk utrustning. Det är grunden för varje anläggnings program för att säkerställa elkvalitet.

Denna artikel presenterar fördelarna med djupa drivna elektroder jämfört med grunda (10 fot eller mindre) elektroder. Det kommer att visas att djupa drivna elektroder ger ett lågt jordmotstånd, är ekonomiska att installera, bibehåller ett lågt motstånd över tiden, är underhållsfria och har inga miljöproblem. I artikeln används fältdata från över 140 djupt drivna elektroder som installerats under en femårsperiod i flera delstater. En diskussion omfattar utvecklingen av den utrustning, de material och den process som används för att installera och testa djupt drivna elektroder. Processen omfattar en ny teknik för att injicera bentonit i kopplingshålet för att bibehålla full stavkontakt på hela längden. Flera rapporter från anläggningarna presenteras och diskuteras. Denna artikel är av värde för alla som ansvarar för att specificera, installera eller testa jordsystem med låg resistans.

MÅL

Målen med denna artikel är att:

1. bestämma vilka elektroddjup som krävs för att uppnå låga motståndsvärden
2. bestämma om standard 8 till 10 fot långa markstänger uppfyller minimikraven i koden
3. utvärdera stabiliteten hos grunda elektroder
4. presenterar en ny process för att installera djupa drivna markstänger

Förutsättningar

Förvirrande standarder, olika filosofier och motstridiga åsikter har plågat området för jordning i många år. Majoriteten av dessa frågor handlar om hur och varför man jordar och binder i elektriska system, datorsystem och kommunikationssystem.Lite information och diskussion har fokuserats på jordmotståndet hos jordelektrodsystemet. De flesta planer och specifikationer ger få anvisningar om installation och provning av ett jordelektrodsystem och många anger bara ”jord enligt NEC”. I en känd publikation om jordning anges att ingenjörer som skriver sådana specifikationer ”inte tar sitt fulla ansvar för säkerheten” och överlåter installationen av ”effektiv” jordning åt slumpen! Baserat på de undersökningar som författarna har gjort av elkvaliteten på plats saknar 90-95 % av alla inspekterade anläggningar ett effektivt jordningssystem. Dessutom hade ingen av de inspekterade anläggningarna någonsin testat jordmotståndet hos sina elektrodsystem.

Effektiv jordförbindelse är nödvändig för jordad AC- och DC-elektrisk utrustning och distributionssystem. En effektiv jordning ger den säkerhetsnivå som krävs för att skydda personal och utrustning från stöt- och brandrisker. Förståelse och utvärdering av en anläggnings jordningssystem bör ingå i varje program för kvalitetssäkring av elkraft.

För att förstå jordning och testförfaranden är det nödvändigt att granska varför jordning är viktigt. Listan nedan anger några av de grundläggande kraven på ett effektivt jordningssystem.

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

	begränsar spänningen i ett elektriskt distributionssystem till bestämda fasta värden
	begränsar spänningen till de värden som ligger inom isoleringsvärdena
	ger ett mer stabilt system med ett minimum av överspänningar. spänning och elektriskt brus
	ger en väg till jord vid felförhållanden för snabb isolering av utrustning med drift av jordfelsskydd
	ger jordning av alla ledande höljen som kan beröras av personal, och därigenom eliminera chockrisker
	minskar statisk elektricitet som kan genereras inom anläggningar
	tillhandahåller skydd mot stora elektriska störningar (t.ex. blixtnedslag) genom att skapa en låg resistiv väg till jorden

msimagelist>

Ett jordsystem måste uppfylla kraven i artikel 250 i NEC (National Electrical Code). NEC definierar ”jordad” som ”ansluten till jorden eller till någon anslutande kropp som ersätter jorden” och ”effektivt jordad” som ”avsiktligt ansluten till jorden genom en jordanslutning eller anslutningar med tillräckligt låg impedans och med tillräcklig strömförande kapacitet för att förhindra att spänningar byggs upp som kan resultera i en onödig fara för ansluten utrustning eller för personer”.

Att jorda ett elektriskt system till jorden sker genom att binda lämpliga komponenter i distributionssystemet till ”jordelektrodessystemet”. Detta system specificeras i NEC 250-81 & 83 och omfattar en kombination av tillgängliga artiklar som förtecknas i tabell 1.

Tabell 1. Komponenter för jordelektrodsystem

NEC anger inget maximalt jordmotstånd för det jordelektrodsystem som krävs enligt artikel 250-81. Det enda ställe där jordmotstånd anges är i artikel 250-84, för ”tillverkade” (stav-, rör- och plattelektroder)-elektroder. Här specificerar NEC ett jordmotstånd på 25 ohm eller mindre för en enskild elektrod. Om elektroden inte uppfyller 25 ohm måste den kompletteras med ytterligare en elektrod. Kombinationen av de två elektroderna behöver dock inte uppfylla kravet på 25 ohm! Man kan bara spekulera i att författarna till NEC antar att kombinationen av de produkter som anges i tabell 1 kommer att uppfylla kravet på 25 ohm eller mindre. För att undvika problem med elkvaliteten lämnar detta antagande jordningsmotståndet åt slumpen.

Enligt IEEE:s Green Book bör jordningselektrodernas motstånd i stora elstationer vara 1 ohm eller mindre. För kommersiella och industriella undercentraler är det rekommenderade jordmotståndet 2-5 Ohm eller mindre. Detta låga motstånd krävs på grund av den höga jordpotentialen i elsystemet.

Många utrustningsleverantörer och kommunikationsföretag kräver jordsystem med ett motstånd på mindre än 3 ohm.

Med moderna byggmetoder och material blir det allt svårare att uppnå ett jordsystem med låg resistans. Många kommuner isolerar metalliska vattenledningar som korrosionsskydd eller övergår till icke-metalliska vattenledningar. Byggnadsstål kan endast användas om det är ”effektivt jordat” . I de flesta anläggningar är detta inte fallet. Elektroder med betonginklädnad (Uferjordar) är inte vanliga i många regioner. Ringjordar och plattelektroder används sällan på grund av den höga installationskostnaden. En 8-10 fot lång jordstång är den typiska ”tillverkade” elektroden för de flesta anläggningar.

För många anläggningar som har minimala eller saknade jordningssystem är installation av ett nytt jordelektrodsystem kostnadsdrivande eller opraktiskt. Av denna anledning utvecklades en process för att installera djupt drivna jordstänger som en billig och effektiv lösning.

INLEDNING

Med början 1986 gjordes en studie för att fastställa den mest effektiva metoden för att installera lågresistiv jordjordning. Olika jordningsmetoder och material utvärderades. Majoriteten av standardmetoderna förkastades av praktiska skäl eller kostnadsskäl. Nya metoder med kemiska stavar och jordförbättringsmaterial såg lovande ut, men lämnade obesvarade frågor om miljöpåverkan och ansvar. När man frågade om den ”hemliga” kemiska sammansättningen hos en leverantörs produkt fick man svaret att produkten var godkänd av EPA för deponering på en soptipp. Problemet är att deponier inte kräver låg resistiv jordning! En statlig miljöingenjör varnade för att använda kemiska jordförbättringar i närheten av kommunala vattentäkter. Han var orolig för att grundvattnet skulle förorenas av kemikalierna.

Med utgångspunkt i studien fastställdes att djupt drivna markstänger skulle vara den bästa lösningen för jordförbindelse med låg resistivitet, om full kontakt med stängerna kunde upprätthållas.

År 1988 utvecklades en ny process för att installera djupt drivna markstänger.Denna process övervann de problem som var förknippade med att installera djupt drivna markstänger.

Denna artikel utvärderar fältdata från 140 djupt drivna markstavar som installerades mellan maj 1988 och juli 1993. Markstängerna installerades i sex delstater, varav majoriteten i Nebraska. Jordstångsdjupet varierade från 15 till 90 fot. Alla resistansmätningar gjordes med trepunktsfall-potentialmetoden med hjälp av en BiddleMegger, Model No. 250220-1, Null-Balance Earth Tester.

DISKUSSION

Fältdata omfattar jordmotståndsvärden för varje 5-fotsdjup av markstångsinstallationen. Jordstångsdjupet bestämdes genom att uppnå önskat motstånd eller genom att träffa ett hinder. Stångens motstånd ritades ut på en djup-emotståndsgraf som visas i figur 1.

Figur 1. Exempel på en graf över jordstångsresistans. Ohms vs. djup

Resistansdata från över 140 markstänger har medelvärdesberäknats och plottats i figur2. Observera att den genomsnittliga markstången på 5 fot uppmättes till 66 Ohms och på 10 fot till 29,8 Ohms.Genom interpolering skulle en markstång på 8 fot i genomsnitt uppmätas till cirka 40 Ohms. Den genomsnittliga jordstången på 8 och 10 fot uppfyllde inte NEC:s minimikrav på 25 ohm eller mindre. Det krävs ett djup på 30 fot för 5 ohm eller mindre. De första 20 fotens djup representerade den största förändringen i jordmotståndet.

Det slutliga djupet och motståndet för varje stav visas i figur 3. Majoriteten av stavarna hade ett motstånd på 0,9 -2,0 ohm på ett djup av 40-60 fot.

En jämförelse av motståndet vid olika tidpunkter visas i figur 4. Grafen visar det genomsnittliga motståndet för stavar som installerats under varje år av undersökningsperioden.Observera hur motståndet varierar avsevärt på djup av 10 fot eller mindre. Den tidiga delen av 1993 var en mycket ”blöt” period och representeras av ett mycket lägre motstånd.

Figur 2 Diagram över genomsnittligt motstånd

Figur 3. Diagram över utspridda tomter

På 30 fots djup minskar variationen från år till år till under 10 Ohmsmotstånd. Djup under 30 fot ökar stabiliteten och minskar motståndet ytterligare.

Figur 4. Diagram för årsjämförelse

FALLSTUDIE 1

Detta fall gällde installation av ett djupt drivet marksystem för en ny telemarketing- och bokningscentral. Anläggningen som byggdes i början av 1991 är en trevåningsbyggnad på 60 000 kvadratmeter som ligger nära toppen av en kulle. Byggnaden har utformats med en gjuten betonggrund med stödpelare av stål som bultats fast i betongfundamenten. Inget jordelektrodsystem angavs i bygghandlingarna. Under uppförandet av byggnaden testades metallvattenledningen med avseende på jordmotstånd innan den anslöts till de invändiga rören. Vattenledningen testades med ett motstånd på över 10Ohms. En 10 fot lång jordstång installerades och testades med ett motstånd på 45 Ohms. Vid bedömningen av riskerna vid släckningsolyckor klassificerades anläggningen i kategorin måttlig till allvarlig.

För att åtgärda säkerhets- och skyddsproblem föreslogs och installerades ett nytt elektrodessystem. Det nya jordelektrodsystemet bestod av både aringjord och djupt drivna jordstänger. Totalt 4 stänger, 70-78 fot djupa, installerades, en i varje hörn av byggnaden. Det genomsnittliga motståndet för de fyra stavarna var 1,57 Ohm och när de kopplades samman testades det under 1 Ohm. En ring bildades genom att gräva ner en #2 blank glödgad kopparledare runt byggnadens omkrets. Var och en av de fyra djupt drivna jordstängerna kopplades till ringjorden med en skruvförbindelse och täcktes av ett glasfiberhölje. Detta gjorde det möjligt att regelbundet koppla bort och testa varje elektrod.

Byggnadsstålet var vid varje hörnpelare och vid alternerande pelare bundna till ringjorden genom en exotermisk förbindelse. Ringjorden var ansluten till den elektriska huvudledningen och vattenledningen. Ytterligare system som var anslutna till marken var bl.a. telefonens åskskydd, telefonsystemet, reservgeneratorn, datorrummets upphöjda golv och kraftskyddsutrustningen.

Det är inte möjligt att jämföra resultat före och efter eftersom detta är en ny anläggning. Vissa allmänna iakttagelser kan dock göras. Anläggningen har visat en historia av problemfri drift utan några kända förluster eller skador på utrustning på grund av störningar i samband med strömförsörjning eller blixtnedslag. Det är intressant att notera att det i början av 1993 var ovanligt väder med många el- och blixtstormar. Lokala dator- och telekommunikationsleverantörer hade rekordhöga antal servicebesök och utrustningsfel i samma lokal som anläggningen.

FALLSTUDIE 2

Detta fall gällde en befintlig anläggning som låg i ett halvtorrt bergsområde. Den envåningsbyggnaden på 40 000 kvadratmeter var ursprungligen utformad för kommersiell kontorsanvändning. Ungefär 30 000 kvadratmeter hyrdes ut och byggdes om för ett marknadsföringsföretag. Anläggningen hade tidigare haft problem och fel på utrustningen samt klagomål från anställda om elektriska stötar. Företaget hade 200 % fel per år på sina 300 datorterminaler. Andra problem var fel i datakommunikationen och skador på utrustningen.

En undersökning av elkvaliteten och en elinspektion visade att det fanns flera problem med strömförsörjning och jordning vid anläggningen. Bland de allvarligaste problemen fanns överträdelser avNEC , bland annat felaktig jordning och avsaknad av ett jordelektrodsystem. Den interiormetalliska vattenledningen användes som huvudsaklig jordelektrod. Det visade sig dock att metallröret endast gick 5 fot under jord där det omvandlades till plast. Byggnadens stål var inte effektivt jordat och ingen annan jordelektrod installerades.

En genomförandeplan för elkvalitet utvecklades för att ta itu med både säkerhet och funktionalitet i det elektriska distributionssystemet. Planen omfattade elektriska ändringar och uppgradering av jordelektrodsystemet. Lokala elentreprenörer uppgav att det var mycket svårt att jorda marken i regionen på grund av markens dåliga motståndskraft och svårigheten att driva markstänger. De föreslog en kemisk jordstång som en lösning. Denna typ av stavar minskar elektrodmotståndet genom att kemikalier (elektrolytiska salter) läcker ut i den omgivande jorden. Kunden avvisade de kemiska stavarna av både underhålls- och miljöskäl.

Ett djupt drivet elektrodsystem valdes som den bästa lösningen för denna plats.För att övervinna svårigheten att driva genom den hårda jorden borrades pilothål för stavarna. Två 60 fot djupa testhål med en diameter på 4 tum borrades med 70 fot mellanrum. De första 30 fot bestod av ett sand- och gruslager och de sista 30 fot av skiffer. Enligt ANSI/IEEE-standarderna varierar motståndskraften hos sand- och grusjordar mellan 15 800-135 000 ohm/cm. Resistansen hos skiffer varierar mellan 4060-16 300 Ohms/cm. Det undre skifferlagret ger ungefär 10 gånger mindre motstånd än det övre lagret.

Testhålen fylldes med hydratiserad natriumbentonit i vilken markstängerna drevs in. Båda stavarna bestod av 6 vardera 3/4 tum på 10 fot kopparpläterade stavar med drivkopplingar. Det slutliga motståndet för de två stavarna var 0,88 respektive 0,48 ohm.

Som ett allmänt uttalande kan man säga att anläggningen har upplevt en dramatisk minskning av utrustningsfel och kommunikationsfel. Ur kundens perspektiv har anläggningen blivit en av deras mest problemfria anläggningar.

FALLSTUDIE 3

Denna studie gäller en militär datoranläggning som är belägen i en ombyggd flygplansfabrik. En särskild understation med 13 800 volts primärspänning och 480/277 volts sekundärspänning tillhandahölls för anläggningen. Anläggningens kraftskyddssystem omfattade parallell redundant statisk UPS och reservdieselgeneratorer. Enligt specifikationerna skulle jordelektrodsystemet ha ett jordmotstånd på 3 ohm eller mindre. Jordelektrodsystemet bestod av 6 3/4-tums och 10 fot långa jordstänger som installerades i byggnadens källarvåning. Alla 6 jordstänger installerades inom 6 tum från varandra och skruvades fast på en kopparjordstång. I den elektriska transformatorstationen användes samma jordningssystem. Anläggningens utformning uteslöt användning av byggnadsstål, vattenrör eller ringjordar som jordelektroder.

Anläggningen plågades av problem med datorhårdvara som leverantören skyllde på kraft och jord. Jordstångssystemet testades av anläggningens personal och uppmätte 0,0 ohm. En undersökning av strömkvaliteten visade att testningen av jordstången hade gjorts på ett felaktigt sätt och att det fanns en säkerhetsrisk. Standardmetoder för testning av jordmotstånd kräver att jordstängerna kopplas bort under testet för att förhindra felaktiga mätningar.

Två 70 fot djupa jordstänger installerades med 90 fots mellanrum för att komplettera det befintliga systemet. Jordmotståndet testades till 1,1 och 0,8 ohm respektive. De nya stavarna kopplades till den befintliga jordstången för att ge anläggningen jordjord. De sex gamla stavarna kopplades sedan bort och testades med ett motstånd på 27-32 Ohms.

Efter installationen av de djupt drivna jordstängerna rapporterade datorserviceleverantören färre problem med hårdvaran.

Detta fall illustrerar problemet med att förlita sig på felaktig testning av jordmotståndet. Den ursprungliga konstruktionen med installation av jordstänger intill varandra bryter mot NEC:s krav på ett minimiavstånd på 6 fot. Som en allmän regel bör markstängerna placeras med ett intervall som inte är mindre än deras djup. Det ursprungliga marksystemets dåliga motståndskraft skapade en säkerhetsrisk för både personal och utrustning. Ett jordfel på transformatorstationens primära led kan ha orsakat en för hög spänningspotential i anläggningens jordsystem.

INSTALLATIONSMETOD

Elektrodans jordmotstånd är beroende av flera faktorer, bland annat: jordmotstånd, elektrodans kontaktmotstånd mot jorden och motståndet hos elektroden, kopplingar och anslutningar.

Installationen av en djupt driven mark omfattar följande punkter:

msimagelist>

msimagelist>.

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

msimagelist>

	val av stavmaterial
	val av kopplingstyp
	diameter och längd på stången/stängerna
	typ av drivutrustning
	installationsförfaranden
	provningsförfaranden
	trådterminering

msimagelist>

Installation av jordstänger på mer än 10 fot djup innebär flera problem. Man måste använda sektionsstänger (vanligtvis 10-12 fot långa) och koppla ihop dem för att uppnå det önskade djupet. Kopplingen har en större diameter än stången och bildar därför ett hål som är större än själva stången. Detta skapar ett tomrum i kopplingen som begränsar jordkontakten med stavytan på de extra sektionerna. Endast den första sektionen kommer att upprätthålla full kontakt mellan stången och marken.

Manuell drivning av stängerna med slägga, rördrivare och andra medel kan inte ge tillräcklig kraft för att tränga igenom hårda jordar. Mekaniska eller motoriserade drivkrafter är nödvändiga för djupt drivna stavar.

Materialet för stängerna och kopplingens utformning måste kunna motstå den kraft som krävs för att driva igenom hårt underlag.

De första stavarna som installerades 1988 gjordes genom att man klättrade upp på en stege och höll en elektrisk hammare ovanpå staven. Detta förfarande var både besvärligt och farligt för installatören. En drivmaskin konstruerades då för att underlätta denna del av processen. Denna maskin består av en stödram med utjämningsstöttor och hjul. En vertikal montering håller en elektrisk slaghammare och kan vevas upp och ner manuellt av operatören. Den elektriska hammaren är utrustad med ett särskilt drivverktyg som förhindrar att stången blir ”svampig” och som faktiskt omformar stångänden.

På grund av de extrema krafter som krävs för att tränga in i hårda jordar upptäckte man att kopplingar av skruvtyp gav mekaniskt fel. Gängorna slets av och orsakade dålig kontakt mellan stång och stång. En ny typ av konisk spline-koppling visade sig vara den mest tillförlitliga kopplingen som användes. En teststång drevs och drogs sedan ut för att kontrollera kopplingens mekaniska hållbarhet. Denna konstruktion för påkörningskoppling förenklade processen genom att man kunde använda släta stänger av vilken längd som helst. Detta gjorde det möjligt att installera djupt drivna system i byggnader med minimal takhöjd (som i fallstudie 3).

För att bibehålla full kontakt mellan staven och marken injiceras en blandning av natriumbentonit (naturligt förekommande lera) i kopplingens hålrum när stavarna installeras, vilket ger ett ledande material mellan stavarnas yta och marken över stavens djup. En typisk 60-fots markstång kräver 2 till 5 gallon bentonit. Ett test gjordes för att fastställa bentonitens motståndseffekt i kopplingens hålrum. Figur 5 visar ett jämförelsediagram över tre markstångsinstallationer utan bentonit. Notera hur de ”torra” stavarna visade ett fluktuerande motstånd jämfört med grafen i figur 1.

KONKLUSIONER

Som framgår av de presenterade uppgifterna kommer den genomsnittliga 8 till 10 fot långa jordstången inte att uppfylla minimikraven i NEC-koden för jordmotstånd. Motståndet hos en ytlig (10 fot eller mindre) elektrod kommer att variera kraftigt när de säsongsmässiga förhållandena förändras. På grund av det höga jordmotståndet kan den typiska ytliga elektroden inte hålla ett elektriskt system på jordpotential under tillfälliga spänningsförhållanden och blixtnedslag.

När stabila motståndsvärden på mindre än 5 ohm krävs, är det nödvändigt att ha en elektrodjup på 30-60 fot.

Fallstudierna har visat att installation av djupa drivna elektroder är både effektivt och praktiskt för både nya och befintliga anläggningar.

Den nya metoden att installera djupt drivna jordstänger ger ett universellt sätt att effektivt jorda jorden.

Figur 5. ”Dry” rod resistance graph

ACKNOWLEDGMENTS

Författarna är särskilt tacksamma mot Richard Teebken (Infraspec, Omaha, Nebraska) för att ha tillhandahållit fältdata, fotografier och teknisk support.

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, bilaga 1

ANSI/IEEE Std 142-1982, Green Book, avsnitt 4.1 Table 5

NEC Article 250-84

BIOGRAFIER

Martin D. Conroy är VD för Computer Power Corporation i Omaha, Nebraska.

Han grundade CPC 1981 för att tillhandahålla tjänster och utrustning för elkvalitet för att möta kundernas växande behov. Under de senaste fem åren har han varit mycket engagerad i att tillhandahålla undersökningar av elkvalitet och konsulttjänster till stora kunder. Martin har specialiserat sig på området elkvalitet, jordning, övertoner och kodinspektioner. Han har utvecklat och undervisat i seminarier om elkvalitet för både kommersiella kunder och företag.

För att grunda CPC arbetade Martin inom elbranschen i 8 år.

Martin är en IAEI-elinspektör och innehar en licens för elentreprenörer av klass AE i delstaten Nebraska.

Paul G. Richard arbetade för Computer Power Corporation i 12 år.

Han började på företaget 1986. Paul hade varit involverad i både marknadsföring och tillhandahållande av undersökningar av elkvalitet och konsulttjänster. Han undervisade i seminarier och utbildningskurser om elkvalitet. Paul specialiserade sig också på konstruktion och testning av statisk kontroll.

Paul fick sin BS från University of Nebraska at Omaha 1985.

BACK WHITE PAPERS