الکترودهای زمین در سیستم اتصال زمین

انواع الکترودهای زمین

اتصال قطعات فلزی (رسانا) یک دستگاه الکتریکی یا یک سیستم تاسیسات به زمین، سیستم زمین یا زمین کردن نامیده می شود. هدف اصلی از ایجاد سیستم زمین، جلوگیری یا به حداقل رساندن خطر برق گرفتگی، آتش سوزی ناشی از نشت برق از طریق مسیر نامطلوب و اطمینان از افزایش پتانسیل هادی حامل جریان نسبت به عایق می باشد.

زمانی که بخش فلزی دستگاه های الکتریکی (قطعاتی كه می توانند جریان الكتریكی را هدایت یا اجازه عبور دهند) با سیم فاز تماس پیدا كنند؛ ممکن است به دلیل مشکل در سیستم تاسیسات یا ایراد در عایق كابل ها، بخش فلزی با برق، شارژ شده و بار الکتریکی بر روی آن جمع شود. اگر شخصی در آن لحظه این فلز باردار شده را لمس کند، موجب ایجاد تلفات جانی خواهد شد. برای جلوگیری از بروز چنین حوادثی، سیستم های منبع تغذیه و قطعات لوازم خانگی باید دارای سیستم ارتینگ یا زمین باشند تا جریان الکتریکی آزاد به صورت مستقیم به زمین منتقل شود. به همین علت است که در انجام پروژه های صنعتی برق و بخش های الکتریکی پروژه های ساختمانی، به طور قطع از سیستم اتصال به زمین استفاده می شود.

 

(اجراي چاه ارت)

1. انتخاب محل

چاه ارت بايد در فضاهایی با پايين‌ترين سطح و احتمال وجود رطوبت در عمق كم و يا در نقاط در معرض رطوبت و آب بالا هم چون زمين هاي چمن، باغچه‌ها و فضاهاي سبز حفر گردد.

2. عمق

با توجه به مقاومت مخصوص زمين، عمق چاه در کم ترین حالت، 4 متر تا 8 متر در بیش ترین حالت می باشد. قطر آن نیز در حدود 80 سانتي متر مي باشد. برخی زمين ها مانند زمین هاي مناسب كشاورزي و مناطقی با خاک رسي با توجه به جنس خاك، مقاومت مخصوص كم تري داشته در نتیجه عمق حفاري كم تر می گردد. در زمين هاي شني و سنگلاخي كه مقاومت مخصوص بالاتري دارند؛ عمق حفاری افزایش می یابد.

مقاومت مخصوص خاك، به وسیله دستگاه هاي خاصی اندازه گيري مي شود. اگر با 4 متر حفاری، هیچ گونه رطوبتی مشاهده نشد و احتمال وجود رطوبت در عمق بيش از 6 متر نیز ممکن نبود؛ به حفر بیش از 6 متر نیازی نیست. به طور کلی مناسب ترین حالت برای حفاری چاه ارت، عمق 6 متر و قطر حدود 80 سانتي متر می باشد.

محدوده مقاومت مخصوص چند نوع خاك در جدول زير آمده است:

3. الکترود زمین

میله ای از جنس رسانا می باشد که در داخل زمین قرار می گیرد (چاه ارت یا ترانشه). الکترودهای زمین به طور خاص برای بهبود سیستم اتصال به زمین، پس از نصب آن طراحی شده اند.

4. بنتونیت (Bentonite)

بنتونیت نوعی خاک رس نگهدارنده رطوبت است که به عنوان الکترود زمین برای کمک به کاهش مقاومت خاک استفاده می شود و در شرایط خشک به هنگام مخلوط شدن با آب، چندین برابر حجم اصلی خود متورم می شود.

بنتونیت برای کاهش مقاومت در برابر زمین استفاده می گردد، زیرا با افزایش رطوبت، مقاومت بین خاک و الکترود زمین (مانند میله زمین مسی) به طور موثری کاهش می یابد. چنین توانایی در جذب و نگهداری آب، هدایت الکتریکی را افزایش می دهد. ترکیب بنتونیت، بسیار مقرون به صرفه بوده و جهت پر کردن فضاهای خالی الکترودهای زمین و بهبود عملکرد آن ها مورد استفاده قرار می گیرد، روشی برای بهبود زمین الکتریکی، که به طور معمول در LV ,MV, HV به کار گرفته می شود.

