پیش از اجرای سیستم ارتینگ باید با مفاهیمی مانند مشخصات الکترود ارت، ویژگی‌های مهم محل نصب الکترود، انواع سیستم اتصال زمین و نحوه اندازه‌گیری مقاومت خاک آشنا شویم. همچنین آگاهی دقیق از استانداردهای ملی و بین‌المللی و چالش‌هایی که برای اجرای این استانداردها با آنها مواجه می‌شویم، اهمیت بسیاری دارد.
در این مقاله، ضمن معرفی اجزای اصلی سیستم ارتینگ، مسائل و مشکلات اساسی در اجرای این سیستم مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. برای یادگیری مفاهیم پایه‌ای و درک چالش‌های پیش رو در اجرای سیستم‌های اتصال زمین، می‌توانید دوره جامع ارتینگ ماهر را تهیه کنید.
تعاریف و مفاهیم اساسی در طراحی سیستم ارتینگ
برای اجرای یک سیستم اتصال زمین (ارتینگ) کارآمد، نیازمند دانستن مفاهیم اساسی و آگاهی از اهمیت و نحوه تأثیر آنها در کیفیت عملکرد سیستم ارتینگ هستیم. در ادامه، با برخی از این مفاهیم آشنا می‌شویم.
الکترود زمین
الکترود زمین یک یا مجموعه‌ای از چند هادی است که تماس مناسبی با زمین دارند و اتصال الکتریکی مطلوبی با آن برقرار می‌کنند و مقاومت این الکترود، نیز مقاومت بین ترمینال اصلی زمین و جرم کلی کره زمین است.
انواع سیستم زمین
از لحاظ ایمنی سیستم‌های الکتریکی با دو هدف اصلی زمین می‌شوند. در اینجا دو نوع زمین کردن ایمنی را شرح می‌دهیم.
- زمین الکتریکی: یعنی زمین کردن با هدف حفاظت تجهیزات از آسیب‌های احتمالی در حین کار آنها. مانند زمین کردن مرکز ستاره ترانس یا زیر برق‌گیرها.
- زمین حفاظتی: یعنی زمین کردن با هدف حفاظت اشخاص و احشام و تضمین ایمنی آنها در برابر سیستم قدرت. مانند زمین کردن بدنه‌های هادی وسایل و تجهیزات.
ممکن است هر دو وظیفه فوق در عمل توسط یک سیستم زمین انجام‌شدنی باشد.
منظور از مقاومت سیستم زمین چیست؟
وقتی گفته می‌شود یک الکترود میلهای در زمین کوبیده شده و مقاومت آن مثلاً دو اهم است، دقیقاً مقاومت بین کدام دو نقطه مورد نظر می‌باشد؟ با توجه به اینکه مقاومت را یک عنصر دو سر می‌شناسیم و از الکترود تنها یک سر خارج شده است، پس سر دوم کجاست؟
پاسخ به سوالاتی از این دست، بدون شناخت مفهوم «حوزه مقاومتی» (Resistive Zone) یک الکترود زمین ممکن نیست. وقتی الکترودی در زمین قرارداده شده و پتانسیلی به آن وصل شود، حول خود، گرادیان پتانسیلی ایجاد می‌کند. می‌توان این گرادیان را به‌صورت تعدادی پوسته هم‌پتانسیل (برای الکترود میلهای به‌شکل مخروطی وارونه) در داخل زمین در نظر گرفت.
پتانسیل روی تمام نقاط هر یک از این پوسته‌ها، یکسان است و تفاوت پتانسیل از یک پوسته تا پوسته دیگر با تابعی درجه دوم افت می‌کند. این افت چندان شدید است که با مقداری فاصله گرفتن از الکترود، عملاً پتانسیل به صفر می‌رسد ناحیه‌ای که گرادیان پتانسیل حاصل از الکترود، هنوز دیده می‌شود را حوزه مقاومتی و ناحیه‌ای که این پتانسیل دیگر دیده نمی‌شود را حوزه هم‌پتانسیل می‌نامند (شکل ۱-الف).
