ارتینگ, ارتینگ و شیلدینگ, برق

ایجاد الکترود زمین مطلوب در شرایط خاکی نامناسب

ایجاد الکترود زمین مطلوب در شرایط خاکی نامناسب

برای اطمینان از عملکرد صحیح هر سیستم الکتریکی، مهم است که الکترود زمین آن مقاومتی به‌قدر کافی کوچک داشته باشد. چگونه می‌توان برای تضمین ایمنی، این مقاومتِ کم را همواره محقق کرد؟ در هنگام طراحی و نصب سیستم‌های الکتریکی، ایجاد الکترود زمین خوب، به‌هیچ‌وجه یک کار فانتزی و لوکس نیست؛ بلکه یک ضرورت است.

در بسیاری از این سیستم‌ها، صرف‌نظر از وظایف حالت دائمی، الکترودهای زمین باید در شرایط غیر‌عادی سیستم، مسیری کم‌مقاومت برای هدایت جریان‌های اتصال‌کوتاه و صاعقه به زمین را نیز فراهم کنند.

یک الکترود زمین نه‌تنها به حفاظت از ساختمان‌ها و تجهیزات در برابر صدمات ناشی از جریان‌های اتصال‌کوتاه یا صاعقه کمک می‌کند، بلکه مسئول محافظت یک سرمایه بسیار مهم‌تر نیز هست: «جان انسان‌ها»! در این مقاله، راه‌های بهبود مقاومت سیستم زمین و نحوه حفظ دوام الکترود آن را بررسی می‌کنیم. با آکادمی ماهر همراه باشید.

اگر به دنبال فهم عمیق‌تر مفاهیم اساسی و مواجهه با چالش‌های مربوط به نصب سیستم‌های زمین (ارت) هستید، دوره کامل ارتینگ ماهر راه‌حلی عالی است. برای دسترسی به این دوره آموزشی، کافی است روی دکمه زیر کلیک کنید.

ایجاد یک الکترود زمین قابل قبول، اغلب مسئله‌ای چالش‌برانگیز است. طبیعی است که طراحی صحیح الکترودهای زمین مستلزم آگاهی از استانداردهای ملی، مواد هادی و اتصالات و ترمینال‌ها است. اما این تمام داستان نیست. فراموش نکنید که در هنگام طراحی الکترودهای زمین، شرایط خاک نیز باید با دقت مد نظر قرار گیرد.

نمونه‌هایی از خاک‌های نامناسب برای زمین کردن
شکل ۱- نمونه‌هایی از خاک‌های نامناسب برای زمین کردن

تأثیر شرایط خاک بر روی الکترود زمین

اگرچه اثربخشی کلی الکترود زمین به عوامل زیادی بستگی دارد، اما مقاومت مخصوص خاک در این بین نقش اساسی‌تری دارد. مقاومت مخصوص خاک تحت‌الشعاع عوامل دیگری مانند رطوبت، درجه حرارت و نوع خاک است.

درصد رطوبت

رطوبت خاک از اهمیت زیادی برخوردار است؛ زیرا به مواد شیمیایی موجود در خاک که الکترود زمین را احاطه کرده‌اند، در هدایت جریان الکتریکی کمک می‌کند. به‌طورکلی، هر چه رطوبت بیشتر باشد، مقاومت خاک کمتر می‌شود. هنگامی‌که رطوبت کمتر از ۱۰ درصد شود، مقاومت الکترود به میزان قابل‌توجهی افزایش می‌یابد.

هرچند باید توجه داشت که افزایش رطوبت تا جایی اثر مثبت دارد و اگر از حدی هم بیشتر شود، می‌تواند اثرات نامطلوبی داشته باشد. شکل ۲ نمودار اثر رطوبت بر مقاومت الکترود زمین نشان می‌دهد.