مزایای این ترکیب برای سیستم، به شرح زیر است:

1. افزایش خاصیت تبادل یونی
2. افزایش قدرت جذب و نگهداری آب
3. کاهش مقاومت الکتریکی زمین در جریان مصرف
4. قابلیت استفاده در هر خاک (به ویژه خاک های خشک با فصول طولانی و خشک)
5. کاهش عمق و حجم شبکه ارت (بسیار مقرون به صرفه)
6. عدم استفاده از مواد شیمیایی در بنتونیت (تماس با بدن مانعی ندارد اما در صورت استفاده دائمی، بهتر است تا تماسی صورت نگیرد)
7. ایجاد تخلخل، اصلاح ساختار و فعل و انفعالات شیمیایی خاک (کاهش نقطه انجماد خاک)
8. عدم وجود اثرات مجرت زیست محیطی (طبیعی بودن ترکیبات)
9. افزایش طول عمر مفید میله ارت و صفحه (ممانعت از پدیده اکسایش و خوردگی)
10. قابلیت کاربرد بالا در انواع شبکه های ارت (سطحی و عمقی)
11. طول عمر بسیار زیاد، یکنواخت و همگن بودن اثرات بر تمامی قسمت های محیط
12. شرایط الکترونی و یونی مناسب هادی با وجود نمک های خنثی و رطوبت محیط بدون اثر خورندگی

 

انواع گوناگونی از الکترود زمین وجود دارد. در این مبحث به بررسی رفتار بنتونیت با نمونه هایی از این الکترودها پرداخته می شود:

هنگامی که خاک و شرایط زمین بسیار اسیدی یا قلیایی و یا مشکوک به چنین شرایطی باشند، موادی مانند بنتونیت می توانند چرخه زندگی الکترودهای تسمه ای و میله ای زمین مسی را به طور قابل توجهی افزایش دهند. علاوه بر این، بنتونیت، آب و سطح تماس آن با خاک را افزایش می دهد و در نتیجه مقاومت زمین کاهش می یابد.

 

الکترود و بنتونیت در سیستم زمین
1. بنتونیت و الکترود میله ای یا لوله ای (Rod or Pipe Electrode – گروه الکترود قائم – چاه عمودی)

 

شکل (1) طرحی از بنتونیت و الکترود میله ای (Rod Electrode) در چاه ارت

 

1. تهیه بنتونیت خشک مورد نیاز با توجه به قطر چاه و شرایط محیطی منطقه مورد نظر (یک حلقه چاه 3 متری در حدود 300 تا 400 کیلو گرم)
2. حفر چاه به قطر تقریبی 90-60 سانتی متر و عمق 3 متر
3. قرارگیری میله ارتی 3 متری (یا دو میله کوبل شده 1.5 متری) و فرو بردن میان زمین (چاه) در حدود 50 سانتی متر
4. آماده سازی بنتونیت به صورت دوغاب (35 درصد بنتونیت و 65 درصد آب)
5. تخلیه بنتونیت در چاه ارت {ترتیب تخلیه: 65 درصد بنتونیت دوغاب شده – بخش تحتانی + 35 درصد مخلوط (بنتونیت + خاک رس + آب) – سطح فوقانی}
6. فشرده سازی مواد دوغاب سفت شده در زمان پر کردن چاه و بعد از هر 20 سانتی متر (فشردگی و چسبندگی لایه های بنتونیت به میله ارت و از بین رفتن فضاهای خالی اطراف آن)

 

ویدئو (1) نصب الکترود میله ای (Rod Electrode) قائم در چاه ارت

 

2. بنتونیت و الکترود صفحه ای عمیق (Earth Plate – گروه الکترود قائم – چاه عمودی)

1. حفر چاه به قطر تقریبی 90-60 سانتی متر و عمق 3 متر
2. اتصال سیم ارت یا تسمه مسی به صفحه زمین (حداقل در دو نقطه)
3. قرارگیری صفحه ارت (500 × 500 × 3 میلی متر) به صورت عمودی در انتهای چاه
4. تخلیه بنتونیت به صورت دوغاب سفت شده با فشردگی مناسب تا 35 سانتی متر، جهت پوشش دهی کامل بالای سطح صفحه زمین
5. پر کردن بخش های بالایی و باز چاه با مخلوط 30 درصد بنتونیت + 70 درصد خاک + آب
6. فشرده سازی مخلوط، پس از هر 20 سانتی متر خاک ریزی (اتصال کامل خاک اطراف هادی با صفحه زمین)
7. استفاده از بنتونیت خشک برای پر کردن چاه ارت، 250-200 کیلوگرم در ابتدای حفاری و 150-120 کیلوگرم برای 2 متر بعد از آن جهت مخلوط کردن با خاک

به علت جذب بسیار بالای آب توسط بنتونیت فعال (اکتیو)، باید به روش تهیه دوغاب توجه داشت. بهتر است که پودر بنتونیت به تناوب در آب ریخته شده و حل شود تا دوغاب به دست آمده یک دست و یکنواخت باشد. اگر عمل عکس آن صورت بگیرد (افزودن آب به پودر بنتونیت) نتیجه مناسبی نخواهد داشت.