مطابق شکل (۱-ب) مقاومت الکترود در واقع مقاومتی است که بین آن و نقطه‌ای واقع در ناحیه هم‌پتانسیل اندازه‌گیری می‌شود. در عمل، هرگاه به اندازه حدود ده‌برابر طول الکترود، از آن فاصله بگیریم، از فاصله مقاومتی خارج شده‌ایم. این نکته در هنگام کار با دستگاه‌های ارت‌سنج، پایه و اساس اندازه‌گیری است.
مقاومت الکترود عمدتاً مربوط به کدام بخش آن است؟
اگر الکترود میلهای شکل ۱ را دقیق‌تر بررسی کنیم، اجزای مختلف آن را که هر یک به نوعی تولید مقاومت الکتریکی می‌کنند، می‌توان به صورت شکل ۲ نشان داد.
واقعیت آن است که با توجه به مقدار بسیار پایین مقاومت مخصوص فلزات عملاً هادی زمین و خود الکترود نقشی در مقاومت کل ندارند. مقاومت نقطه اتصال و مقاومت تماس الکترود با خاک نیز چنانچه الکترود با روش‌های استاندارد، مصالح صحیح و مرغوب و مهارت کافی اجرا شود، مقدار ناچیزی دارد. لذا عمده مقاومت منتسب به هر الکترود زمین، همان مقاومت خاک اطراف الکترود است.
در واقع این خاک موجود در حوزه مقاومتی است که مقاومت الکترود را تعیین می‌کند. حتی در این ناحیه هم عمدتاً نقش اصلی را بخشی از خاک که دقیقاً نزدیک الکترود (مثلاً به شعاع ۰.۵ متر از آن) قرار گرفته است، ایفا می‌کند. به همین دلیل است که به هنگام استفاده از الکترولیت‌ها، خاک اطراف الکترود با این مواد عوض می‌شود، تا مقاومت را کاهش داده باشند.
آرایش‌های استاندارد و زمین کردن سیستم‌ها
سه نوع آرایش استاندارد برای زمین کردن سیستم‌ها وجود دارد این سیستم‌ها را با کدهای مخففی دارای سه حرف نشان می‌دهند.
- حرف اول: نشان‌دهنده نحوه اتصال منبع به زمین است. هرگاه نقطه‌ای از منبع (معمولاً نقطه نول) به زمین متصل باشد این حرف T است و هرگاه هیچ نقطه‌ای از آن، ارتباطی با زمین نداشته باشد I خواهد بود.
- حرف دوم: نشان‌دهنده نحوه اتصال بدنه‌های هادی تجهیزات (مانند تابلوها) به زمین است. هرگاه این حرف N باشد، یعنی تجهیزات طی ارتباط با زمین منبع، زمین می‌شوند و هرگاه T باشد، یعنی مستقل از منبع دارای زمین مربوط به خود هستند.
- حرف سوم: تنها هرگاه دو حرف اول TN باشند، برای تشخیص وضعیت هادی حفاظتی و هادی نول از حرف سوم استفاده می‌شود. اگر هادی‌های حفاظتی و نول مشترک باشند حرف C، اگر مجزا باشند حرف S و اگر تا جایی مشترک و پس از آن مجزا باشند CS بکار می‌رود. شکل‌های ۳ انواع آرایش‌های استاندارد برای سیستم زمین تاسیسات الکتریکی را نشان داده‌اند.
در مقاله اصول ارتینگ در محیط‌های صنعتی به شکل دقیق‌تر در مورد سیستم‌های ارتینگ بحث شده است. می‌توانید برای آشنایی بیشتر این مقاله را بخوانید.
نکات مهم در طراحی سیستم زمین
وقتی جریانی از طریق الکترود، به زمین راه می‌یابد، در خاک اطراف الکترود منتشر گشته و اغلب این طور فرض می‌شود که این جریان از تعدادی پوسته هم‌مرکز که دائماً قطرشان افزایش می‌یابد، می‌گذرد (شکل ۱) هر پوسته، دارای سطحی بزرگ‌تر از پوسته قبلی برای عبور جریان است و در نتیجه مقاومت کمتری دارد. در فاصله دوری از الکترود، این مساحت دیگر آن‌قدر بزرگ است که مقدار مقاومت، بسیار ناچیز خواهد شد. این پوسته‌ها را پوسته‌های هم‌پتانسیل گویند.
اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک
برای طراحی مطلوب یک سیستم زمین، اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک، کاری اساسی است. روش‌های مختلفی برای این منظور وجود دارد: روش چهارنقطه‌ای، روش تغییر در عمق (روش سه‌نقطه‌ای) و روش دو‌نقطه‌ای. دقیق‌ترین روش که مورد تأیید IEEE Std. 81 هم هست، روش چهارنقطه‌ای می‌باشد. نحوه انجام روش چهارنقطه‌ای ونر (Wenner) چنین است.
۱- چهار میل همراه دستگاه ارت‌سنج را روی یک خط راست با فواصل مساوی a بکوبید به‌طوری‌که عمق هر میل در خاک (b) از یک بیستم فاصله میل‌ها بیشتر نشود.
۲- ارت‌سنج را مانند شکل ۵ به میل‌ها منتقل کنید.
۳- مقاومت حاصله را از روی دستگاه بخوانید (آن را R فرض کنید).
۴- مقاومت مخصوص در عمق a با استفاده از رابطه ρ=2πaR به دست می‌آید. اگر b=a/20 رعایت نشده باشد، را باید از رابطه زیر حساب کرد که در آن a فاصله الکترودها و b عمق آنها است.
معمولاً در هر محل تعدادی اندازه‌گیری برای عمق‌های مختلف انجام می‌دهیم. با مقایسه اعداد مربوط به راستاهای مختلف می‌توان به الگوی کلی تغییرات مقاومت مخصوص در کل سایت رسید.
مشکلی که برای اغلب مهندسان برق وجود دارد (بخصوص در شهرستان‌ها) عدم دسترسی به ارت‌سنج چهار‌سیمه به‌دلیل قیمت بالای آن است. به این ترتیب تعیین مقاومت با روش ونر منتفی است. اما از آنجا که دسترسی به ارت‌سنج‌های سه‌سیمه آسان‌تر بوده و قیمت ارزان‌تری دارند.
در اینجا روشی را ذکر می‌کنیم که بتوان با کوبیدن یک میله ۲.۴۴ متری در کف یک چاهک ۰.۵ متری در زمین مورد نظر، مقاومت مخصوص را با دقت خوبی بدست آورد. البته می‌توان بجای حفر چاهک از کوبیدن یک میله ۳ متری در خاک استفاده نمود. میله، نیم‌متر به نیم‌متر، تا فرو رفتن کامل در خاک، کوبیده شده و هر بار مقاومت آن با استفاده از فواصل داده شده در شکل ۶ برای میلهای تست ولتاژ و جریان، اندازه‌گیری می‌شود. سپس با استفاده از رابطه زیر، مقاومت مخصوص در آن عمق حساب می‌شود.
در این رابطه، L و d به ترتیب طول و قطر میله بوده و R مقاومت خوانده شده است.
در سیستم‌های اتصال زمین به چه استانداردی باید رجوع کرد؟
استانداردهای معتبری که برای سیستم اتصال زمین می‌توان به آنها رجوع کرد، شامل موارد زیر هستند.
- استاندارد توانیر
- مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان و راهنمای آن
- BS 7430
- IEEE 80 و IEEE 81
- NEC 2017 (بخش ۲۵۰)
اطلاعات مورد نیاز برای طراحی سیستم‌های اتصال زمین
سیستم زمین، تأسیساتی مهم و گران بوده و ترمیم و گسترش آن واجد هزینه‌های زیادی است. بنابراین، در هنگام طراحی باید به گونه‌ای عمل کرد که سیستم، برای مواجهه با جریان‌های بزرگ احتمالی به قدر کافی مقاوم عمل کرده و عمر آن نیز باید به حد کافی طولانی باشد. از جمله اطلاعاتی که در حالت ایده‌آل، پیش از اقدام به طراحی سیستم زمین دانستن آنها لازم است می‌توان موارد زیر را نام برد.