نمودار اثر رطوبت بر مقاومت الکترود زمین
شکل ۲- نمودار اثر رطوبت بر مقاومت الکترود زمین

دمای خاک

دماهای زیر نقطه انجماد آب (صفر درجه) نیز مقاومت مخصوص خاک را افزایش می‌دهند. به محض تبدیل رطوبت به یخ، مقاومت آن به‌شدت افزایش می‌یابد. لذا در مناطقی که لایه سطحی خاک در زمستان یخ می‌زند، برای حفظ مقاومت کمِ الکترود زمین، فرستادن الکترود به اعماقی پایین‌تر از لایه سطحی ضرورت دارد. در شکل ۳ نمودار مقاومت الکترود بر حسب تغییرات دما نشان داده شده است.

نمودار اثر دما بر مقاومت الکترود زمین
شکل ۳- نمودار اثر دما بر مقاومت الکترود زمین

نوع خاک

معمولاً رسانایی خاک‌های تیره‌رنگ یا خاک‌هایی که دارای درصد بالایی از مواد ارگانیک هستند، خوب است؛ زیرا سطح رطوبت بالاتری را در خود حفظ کرده و خواص الکترولیتی قوی‌تری دارند. در مقابل، خاک‌های شنی که رطوبت آن‌ها سریع‌تر تخلیه می‌شود، میزان رطوبت و خواص الکترولیتی بسیار کمتری دارند؛ طبعاً مقاومت بالاتری نیز خواهند داشت.

سنگ سخت و خاکستر آتشفشانی، مانند آنچه در ایالت هاوایی موجود است، تقریباً هیچ رطوبت و خواص الکترولیتی ندارند. این خاک‌ها مقاومت مخصوص بالایی دارند و ایجاد یک الکترود زمین خوب در آن‌ها، دشوار است. در تصویر شکل ۴ تأثیر افزودن نمک بر مقاومت الکترود را مشاهده می‌کنید.

نمودار اثر افزودن نمک بر مقاومت الکترود زمین
شکل ۴- نمودار اثر افزودن نمک بر مقاومت الکترود زمین

اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک

اثربخشی الکترودهای زمین تا حد زیادی به این بستگی دارد که آیا خاک اطراف آن‌ها می‌تواند جریان‌های الکتریکی بزرگ را در زمین منتشر کند یا نه؟ برای طراحی صحیح الکترودهای زمین، باید ابتدا مقاومت مخصوص خاک را با یک ارت‌سنج مناسب اندازه‌گیری کرد. اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک با روش‌های مختلفی امکان‌پذیر است که سه تا از آن‌ها نسبت به دیگر روش‌ها متداول‌تر هستند.

  • روش چهار‌نقطه‌ای (دقیق‌ترین روش)
  • روش سه‌نقطه‌ای (روش تغییر عمق)
  • روش دو نقطه‌ای 

پس از تعیین مقاومت مخصوص خاک، طراح می‌تواند تعیین کند که کدام الکترود برای محل مربوطه مؤثرتر خواهد بود. بسته به میزان مقاومت مخصوص خاک و الزامات پروژه، الکترود انتخابی می‌تواند از یک سیم ساده تا تعداد زیادی الکترود میله‌ای موازی، متغیر باشد. حالت دوم می‌تواند به فرم یک شبکه یا یک حلقه زمین (شکل ۵) باشد. 

الکترود زمین شبکه‌ای
شکل ۵- الکترود زمین حلقوی

برای کاهش امپدانس سیستم زمین، می‌توان از بکفیل‌ یا الکترودهای شیمیایی استفاده کرد.

برای آشنایی با آرایش‌های مختلف الکترود زمین پیشنهاد می‌کنیم مقاله زیر را هم مطالعه کنید.

دستیابی به یک الکترود زمین قابل‌قبول

اگر خاک به صورت طبیعی کیفیت خوبی نداشته باشد، گزینه‌های مختلفی برای کاهش مقاومت مخصوص آن وجود دارد. یک روش بدیهی برای خاک‌هایی که بدی آن‌ها ناشی از خشکی‌شان است، افزایش رطوبت به‌طور مصنوعی است.

