فهرست مطالب
Toggleدو 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.
لزوم اجرای سیستم ارتینگ
گستردگی و حجم استفاده از انرژی الكتريکی در صنعت، تأسيسات الكتريكی و منازل بر كسی پوشيده نيست. 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 تجهيزات الكتريكی را تهديد میكند، عدم وجود يک اتصال زمين مناسب است.
به همين دلیل، يافتن يک سيستم اتصال زمين پايدار با قابليت اطمينان بالا همواره یکی از مشغلههای فكری متخصصان ارتینگ بوده است. «زمين كردن» در يك سيستم الكتريكی، فرايند اتصال همه قطعات فلزی يا بدنه فلزی دستگاههای الكتريكی (بهجز هادیهای حامل جریان برق) به زمين است. هدف از اجرای سیستم زمین (ارتینگ) انتقال هر نوع نشتی جریان الكتریكی در بدنه فلزی دستگاهها به زمين، بهمنظور حفاظت از سلامت افراد و تجهيزات الكتريكی است.
در شرايطی كه سيستم اتصال زمين بهعنوان بخشی از سيستم الكتريكی به حساب نمیآيد، از زمین کردن بدنه هادی تجهیزات، تحت عنوان «ارتینگ حفاظتی» (Protective Earthing) یاد میشود. در مقابل، «زمين كردن الكتريكی یا سیستمی» (System Earthing) به شرایطی اطلاق میشود كه سيستم اتصال زمين به عنوان بخشی از سيستم الكتريكی ایفای نقش كند؛ مانند زمين كردن مركز ستاره در ترانسفورماتورها.
بررسی خواص فیزیکی خاک و انتخاب الکترود و الکترولیت بهينه
برای آگاهی از نحوه ايجاد سيستم كامل و مناسب اتصال زمين، لازم است عواملی كه قابليت هدايت زمين و مقاومت آن را تغيير میدهد با دقت بررسی شود. ساختمان و تركيبات تشكيلدهنده خاک تأثير بهسزايی بر هدايت الكتريكی دارند. كاهش اندازه دانههای خاک باعث کاهش نفوذپذیری آن شده و در صورتی كه بهطور مطلوب متراکم شود، میتواند هدايت الكتريكی را افزایش دهد.
نتايج حاصله از اندازهگيریهای مستمر نشان میدهد اتصال زمينهای احداثشده در این تحقیق با بکفیل بنتونيت در مقايسه با مخلوط سنتی خاک رس، زغال و نمک در زمينهای رسی به ميزان ۶۵٪، در خاکهای سنتی به ميزان ۶۸٪، در زمينهای سنگلاخی به ميزان ۸۸٪ و در مناطق سنگی به ميزان ۹۵٪ كمتر بوده و مقاومت همه الکترودهای آزمایشی نصبشده با بنتونيت و الكترود صفحهای كمتر از ۴ اهم است.
با توجه به نتايج تحقيقات و تجربيات دهههای اخیر در خصوص روشهای بهينهسازی سیستم اتصال زمین، استفاده از نمک که در گذشته سادهترين و رايجترين روشها بود، امروز منسوخ شده است. زیرا اگر چه در كوتاهمدت مشكل مقاومت زمين را رفع میكرد ولی به دليل خاصیت خورندگی بسیار بالا، پس از مدت کوتاهی الكترود و اتصالات مربوطه را به طور كامل از بين میبُرد و در نتیجه باید با صرف هزينههای اضافی مكرر، اقدام به تعويض الكترودها میشد. از طرفی، بر اثر بارندگیهای ساليانه، پس از مدتی اين نمکها نيز شسته شده و به لايههای زيرين منتقل میشود و مقاومت زمين مجدداً افزايش میيابد. در نتيجه، حداکثر کارایی سیستم زمین با مخلوطهای نمکی بين 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 كاهشدهنده مقاومت زمين، متداول شده و اين مواد با تنوع زیادی در اجرای ارتینگ به کار روند. از جمله اين مواد، GEM، ماركونيت، بنتونيت سديم، پلیمرهای جاذب رطوبت و الترافیل (Ultra Fill) را میتوان نام برد.
به لحاظ فراوانی و قيمت مناسب بنتونيت سديم (Sodium Bentonite)، استفاده از اين ماده برای ايجاد اتصال زمين به عنوان یک روش مؤثر و نوين متداولتر شده است. بنتونيت سديم دارای اندازه ذرات بسيار ريز (كمتر از ۰.۰۲ ميكرون) كه دارای سطح تماس بسيار بالا (۸۰۰ متر مربع بر گرم) است و قابليت جذب آب تا ۵ برابر وزن اولیه خود و افزايش حجم تا ۱۳ برابر حجم خشک اوليه را دارد.
همچنين اين ماده وقتی به ۶ برابر حجم اوليه خود میرسد بهصورت لزج و غلیظ در آمده و نهتنها شكل خود را نگه میدارد، بلكه در صورت تماس با هر سطحی به آن میچسبد. در نتيجه، میتواند هم مشكل تراكم خاک و هم چسبندگی و اتصال لازم با الکترود را حل كند.
بنتونيت زمانی كه هيدراته میشود، بهصورت شيميايی میتواند آب را درون خود نگه داشته و به عنوان یک عامل خشکكننده، آب و رطوبت اطراف را با خاصیت مکشی خود جذب كند. در اثر تماس بنتونيت با نور خورشيد، سطح بيرونی آن خشک شده و از خروج رطوبت از قسمتهای درونی آن جلوگيری میكند.
اين ماده رسی نياز به مواد افزودنی ندارد (صرفا بنتونيت نوع سديم اينگونه است) و فاقد خاصیت خورندگی بوده و خواص آن برای ساليان دراز ثابت میماند. مقاومت بنتونيت سديم در ۳۰۰٪ رطوبت (وزن آب بر وزن بنتونيت) حدود ۲ اهم.متر بوده كه به دليل تشكيل الكتروليت ناشی از افزودن آب است.
آبی كه به صورت شيميايی در بنتونيت نگهداری میشود اجازه میدهد تا سود و پتاس آهک (CaO)، اكسيد منيزيم (MgO) و ديگر نمکهای معدنی موجود در آن يونيزه شده و با pH حدود ۸.۵ تا ۱۰.۵ تشكيل یک الکترولیت قوی را بدهند. روش شناسايی خاکهای بنتونيت سدیم به دو صورت است.
- قابليت جذب آب (با آزمايش فيزيكی ساده قابل اندازهگیری است).
- عناصر تشكيلدهنده (آزمايش شيميايی و آناليز آن).
برای انتخاب معيار و ملاک قیاس در جدول ۱ نمونهای از آناليز عناصر اين نوع خاک كه در اصفهان مورد استفاده قرار دادهایم، آمده است.
جدول ۱- عناصر تشكيلدهنده بنتونيت سديم استحصال شده در اصفهان
بنتونيت با توجه به خواص مطرحشده یک الكتروليت بهينه است. گرچه مواد ديگری چون GEM و ماركونيت قابليتهايی دارند؛ اما به علت رعايت مسائل ایمنی هنگام مصرف در كار و قيمت بالا در قياس با بنتونيت در جايگاه پايينتری قرار دارند.
آزمایشهای عملی استفاده از بنتونیت
جهت بررسی کارایی الکترودهای دفنی مختلف با بکفیل بنتونيت، 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. نتايج حاصل از آزمایشها در جدول شماره ۲ نشان داده شده است.
با توجه به گستردگی و وسعت بالای محدوده شهرستان اصفهان و تنوع خاکهای موجود در اين منطقه سنگلاخی در جنوب شهر، ماسهای در مجاورت رودخانه زايندهرود، خاک ماكادم (Macadam) یا خاک سرخه و عمدتاً خاک كشاورزی كه بعضاً همراه با شوره و نمک است.
اتصال زمينهای احداثشده به روش سنتی (زغال و نمک) دارای متوسط مقاومت ۹ اهم هستند. پس از جایگزینی بنتونيت بهمنظور بهبود خواص خاک، مقدار مقاومت اتصال زمينهای احداثشده به ۶ اُهم كاهش پيدا كرده است.
استفاده از الکترود لتیس و نتایج عملی آن
پس از بررسی اثر بنتونیت بر مقاومت خاک، بهمنظور كاهش هزينه تمامشده اتصال زمين به جای استفاده از صفحه مسی، از الکترود پنجرهای یا لَتیس (Lattice) استفاده شد. الكترود لتیس از لحاظ داشتن خواص پايداری بهتر، بر اساس توصيه استاندارد DIN-VDE 0140 كه فولاد گالوانيزه را از نظر دوام، بهترين نوع الكترود میداند، برگزيده شد.
مشبّکبودن اين الكترود نياز به صفحه يكپارچه را منتفی كرده و سبب میشود با مقدار آهن كمتر همان ميزان مقاومت، حاصل شود. الكترود لتیس بهجای صفحه مسی و ميله Copper-Weld استفاده شد. لازم به ذكر است كه استفاده از فلز گالوانيزه به همراه بنتونيت كه بکفیلی قليایی است و عامل خوردگی در تركيبات آن وجود ندارد، بهترين گزينه از لحاظ فنی و اقتصادی است.
استفاده از الکترود لتیس با ابعاد ۰.۵ متر در ۰.۵ متر كه متشكل از تسمههایی به عرض ۳ سانتیمتر و با روكش گالوانيزه گرم به ضخامت ۹۰ میکرون است (شكل ۱)، به جای صفحه مسی، كاهش ۵۰ درصدی در كل هزينه احداث چاه اتصال زمين و ۶۰ درصدی نسبت به روش احداث چاه با سیم مسی به تنهايی میشود.
در جدول ۳ مقايسه هزینه بهکارگیری اين روش آمده است. نوع دیگری از اجرای ارت كه در ستون آخر جدول ۳ تحت عنوان اجرا با سیم مسی آمده، برای زمينهای خيلی سخت مناسب است. در اين روش با استفاده از مته و کمپرسور، سوراخی به عمق ۳ متر حفر شده و یک سیم مسی ساده درون سوراخ هدايت میشود. سپس سوراخ با دوغاب بنتونيت پر شده و سيم در طرف دیگر روی شبکه بسته میشود.
جدول ۳- مقایسه هزینه نسبی احداث الکترود اتصال زمين سه نوع الکترود مختلف
روش اجرا |
با صفحه مسی ۰.۵ متر در ۰.۵ متر و ضخامت ۴ ميليمتر |
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.
منبع
آموزش کاربردی ارتینگ در صنعت برق با دکتر شاهرخ شجاعیان