- کاربری تأسیسات
- عمر موردنیاز برای سیستم زمین
- مقاومت مخصوص خاک در ۳ عمق مختلف
- میزان خورندگی طبیعی خاک
- شکل و ابعاد فضای قابل دسترسی برای اجرای سیستم زمین
- تغییرات فصلی آب و هوا شامل دما و رطوبت
- سیستم‌های الکتریکی و تأسیسات واقع شده در همسایگی محل
چالش‌های پیاده‌سازی سیستم ارتینگ در ایران
متأسفانه دسترسی به این اطلاعات در ایران، کاری دشوار و بسیار پرهزینه است و لذا تا به امروز اغلب سازمان‌های مرتبط تمایلی به جمع‌آوری آنها نداشته‌اند. از بین این عوامل، کاربری تأسیسات الکتریکی معین و معلوم است. یعنی الکترود یا قرار است برای سیستم فشار متوسط به‌کار رود یا در سیستم فشار ضعیف، یا هدف از نصب آن حفاظت اشخاص است یا حفاظت سیستم.
عمر موردنیاز برای سیستم زمین در شرایط متعارف و در صورت وجود سیستم ممیّزی و بازرسی مناسب، چیزی حدود ۳۰ سال فرض می‌شود. عاملی که «نامعینی» آن بیشتر به چشم می‌خورد مقاومت مخصوص خاک در نقاط مختلف یک استان است. گذشته از دانستن مقاومت مخصوص در هر «محل» دانستن آن در «عمق‌های مختلف یک محل» نیز اهمیت دارد.
بنا به تجربه و با توجه به گستردگی مناطق تحت پوشش، توصیه می‌شود برای هر محل، مقاومت مخصوص خاک در سه عمق مختلف ۱.۵، ۳ و ۶ متری اندازه‌گیری شود، تا هم برای الکترودهای سطحی هم برای الکترودهای عمقی بتوان معیاری برای مقاومت مخصوص خاک در دست داشت.
به همان دلایلی که در بالا اشاره شد، برآورد دقیق میزان خورندگی خاک و تغییرات فصلی آب و هوا شامل دما و رطوبت، مقدور نیست. برای شکل و ابعاد فضای قابل دسترسی به‌منظور اجرای سیستم زمین نیز نمی‌توان در طرح‌های تیپ، الزامی قائل شد. در مورد عامل «سیستم‌های الکتریکی و تأسیسات واقع شده در همسایگی محل» نیز مهمترین و رایج‌ترین مسئله، تداخل حوزه سیستم‌های زمین ولتاژ پایین (LV) و ولتاژ متوسط (MV) است.
جمع‌بندی
طراحی یک سیستم ارتینگ صحیح و باکیفیت در گرو دانستن اصول اساسی و چالش‌های اجرایی آن است. در این مقاله، انواع آرایش استاندارد سیستم اتصال زمین مانند TT ،IT و TN معرفی شد و تعاریف مربوط به مقاومت زمین و مقاومت الکترود مورد بحث قرار گرفت.
در ادامه نحوه اندازه‌گیری مقاومت زمین که یکی از مهمترین مراحل طراحی اتصال زمین است با دو روش سه‌سیمه و چهار‌سیمه شرح داده شد. همچنین، به استانداردهای معتبری که برای طراحی سیستم ارتینگ می‌توان به آنها رجوع کرد اشاره شد و در پایان، چالش‌های مهم طراحی اتصال زمین، از جمله محدودیت دسترسی به اطلاعات زمین‌شناسی، مشکلات اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک و تداخل خطوط ولتاژ ضعیف و ولتاژ متوسط مطرح شدند.
سوالات متداول
جنس خاک، رطوبت و دمای محیط در مقاومت مخصوص خاک بسیار مؤثر هستند و میزان خورندگی خاک نیز در طول عمر الکترود زمین بسیار تأثیرگزار است.
طبق استانداردهای بین‌المللی بهترین روش، اندازه‌گیری چهار‌سیمه است که به روش ونر موسوم است.
در ایران از سیستم ارتینگ TN-S استفاده می‌شود.
یه اشتباه توی مقاله بود.
درود و سپاس جناب مهندس
بفرمایید مشکل از کدام قسمت است؟