مقاومت مخصوص لایه سطحی خاک ممکن است با افزایش رطوبت از ۵٪ به ۱۰٪  تا ۸۰۰ اهم‌متر کاهش یابد. با افزایش رطوبت از ۱۰٪ به ۲۰٪ كاهش بیشتری حاصل می‌شود، ولی به اندازه قبل، محسوس نیست. مشکل اصلی تکنیک افزایش رطوبت این است که در اکثر موارد، یک گزینه عملی به شمار نمی‌رود.

روش دیگر برای کاهش مقاومت مخصوص خاک، تقویت خواص الکتریکی آن از طریق افزودن نمک‌هایی مانند سولفات مس، سولفات منیزیم یا کلرید سدیم است. نمک‌ها را معمولاً همراه با رطوبت، به خاک تزریق می‌کنند، تا مقاومت مخصوص خاک را در یک حجم محدود از آن کاهش دهند. این روش ارزان و عملی است اما می‌تواند مشکلاتی را هم ایجاد کند.

اول آن‌که، با شسته‌شدن تدریجی نمک، خاک به وضعیت نامطلوب خود بازمی‌گردد؛ لذا باید این کار را به صورت دوره‌ای تکرار کرد. دوم آن‌که اغلب نمک‌ها ممکن است باعث خوردگی شدید الکترود زمین شوند. سوم آن‌که، بسیاری از نمک‌ها ممکن است آب‌های زیرزمینی را آلوده کنند. در نتیجه، مقررات محلی یا ضوابط آژانس حفاظت از محیط زیست (EPA) ممکن است مخالف افزودن برخی نمک‌ها به خاک باشند. 

در بسیاری مکان‌ها، اطمینان از داشتن سیستم زمینی با مقاومت کم، با کوبیدن الکترود میله‌ای تا عمقی از خاک که دارای رطوبت نسبتاً دائمی و رسانایی کافی باشد، محقق می‌شود. به یاد داشته باشید، الکترود میله‌ای باید به اعماقی پایین‌تر از حداکثر عمق یخ‌زدگی نفوذ کند. در مواردی ممکن است الکترود میله‌ای را به‌صورت دفنی اجرا کرده و با استفاده از بکفیل‌ مناسب، به مقاومت قابل‌قبولی برای سیستم زمین دست یافت (شکل ۶).

اجرای الکترود زمین با بکفیل
شکل ۶- اجرای الکترود زمین میله‌ای با بکفیل
الکترود ارت از مهم‌ترین اجزای یک سیستم ارتینگ است. در مقاله زیر برخی انواع رایج این الکترودها را مطالعه کنید.

آنچه باید هنگام استفاده از بکفیل‌ دانست آن است که تقریباً در هر خاکی استفاده از بکفیل باعث افزایش کارایی الکترود زمین خواهد شد. اما مهم این است که آیا این بهبود، ارزشش را دارد یا خیر؟ برخی از بکفیل‌ها دائمی هستند و نیازی به نگهداری ندارند؛ متأسفانه بنتونیت از این جمله نیست.

از این انواع می‌توان در مناطقی با هدایت ضعیف مانند زمین‌های صخره‌ای، کوهستان‌ها و زمین‌های شنی استفاده کرد؛ مثلاً در جاهایی که نمی‌توان الکترودهای زمین را مستقیماً کوبید، یا جایی که فضای محدودی برای اجرای الکترود زمین وجود دارد.

انواع متنوعی از بکفیل‌ها در بازار قابل دسترس‌اند، اما هنگام انتخاب این مواد باید دقت کرده و نوعی را انتخاب نمود که با الکترود، هادی زمین و اتصالات به‌کار‌رفته بین این دو سازگار باشد. برخی از گزینه‌های رایج در بازار عبارتند از: بنتونیت، پودر کُک و مواد شیمیایی مصنوعی.

بنتونیت یک نوع خاک رس است که در مناطقی با مقاومت مخصوص بالا به وفور مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این حال، باید دقت داشت که هدایت الکتریکی در بنتونیت به لطف حرکت یون‌ها صورت می‌گیرد. هدایت یونی هم فقط در حالت محلول ممکن است رخ دهد.