برای نمونه، “روش پر کردن چاه” در الکترود صفحه ای بررسی می شود:

روش دقیق پر کردن چاه

1. تهیه و ریختن 20 ليتر محلول آب و نمك به كف چاه، 24 ساعت قبل از پر کردن آن (باید تمام كف چاه را در بر بگيرد)
2. پر کردن چاه با خاك رس و يا خاك نرم به ارتفاع 20 سانتي متر از انتهای چاه
3. تهیه و ریختن دوغاب بنتونیت به مقدار لازم (حدود 450 كيلوگرم معادل 15 كيسه 30 كيلوگرمي) به ارتفاع 20 سانتي متر از كف چاه (مخلوط غليظ تر، كيفيت بهتر)
4. اتصال دو سيم مسي به صفحه مسي تا سطح دکل (تناسب طول سيم ها با طول مسير)
5. قرار گیری صفحه مسي به صورت عمودي در مركز چاه
6. پر کردن اطراف صفحه مسي با دوغاب تا بالاي صفحه
7. قرارگیری لوله پليكا جهت تامين رطوبت انتهای چاه و تزريق آب در فصول گرم سال، به صورت سوراخ شده و مورب در مركز چاه و بالاي صفحه (پر کردن لوله با شن تا ارتفاع 50 سانتي متر از انتهاي لوله)
8. عدم نیاز چاه به لوله گذاری در صورت حفر در فضای باغچه یا تأمین رطوبت از بالا و پايين چاه و رساندن رطوبت به انتهای چاه
9. پر کردن 20 سانتي متر از بالای صفحه مسی با دوغاب بعد از قراردادن لوله پليكا
10. پر کردن چاه با خاك معمولي همراه با ماسه يا خاك الک شده كشاورزي تا 10 سانتي متر مانده به دهانه چاه
11. پر کردن 10 سانتي متر پایانی چاه با شن و سنگريزه، براي نفوذ آب باران و آب هاي سطحي به داخل چاه
12. زمانی که در چاه از لوله پوليكا استفاده نشده باشد، نباید روی چاه را با آسفالت و يا سيمان پر کرد.
13. پر کردن داخل شيارهاي حفاري با خاك الک شده كشاورزي، خاك نرم معمولي و يا خاك معمولي مخلوط با بنتونيت

 

شکل (2). طرحی از بنتونیت و الکترود صفحه ای (Earth Plate) و یا تسمه ای (Strip Electrode) در ترانشه

 

 

3. بنتونیت و الکترود تسمه ای (Strip Electrode – گروه الکترود افقی – ترانشه)

در صورتي كه خاك محل نصب الكترودهاي صفحه‌اي يا ميله‌اي سخت باشد، به گونه‌اي كه حفر چاه و رسيدن به لايه‌هاي مرطوب عمقی خاك به طور کلی غيرممكن يا بسیار دشوار باشد، از سيستم الكترودهاي افقی استفاده می شود. بدين صورت كه الكترودها در خاك، به صورت افقي و موازی با سطح زمین قرار مي ‌گيرند (شکل 2).

1. حفر ترانشه جهت دفن الکترود تسمه ای با عرض 300-200 میلی متر (عمق ترانشه به طور معمول 600 میلی متر)
2. پر کردن عمیق ترین قسمت ترانشه با مخلوطی از ترکیب بنتونیت و آب (به ضخامت 50-25 میلی متر)
3. قرارگیری الکترود تسمه ای درون ترانشه (اطمینان از فرو نرفتن بیش از حد الکترود تسمه ای مسی در بنتونیت)
4. افزودن لایه دوم از مخلوط بنتونیت داخل ترانشه به ضخامت 50-25 میلی متر (اطمینان از پوشش کامل الکترود تسمه ای با مخلوط)
5. پر کردن و فشرده سازی دقیق و نهایی فضای خالی باقی مانده در ترانشه
6. استفاده از الكترودهاي تسمه ای شكل مسي بدون روكش قلع و با ضخامت مس حداقل 2 ميلي متر، تسمه فولادي گالوانيزه گرم با سطح مقطع حداقل 100 ميلي مترمربع (30×3.5) و يا حتي سيم مسي لخت با سطح مقطع 25 ميلي مترمربع (قطر 5.6 ميلي متر) به عنوان الكترود افقي
7. عدم استفاده از الكترود تسمه‌اي با ضخامت بيش از يك هشتم پهناي آن
8. تاثیر کم عمق دفن الكترود تسمه‌اي و پهناي آن بر روي مقاومت {عمق دفن پیشنهادی الكترودهاي تسمه‌اي (افقي) بين 0.6 تا 2 متر}
9. قابلیت جایگزینی سيم گرد به جای سیم الكترود تسمه‌اي
10. قابلیت قرارگیری الكترودهاي افقي تسمه‌اي يا سيم گرد در چهار وضعيت: تك رشته‌ (-)، دو رشته عمود بر هم ()، سه رشته با زاويه 120 درجه نسبت به يكديگر (Y ستاره) و چهار رشته عمود بر هم (صليبي +)
11. استفاده از سیم مسی به عنوان سيم اتصال به زمين متصل به الكترود تسمه‌اي
12.  نسبت مستقیم مقاومت ويژه الكتريكي خاك به مقاومت الكترود نصب شده در آن، ميزان رطوبت خاك، تركيبات شيميايي، نمك هاي محلول موجود در آن، اندازه و توزيع دانه‌ها و نزديكي آن ها به یکدیگر

 

شکل (3). طرحی از انواع الکترود زمین (Earth Electrode)