نتایج عملی اجرای الکترود لتیس
دو عامل بسیار تعیینکننده در اجرای یک سیستم زمین (ارتینگ) مناسب و کارآمد، کیفیت خاک و نوع الکترود زمین است. هدف این مقاله، بررسی خواص خاک و تأثیر آنها بر مقاومت مخصوص زمین، نقش بکفیلها بهویژه بنتونیت در بهبود کیفیت اتصال زمین، استفاده از الکترود پنجرهای یا لتیس و بررسی کیفیت و هزینه ارتینگ با استفاده از این الکترود در قیاس با برخی انواع دیگر الکترود است.
اطلاعات منتشر شده در این مقاله، از آزمایشهای دقیق علمی و بر مبنای اجرای سیستم زمین در چند نقطه مختلف استان اصفهان به دست آمده است. برای تحلیل نتایج حاصل از این آزمایشها با آکادمی ماهر همراه باشید.
فهرست مطالب
لزوم اجرای سیستم ارتینگ
گستردگی و حجم استفاده از انرژی الکتریکی در صنعت، تأسیسات الکتریکی و منازل بر کسی پوشیده نیست. با توجه به مزایای استفاده از نیروی برق، زیرساخت بهکارگیری این منبع انرژی همچنان در حال گسترش است. منشأ بسیاری از خطراتی که انسان و تجهیزات الکتریکی را تهدید میکند، عدم وجود یک اتصال زمین مناسب است.
به همین دلیل، یافتن یک سیستم اتصال زمین پایدار با قابلیت اطمینان بالا همواره یکی از مشغلههای فکری متخصصان ارتینگ بوده است. «زمین کردن» در یک سیستم الکتریکی، فرایند اتصال همه قطعات فلزی یا بدنه فلزی دستگاههای الکتریکی (بهجز هادیهای حامل جریان برق) به زمین است. هدف از اجرای سیستم زمین (ارتینگ) انتقال هر نوع نشتی جریان الکتریکی در بدنه فلزی دستگاهها به زمین، بهمنظور حفاظت از سلامت افراد و تجهیزات الکتریکی است.
در شرایطی که سیستم اتصال زمین بهعنوان بخشی از سیستم الکتریکی به حساب نمیآید، از زمین کردن بدنه هادی تجهیزات، تحت عنوان «ارتینگ حفاظتی» (Protective Earthing) یاد میشود. در مقابل، «زمین کردن الکتریکی یا سیستمی» (System Earthing) به شرایطی اطلاق میشود که سیستم اتصال زمین به عنوان بخشی از سیستم الکتریکی ایفای نقش کند؛ مانند زمین کردن مرکز ستاره در ترانسفورماتورها.
بررسی خواص فیزیکی خاک و انتخاب الکترود و الکترولیت بهینه
برای آگاهی از نحوه ایجاد سیستم کامل و مناسب اتصال زمین، لازم است عواملی که قابلیت هدایت زمین و مقاومت آن را تغییر میدهد با دقت بررسی شود. ساختمان و ترکیبات تشکیلدهنده خاک تأثیر بهسزایی بر هدایت الکتریکی دارند. کاهش اندازه دانههای خاک باعث کاهش نفوذپذیری آن شده و در صورتی که بهطور مطلوب متراکم شود، میتواند هدایت الکتریکی را افزایش دهد.
نتایج حاصله از اندازهگیریهای مستمر نشان میدهد اتصال زمینهای احداثشده در این تحقیق با بکفیل بنتونیت در مقایسه با مخلوط سنتی خاک رس، زغال و نمک در زمینهای رسی به میزان ۶۵٪، در خاکهای سنتی به میزان ۶۸٪، در زمینهای سنگلاخی به میزان ۸۸٪ و در مناطق سنگی به میزان ۹۵٪ کمتر بوده و مقاومت همه الکترودهای آزمایشی نصبشده با بنتونیت و الکترود صفحهای کمتر از ۴ اهم است.
با توجه به نتایج تحقیقات و تجربیات دهههای اخیر در خصوص روشهای بهینهسازی سیستم اتصال زمین، استفاده از نمک که در گذشته سادهترین و رایجترین روشها بود، امروز منسوخ شده است. زیرا اگر چه در کوتاهمدت مشکل مقاومت زمین را رفع میکرد ولی به دلیل خاصیت خورندگی بسیار بالا، پس از مدت کوتاهی الکترود و اتصالات مربوطه را به طور کامل از بین میبُرد و در نتیجه باید با صرف هزینههای اضافی مکرر، اقدام به تعویض الکترودها میشد. از طرفی، بر اثر بارندگیهای سالیانه، پس از مدتی این نمکها نیز شسته شده و به لایههای زیرین منتقل میشود و مقاومت زمین مجدداً افزایش مییابد. در نتیجه، حداکثر کارایی سیستم زمین با مخلوطهای نمکی بین ۵ تا ۷ سال است.
زمینهایی که خاک و بستر آنها سنگی، سنگلاخی و سخت است مقاومت مخصوص بالایی دارند. مشکلات نصب الکترود زمین در چنین خاکهایی که از لحاظ هدایت الکتریکی برای سیستم زمین مناسب نیستند، باعث شده تا استفاده از مواد کاهشدهنده مقاومت زمین، متداول شده و این مواد با تنوع زیادی در اجرای ارتینگ به کار روند. از جمله این مواد، GEM، مارکونیت، بنتونیت سدیم، پلیمرهای جاذب رطوبت و الترافیل (Ultra Fill) را میتوان نام برد.
به لحاظ فراوانی و قیمت مناسب بنتونیت سدیم (Sodium Bentonite)، استفاده از این ماده برای ایجاد اتصال زمین به عنوان یک روش مؤثر و نوین متداولتر شده است. بنتونیت سدیم دارای اندازه ذرات بسیار ریز (کمتر از ۰.۰۲ میکرون) که دارای سطح تماس بسیار بالا (۸۰۰ متر مربع بر گرم) است و قابلیت جذب آب تا ۵ برابر وزن اولیه خود و افزایش حجم تا ۱۳ برابر حجم خشک اولیه را دارد.
همچنین این ماده وقتی به ۶ برابر حجم اولیه خود میرسد بهصورت لزج و غلیظ در آمده و نهتنها شکل خود را نگه میدارد، بلکه در صورت تماس با هر سطحی به آن میچسبد. در نتیجه، میتواند هم مشکل تراکم خاک و هم چسبندگی و اتصال لازم با الکترود را حل کند.
بنتونیت زمانی که هیدراته میشود، بهصورت شیمیایی میتواند آب را درون خود نگه داشته و به عنوان یک عامل خشککننده، آب و رطوبت اطراف را با خاصیت مکشی خود جذب کند. در اثر تماس بنتونیت با نور خورشید، سطح بیرونی آن خشک شده و از خروج رطوبت از قسمتهای درونی آن جلوگیری میکند.
این ماده رسی نیاز به مواد افزودنی ندارد (صرفا بنتونیت نوع سدیم اینگونه است) و فاقد خاصیت خورندگی بوده و خواص آن برای سالیان دراز ثابت میماند. مقاومت بنتونیت سدیم در ۳۰۰٪ رطوبت (وزن آب بر وزن بنتونیت) حدود ۲ اهم.متر بوده که به دلیل تشکیل الکترولیت ناشی از افزودن آب است.
آبی که به صورت شیمیایی در بنتونیت نگهداری میشود اجازه میدهد تا سود و پتاس آهک (CaO)، اکسید منیزیم (MgO) و دیگر نمکهای معدنی موجود در آن یونیزه شده و با pH حدود ۸.۵ تا ۱۰.۵ تشکیل یک الکترولیت قوی را بدهند. روش شناسایی خاکهای بنتونیت سدیم به دو صورت است.
- قابلیت جذب آب (با آزمایش فیزیکی ساده قابل اندازهگیری است).
- عناصر تشکیلدهنده (آزمایش شیمیایی و آنالیز آن).
برای انتخاب معیار و ملاک قیاس در جدول ۱ نمونهای از آنالیز عناصر این نوع خاک که در اصفهان مورد استفاده قرار دادهایم، آمده است.
جدول ۱- عناصر تشکیلدهنده بنتونیت سدیم استحصال شده در اصفهان
بنتونیت با توجه به خواص مطرحشده یک الکترولیت بهینه است. گرچه مواد دیگری چون GEM و مارکونیت قابلیتهایی دارند؛ اما به علت رعایت مسائل ایمنی هنگام مصرف در کار و قیمت بالا در قیاس با بنتونیت در جایگاه پایینتری قرار دارند.
آزمایشهای عملی استفاده از بنتونیت
جهت بررسی کارایی الکترودهای دفنی مختلف با بکفیل بنتونیت، چاههایی به عمق ۳ متر و با ابعاد دهانه ۰.۸ متر در ۱ متر و حفرههایی به عمق ۳ متر و به قطر ۴ سانتیمتر حفر شده و الکترود در آنها اجرا شد. نتایج حاصل از آزمایشها در جدول شماره ۲ نشان داده شده است.
جدول ۲- خصوصیات چاه حفر شده و نتایج اندازهگیریهای عملی
آدرس |
صفه اصفهان |
صفه اصفهان |
بهارستان اصفهان |
بهارستان اصفهان |
صفه اصفهان |
صفه اصفهان |
بهارستان اصفهان |
بهارستان اصفهان |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
عمق چاه (متر)
|
۴
|
۴
|
۴
|
۴
|
۳
|
۳
|
۳
|
۳
|
ابعاد چاه (متر)
|
قطر ۴ سانتیمتر
|
قطر ۴ سانتیمتر
|
قطر ۴ سانتیمتر
|
قطر ۴ سانتیمتر
|
۰.۸×۱ متر
|
۰.۸×۱ متر
|
۰.۸×۱ متر
|
۰.۸×۱ متر
|
نوع الکترود
|
سیم مسی
|
سیم مسی
|
سیم مسی
|
سیم مسی
|
صفحه مسی
|
ارت مت
|
صفحه مسی
|
ارت مت
|
اندازه الکترود
|
۷ متر
|
۷ متر
|
۷ متر
|
۷ متر
|
۰.۵×۰.۵ سانتیمتر
|
۰.۵×۰.۵ سانتیمتر
|
۰.۵×۰.۵ سانتیمتر
|
۰.۵×۰.۵ سانتیمتر
|
نوع الکترولیت
|
بنتونیت
|
نمک، زغال و خاک
|
بنتونیت
|
نمک، زغال و خاک
|
بنتونیت
|
بنتونیت
|
بنتونیت
|
بنتونیت
|
مقدار الکترولیت (کیلوگرم)
|
۸
|
۱۰
|
۸
|
۱۰
|
۳۰۰
|
۳۰۰
|
۳۰۰
|
۳۰۰
|
نوع زمین
|
سخت و سنگلاخی
|
سخت و سنگلاخی
|
ماکادم
|
ماکادم
|
سخت و سنگلاخی
|
سخت و سنگلاخی
|
ماکادم
|
ماکادم
|
تاریخ احداث
|
۸۴/۳/۲
|
۸۴/۳/۲
|
۸۴/۳/۳
|
۸۴/۵/۳
|
۸۴/۳/۵
|
۸۴/۳/۵
|
۸۴/۳/۵
|
۸۴/۳/۵
|
تاریخ اولین قرائت
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
۸۴/۳/۱۳
|
اولین مقدار (اهم)
|
۱
|
۱۲
|
۱
|
۹
|
۴.۳
|
۴.۳
|
۸.۲
|
۸.۲
|
دومین تاریخ
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
۸۴/۴/۱۳
|
دومین مقدار
|
۲
|
۱۸
|
۲.۳
|
۱۶
|
۱.۴
|
۸.۴
|
۵.۳
|
۳.۴
|
سومین تاریخ
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
۸۴/۷/۱
|
سومین مقدار
|
۳
|
۲۳
|
۸.۳
|
۲۰
|
۳.۵
|
۵
|
۲.۴
|
۳.۴
|
نوع و اندازه سیم (میلیمتر)
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
۲۵ مسی
|
نوع اتصال
|
یکپارچه
|
یکپارچه
|
یکپارچه
|
یکپارچه
|
پیچ و مهره کابلشو
|
پیچ و مهره کابلشو
|
پیچ و مهره کابلشو
|
پیچ و مهره کابلشو
|
نحوه حفاری
|
پیکور - کمپرسور
|
پیکور - کمپرسور
|
پیکور - کمپرسور
|
پیکور - کمپرسور
|
دستی
|
دستی
|
دستی
|
دستی
|
با توجه به گستردگی و وسعت بالای محدوده شهرستان اصفهان و تنوع خاکهای موجود در این منطقه سنگلاخی در جنوب شهر، ماسهای در مجاورت رودخانه زایندهرود، خاک ماکادم (Macadam) یا خاک سرخه و عمدتاً خاک کشاورزی که بعضاً همراه با شوره و نمک است.
اتصال زمینهای احداثشده به روش سنتی (زغال و نمک) دارای متوسط مقاومت ۹ اهم هستند. پس از جایگزینی بنتونیت بهمنظور بهبود خواص خاک، مقدار مقاومت اتصال زمینهای احداثشده به ۶ اُهم کاهش پیدا کرده است.
استفاده از الکترود لتیس و نتایج عملی آن
پس از بررسی اثر بنتونیت بر مقاومت خاک، بهمنظور کاهش هزینه تمامشده اتصال زمین به جای استفاده از صفحه مسی، از الکترود پنجرهای یا لَتیس (Lattice) استفاده شد. الکترود لتیس از لحاظ داشتن خواص پایداری بهتر، بر اساس توصیه استاندارد DIN-VDE 0140 که فولاد گالوانیزه را از نظر دوام، بهترین نوع الکترود میداند، برگزیده شد.
مشبّکبودن این الکترود نیاز به صفحه یکپارچه را منتفی کرده و سبب میشود با مقدار آهن کمتر همان میزان مقاومت، حاصل شود. الکترود لتیس بهجای صفحه مسی و میله Copper-Weld استفاده شد. لازم به ذکر است که استفاده از فلز گالوانیزه به همراه بنتونیت که بکفیلی قلیایی است و عامل خوردگی در ترکیبات آن وجود ندارد، بهترین گزینه از لحاظ فنی و اقتصادی است.
استفاده از الکترود لتیس با ابعاد ۰.۵ متر در ۰.۵ متر که متشکل از تسمههایی به عرض ۳ سانتیمتر و با روکش گالوانیزه گرم به ضخامت ۹۰ میکرون است (شکل ۱)، به جای صفحه مسی، کاهش ۵۰ درصدی در کل هزینه احداث چاه اتصال زمین و ۶۰ درصدی نسبت به روش احداث چاه با سیم مسی به تنهایی میشود.
در جدول ۳ مقایسه هزینه بهکارگیری این روش آمده است. نوع دیگری از اجرای ارت که در ستون آخر جدول ۳ تحت عنوان اجرا با سیم مسی آمده، برای زمینهای خیلی سخت مناسب است. در این روش با استفاده از مته و کمپرسور، سوراخی به عمق ۳ متر حفر شده و یک سیم مسی ساده درون سوراخ هدایت میشود. سپس سوراخ با دوغاب بنتونیت پر شده و سیم در طرف دیگر روی شبکه بسته میشود.
جدول ۳- مقایسه هزینه نسبی احداث الکترود اتصال زمین سه نوع الکترود مختلف
روش اجرا |
با صفحه مسی ۰.۵ متر در ۰.۵ متر و ضخامت ۴ میلیمتر |
لتیس |
با سیم مسی |
---|---|---|---|
هزینه (٪)
|
۱۰۰٪
|
۵۲.۵٪
|
۴۱٪
|
جمعبندی
انتخاب درست مصالح و مواد اولیه در اجرای یک سیستم ارتینگ اهمیت بالایی دارد. در این مقاله، ضمن شرح تأثیر ویژگیهای خاک بر سیستم زمین، نحوه بهبود خاک محل نصب الکترود با استفاده از بنتونیت را بیان کردیم و عملکرد الکترود لتیس و نقش آن در کاهش هزینههای اجرا نسبت به روشهای دیگر مانند الکترود صفحهای و سیمی مورد مقایسه قرار گرفت.
این مقاله اطلاعات دقیقی از روشهای مختلف اجرای ارتینگ در چند ناحیه از استان اصفهان ارائه میدهد. طبق نتایج آزمونهای عملی، استفاده از الکترود لتیس به شکل قابل توجهی هزینههای اجرای سیستم ارتینگ را کاهش میدهد.
سوالات متداول
به دلیل خاصیت خورندگی بالا و نیاز به تعویض مکرر الکترودها.
بنتونیت سدیم دارای اندازه ذرات بسیار ریز، سطح تماس بالا با الکترود و قابلیت جذب آب بالا است.
الکترود لتیس با هزینه بسیار کمتر همان مقاومت زمینِ الکترود صفحهای را تحویل میدهد.
دیدگاهتان را بنویسید