به عبارت دیگر، بنتونیت همواره و الزاماً باید مرطوب باشد تا سطح پایینی از مقاومت مخصوص را فراهم کند. اگر بنتونیت رطوبت خود را از دست دهد، مقاومت آن افزایش و حجم آن کاهش می‌یابد. این انقباض منجر به ناپیوستگی در مرز تماس بین بنتونیت و خاک اطراف می‌شود.

در نتیجه، مقاومت الکترود زمین به‌شدت افزایش می‌یابد. پودر کُک یک گزینه متداول دیگر است. این ماده، به‌طور عمده، متشکل از کربن است و هدایت الکتریکی بسیار خوبی دارد. با این حال، آب‌های زیرزمینی می‌توانند خواص آن را از بین ببرند.

استفاده از بنتونیت در اجرای الکترود زمین
شکل ۷- استفاده از بکفیل بتون هادی در اجرای الکترود زمین

دسته دیگری از بکفیل‌ها، انواع سیمان‌های هادی هستند که می‌توان آن‌ها را به صورت خشک یا مخلوط با آب اجرا کرد. این مواد قادرند الزامات EPA را هم رعایت کنند. صنایع راه‌آهن و شرکت‌های برق با موفقیت از این ماده استفاده کرده‌اند.

هنگام نصب به فرم خشک، بکفیل رطوبت را به‌تدریج از خاک اطراف جذب کرده و کم‌کم سخت شده و رطوبت را در درون خود حفظ می‌کند. در این حالت، بکفیل در طی چند روز آب کافی از خاک اطراف را جذب می‌کند و به حداکثر کارایی خود می‌رسد.

در حالت دوم که بکفیل در ترکیب با آب به یک دوغاب سنگین تبدیل می‌شود، می‌توان آن را در داخل یک ترانشه، به‌همراه یک الکترود زمین سیمی یا تسمه‌ای به کار برد، یا به داخل یک حفره عمیق که الکترودی میله‌ای در مرکز آن قرار داده شده ریخت. این ماده به‌واسطه آب و سیمانی که دارد، به یک توده نسبتاً سخت دائمی و بسیار رسانا تبدیل می‌شود.

مقاومت مخصوص برخی از انواع این نوع بکفیل حتی کمتر از ۰.۱۲ اهم‌متر است که در مقایسه با  بنتونیت که مقاومت مخصوصش در بهترین حالت حدود ۲.۵ اهم‌متر است، برتری چشمگیری به شمار می‌رود. مزیت دیگر این بکفیل‌ها نسبت به بنتونیت آن است که نیاز به نگهداری (تزریق رطوبت) یا شارژ دوره‌ای ندارند.

به‌عنوان جمع‌بندی می‌توان گفت، امروزه دیگر یک بکفیل مطلوب نباید نیازمند نگهداری باشد. از این رو، هنگام طراحی الکترودهای زمین، از موادی استفاده کنید که با گذشت زمان حل نشده یا تجزیه نشوند و به شارژ دوره‌ای یا تزریق مداوم آب برای حفظ رسانایی نیازمند نباشند

اجرای بکفیل‌ها

پس از انتخاب بکفیل، باید به روش اجرای آن دقت کرد. اجرای بسیاری از بکفیل‌ها مانند سیمان هادی که در انتهای بخش قبل به آن اشاره شد، سریع و آسان است. برای نصب این بکفیل ابتدا سوراخی به قطر ۳ تا ۶ اینچ (۷.۵ تا ۱۵ سانتیمتر) و عمقی به اندازه ۶ اینچ (۱۵ سانتی‌متر) کمتر از طول میله، حفر می‌شود.

میله در کف حفره قرار گرفته و کوبیده می‌شود تا حداقل ۱۲ اینچ (۳۰ سانتی‌متر) از آن در کف حفره فرو رود. هادی اتصال زمین به میله زمین متصل می‌شود. سپس بخش عمده حفره با مقدار کافی بکفیل پر شده و مابقی با خاکی که از حفره بیرون آورده شده، پر می‌شود. اجرای الکترود افقی در ترانشه با بکفیل، شامل شش مرحله زیر است.

  1. ترانشه‌ای به عرض حداقل ۴ اینچ (۱۰ سانتی‌متر) و به عمق ۳۰ اینچ (۷۵ سانتی‌متر) یا عمقی بیشتر از عمق لایه یخبندان سطحی حفر کنید. 
  2. به اندازه کافی بکفیل (چه خشک و چه به‌صورت دوغاب) کف ترانشه بریزید تا لایه‌ای به ارتفاع حداقل یک اینچ (۲.۵ سانتی‌متر) تشکیل شود.
  3. الکترود (سیم یا تسمه) را روی لایه بکفیل قرار دهید.
  4. به اندازه کافی بکفیل روی الکترود بریزید تا لایه‌ای به ارتفاع حداقل یک اینچ (۲.۵ سانتی‌متر) روی آن را بپوشاند.
  5. با دقت زیاد و آرامی خاک را روی لایه دوم بکفیل پهن کنید طوری که لایه‌ای با ارتفاع حدود ۴ اینچ (۱۰ سانتی‌متر) تشکیل شود. این لایه برای آن است که از وارد شدن بقیه خاک به داخل بکفیل جلوگیری نماید. 
  6. مابقی خاک را در ترانشه بریزید و آن را پر کنید.
الکترودهای میله‌ای مرکب از نوع حلقوی (شکل راست) و شبکه‌ای (شکل چپ)
شکل ۸- الکترودهای میله‌ای مرکب از نوع حلقوی (شکل راست) و شبکه‌ای (شکل چپ)
الکترود میله‌ای دفنی مجهز به بکفیل
شکل ۹- الکترود میله‌ای دفنی مجهز به بکفیل

الکترودهای شیمیایی گزینه دیگری برای غلبه بر شرایط دشوار زمین هستند. این الکترودها شامل یک لوله مسی‌اند که با نمک پر شده و در درون ترانشه یا حفره دفن می‌شود. ممکن است در اطراف آن‌ها از بکفیل نیز استفاده شود. روی لوله مسی سوراخ‌هایی وجود دارد و قسمت بالای الکترود در معرض هوا است.

رطوبتی که از سوراخ‌های بالای لوله (در معرض جو) وارد آن می‌شود، به آرامی نمک‌های درون آن را حل می‌کند و محلول نمک که هدایتی عالی دارد، از سوراخ‌های نزدیک انتهای لوله به داخل خاک می‌رود. بکفیل مناسب برای این نوع الکترود، معمولاً بنتونیت یا سیمان هادی است که در بالا توضیح داده شد.

الکترودهای شیمیایی نیاز به شارژ دوره‌ای نمک دارند. اگرچه این الکترودها گران‌تر از الکترود میله‌ای دفنی با بکفیل سیمان هادی هستند، آزمایش‌های طولانی‌مدت نشان داده که کار‌آیی مشابهی با آن دارند. در جدول ۱ مزایا و معایب انواع الکترود زمین آورده شده است.

نوع الکترود

مزیت

عیب

میله‌ای

طراحی ساده، نصب آسان در خاک‌های نرم، مصالح رایج در بازار، امکان ازدیاد طول تا میزان دلخواه

امپدانس بالا. دشواری نصب در زمین‌های سنگی. ولتاژ گام بالا حول الکترود در شرایط هدایت جریان صاعقه توسط آن به زمین

صفحه‌ای

امکان دستیابی به مقاومت‌های پایین در مواقعی که مساحت زیادی برای اجرای الکترود نیست

دارای مشکل‌ترین نوع اجرا. لزوم اجرا به‌صورت قائم

سیمی

امپدانس ضربه پایین، بخصوص اگر به شکل ستاره‌ای باشد

در معرض تغییر مقاومت به دلیل خشک شدن سطح خاک، غیرقابل استفاده برای خاک‌های ناپایدار (دارای شرایط متغیر)

الکترودهای طبیعی (لوله‌های فلزی آب، فونداسیون مسلح مدفون، مخازن مدفون)

امکان دستیابی به مقاومت‌های بسیار پایین در شرایط خاص

عدم امکان تضمین رفتار فعلی در آینده، لزوم وجود الکترودهای دیگر در کنار آن‌ها (به تنهایی مورد قبول نیستند)

حلقوی

طراحی سر‌راست و نصب آسان در پیرامون تأسیسات موجود. مصالح رایج در بازار، کار‌آیی عالی نسبت به ابعاد

مشکل بودن اجرا در زمین‌های پوشش داده شده با آسفالت یا بتن یا زمانی که لایه سطحی خاک سنگی است

جدول ۱- مزایا و معایب نسبی انواع الکترودهای زمین

اندازه‌گیری مقاومت الکترودهای زمین پس از نصب

پس از نصب، نیاز به اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین است. لازم به ذکر است که طبق فصل 84-250 از استاندارد NEC، هر الکترود منفرد متشکل از میله، لوله یا صفحه که مقاومت آن نسبت به جرم کلی زمین، بیش از ۲۵ اهم باشد، قابل قبول نبوده و باید در کنارش یک الکترود اضافی از انواع ذکر شده در بخش‌های 81-250 یا 83-250 از همین استاندارد، اضافه و با آن موازی کرد. اگر چندین الکترود، نصب و با یکدیگر موازی شوند، فاصله آن‌ها باید بیش از ۶ فوت (۱.۸ متر) باشد.

نگهداری الکترودهای زمین

اطمینان از تداوم کیفیت الکترود زمین، نیازمند یک برنامه بازرسی و نگهداری دوره‌ای مناسب است. باید اطمینان حاصل کرد که الکترود زمین به‌طور مرتب، بازرسی شده و مقاومت آن با استفاده از ارت‌سنج اندازه‌گیری و پایش شود. 

جمع‌بندی

با توجه به اهمیت الکترود زمین در کیفیت عملکرد و ایمنی یک سیستم زمین (ارتینگ)، آشنایی با نحوه دستیابی به یک زمین کم‌امپدانس به‌ویژه در زمین‌هایی که خاک مناسبی برای اجرای سیستم زمین ندارند، اهمیت زیادی دارد.

افزون بر آن، برای پایداری و جلوگیری از فرسایش الکترود زمین نیز می‌توان از تکنیک‌هایی سودمندی استفاده کرد. در این مقاله، اطلاعات کاربردی و مفیدی برای بهبود امپدانس و دوام بیشتر سیستم زمین ارائه شد و مزایا و معایب انواع میله‌ای، صفحه‌ای، سیمی، طبیعی و حلقوی الکترود زمین مورد بررسی قرار گرفت. 

در صورتی که در اجرای سیستم زمین مشارکتی داشته‌اید، با کدام یک از چالش‌های اشاره‌شده در این مقاله برخورد کردید؟ تجربه‌های خود را با ماهر به اشتراک بگذارید.

سوالات متداول

شرایط خاک مانند رطوبت، دما، و نوع خاک می‌تواند مقاومت الکتریکی خاک را تغییر دهد و بر کارایی الکترود زمین تأثیر بگذارد.

اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک به ما کمک می‌کند تا بهترین مکان و روش برای نصب الکترود زمین را تعیین کنیم.

با استفاده از روش‌های بهبود خاک مانند افزودن مواد رسانا و اجرای بکفیل‌ها می‌توان الکترود زمین قابل‌قبولی در خاک‌های نامناسب ایجاد کرد.

نگهداری منظم الکترودهای زمین از افزایش مقاومت و کاهش کارایی آن‌ها جلوگیری می‌کند و اطمینان از عملکرد مطلوب آن‌ها را فراهم می‌آورد.

منبع

آموزش کاربردی ارتینگ در صنعت برق با دکتر شاهرخ شجاعیان

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *