مقاومت سیستم ارتینگ و عوامل موثر بر میزان مقاومت سیستم اتصال به زمین

در این مقاله در مورد مقاومت سیستم ارتینگ و عوامل موثر بر میزان مقاومت سیستم اتصال به زمین صحبت خواهیم کرد.انسان ها، حیوانات و سازه ها به طور بالقوه در معرض چندین نوع تهدید الکتریکی با ویژگی های مختلف قرار دارند. اصلی ترین آنها صاعقه مستقیم و پیامدهای ناشی از تخلیه انرژی آن است. خطرات مرتبط با صاعقه دو نوع است:

1-اثر ضربه برخورد مستقیم صاعقه

2- اثرات ثانویه ضربه صاعقه

شکل شماره نمونه هایی از تخلیه مستقیم و غیرمستقیم رعد و برق و اثرات آنها بر انسان، ساختمان ها، سازه ها و محیط های اطراف را نشان می دهد.

اثرات اضافه ولتاژ گذرا یا سرج را می توان به دو دسته به شرح زیر دسته بندی کرد:

یک : آنهایی که پیامد مستقیم صاعقه هستد. به عنوان مثال: اثرات حرارتی، الکتریکی، شنوایی و چشمی

 دو: آنهایی که در اثر اثرات غیرمستقیم صاعقه ایجاد می شوند. به عنوان مثال آتش سوزی ها، سقوط اجسام و غیره.

در  مورد سازه ها و تاسیسات صنعتی، تخلیه مستقیم صاعقه می تواند خسارات و تلفات متعددی ایجاد کند. مثال هایی از خسارت ها عبارتند از:

• وقوع آتش سوزی
• سقوط درختان یا آتش گرفتن آنها
• انفجار مایعات یا گازهای قابل اشتعال
• تخریب آنتن های تلویزیون، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی
• آسیب به خطوط برق یا شبکه های تلفن

 علاوه بر این، صاعقه می‌تواند به سایت‌ های صنعتی مانند تأسیسات بندری، تأسیسات زمینی فرودگاه، پالایشگاه‌ های نفت، مخازن سوخت و … و سایت ‌های کشاورزی مانند سیلوها، مزارع، استخرهای پرورش ماهی آسیب برساند. در مجموع، پیامد ها، خسارت ها و آسیب های صاعقه می تواند اثرات قابل توجهی بر اقتصاد یک کشور داشته باشد که در نتیجه به طرق مختلف زندگی مردم آن کشور را تحت تاثیر قرار می دهد. برخی از فعالیت ها به دلیل ماهیت یا عملکردشان بیشتر در معرض خطر هستند. برخی از عوامل جغرافیایی می توانند خطرات را افزایش دهند مانند کوه، دریاچه، دریا. لازم به ذکر است که نباید از پیامد های صاعقه مانند اضافه ولتاژ های لحظه ای غافل شد.

حفاظت از صاعقه

صاعقه و رعد و برق و اثرات ثانویه آن به طور مستقیم یا غیرمستقیم بر انسان تأثیر می گذارد و با ایجاد آتش سوزی و قطعی سیستم برق، خطر بزرگی جانی و مالی به همراه دارد، همچنین باعث ایجاد موج هایی فرکانسی و نویز های الکترومغناطیسی می شود که به سیستم های حساس و مدارهای الکترونیکی و کامپیوتری، آسیب می زند. برای محافظت از انسان و همچنین سازه ها و تجهیزات در برابر صاعقه، طراحی، پیکربندی و نصب یک سیستم حفاظت در مقابل صاعقه و اثرات ثانویه آن، حیاتی و مورد نیاز است. به طور خلاصه، صاعقه گیرها برای حفاظت از ساختمان در برابر برخورد مستقیم صاعقه با هدایت تخلیه های جوی به زمین از طریق سیستم های ارتینگ و هادی های نزولی طراحی شده اند.

1- سیستم حفاظت فعال :

این نوع حفاظت برای جلوگیری از خطرات با هشدار در زمان وقوع طوفان طراحی شده است. حفاظت فعال امکان تکمیل رویه های عملیاتی خاص و نظارت تقویت شده را فراهم می کند. سیستم کمک هوشمند امکان اندازه‌گیری وضعیت سلامت هر دستگاه محافظ را از طریق اتصال ابری فراهم می‌کند و خدمات دیجیتالی بیشتری را ارائه می‌کند. در واقع، حفاظت فعال همچنین تجزیه و تحلیل ساده و جامعی از سیستم ارائه می دهد. متغیرهای اغتشاش احتمالی را می توان قبل از بروز نقص در سیستم شناسایی کرد که برنامه ریزی خدمات و عملیات تعمیر و نگهداری را تسهیل می کند.

2- سیستم حفاظتی غیر فعال

 سیستم های حفاظت از صاعقه خارجی از هادی ها، تجهیزات و لوازم جانبی صاعقه استفاده می کنند که می توانند اتصال رعد و برق را بر روی سازه ها کنترل کنند و همزمان انرژی آن را به زمین منحرف نمایند. این مورد در  شکل شماره 2 نشان داده شده است. در بیشتر موارد، حفاظت غیرفعال ممکن است اختلالات الکترومغناطیسی صاعقه را محدود کند. اجرای مجموعه ای از اقدامات لازم است تا با استفاده از آنها،  افزایش پتانسیل زمین را کنترل کرده و ولتاژهای لمسی و پله ای را به حداقل برسانیم. مش تشکیل شده توسط هادی مسی بدون روکش نیز یک تکنیک موثر برای افزایش اقدامات حفاظتی است.  لازم به ذکر است که تمامی شیوه های انتقال اختلالات الکترومغناطیسی ناشی از رعد و برق باید در نظر گرفته شود. بنابراین، تمام اتصالات و زیرساخت ها و بسترهای ارتباطی مانند خطوط انرژی الکتریکی، خطوط تلفن، کابل های برق، لوله های فلزی، خاک و هوا باید در نظر گرفته شود. از آنجایی که ریسک ها و هزینه های مرتبط افزایش می یابد، برای تجزیه و تحلیل و اجرای این سیستم های حفاظتی به تخصص بیشتری نیاز است. علاوه بر این، برای موثر بودن این سیستم های حفاظتی باید در مراحل اولیه روش طراحی اولیه سازه ها و ساختمان ها مورد مطالعه قرار گیرند. رویه های تعمیر و نگهداری و تأیید نیز باید ایجاد شود.

3- مقاومت سیستم ارتینگ

سیستم ارتینگ بخشی مهم و اساسی در یک سیستم حفاظت الکتریکی است و به پراکندگی جریان های خطا و صاعقه در زمین کمک می کند. در کاربردهای دیگر، سیستم زمین می تواند به عنوان یک سیگنال مرجع و نقطه رفرنس استفاده شود، نقطه رفرنس در تجهیزات الکتریکی و خصوصا در سیستم های حساس کامپیوتری، مخابراتی، الکترونیکی، ابزار دقیق و بطور کلی در صنایع و تجهیزات مبتنی بر کامپیوتر، اهمیت بسیار بالایی دارد. در  به طور کلی کارایی هر سیستم ارتینگ به دستیابی به مقاومت کم بین سیستم های ارت و جرم کلی زمین بستگی دارد. از طرفی مقاومت زمین و الکترودهای اتصال به زمین و در نهایت کل سیستم ارتینگ، به پارامترها و عوامل مختلفی بستگی دارد. شکل‌های 3 و 4 نمونه‌هایی از مقاومت الکترودهای زمین مدفون در خاک‌ هایی با مقاومت ‌های مختلف را نشان می‌دهند که برای طول و شعاع مختلف محاسبه شده‌ اند.

 

مقاومت هر سیستم ارت عمدتاً به مشخصات هادی ها، پیکربندی هندسی سیستم و پارامترهای الکتریکی خاک بستگی دارد. این مقاومت به طور مستقیم با مقاومت خاک که در شکل 4 نشان داده شده است، متناسب است. شایان ذکر است که طراحی و اجرای سیستم های ارتینگ با استفاده از استانداردها و قوانین بین المللی و استاندارهای ملی کشورها، قابل اجرا می باشد و به آنها بستگی دارد. از مهمترین قوانین و استانداردهای حوزه حفاظت از صاعقه می توان به IEC620305  و IEEE STD 80 اشاره نمود. اما هدف از این استانداردها ایجاد یک مسیر با مقاومت کم و در نهایت با امپدانس مناسب در فرکانس بالا با زمین محلی یا جرم کلی زمین است.

4-مقاومت خاک

در سیستم های ارتینگ مقاومت ویژه خاک پارامتر کلیدی است که تعیین می کند مقاومت کل یک سیستم ارتینگ چقدر خواهد بود و الکترود زمین باید تا چه عمقی در زمین دفن شود تا کمترین مقاومت اتصال زمین را به دست آورد. این پارامتر از یک منطقه به منطقه دیگر در جهان بسیار متفاوت است و به صورت فصلی تغییر می کند. اینگونه تغییرات باید هنگام طراحی تاسیسات ارتینگ در نظر گرفته شود. در واقع، مقاومت الکتریکی خاک به محتوای الکترولیت های آن و جنس خاک منطقه بستگی دارد، خصوصیاتی مانند میزان رطوبت خاک، نوع مواد معدنی و نمک های محلول تعیین کننده هستند. به عنوان مثال، اگر خاک خشک فاقد نمک های محلول باشد، مقاومت بالایی دارد. جدول شکل 5 برخی از انواع خاک و مقاومت الکتریکی آنها را نشان می دهد.

هنگام طراحی سیستم های ارتینگ، مقاومت خاک باید به دقت در نظر گرفته شود، مهمترین دلیل این است که مقاومت های مختلف همانطور که در جدول I نشان داده شده است، تغییر در مقاومت یا امپدانس زمین ایجاد می شود. علاوه بر این، ولتاژهای گام و لمسی می توانند بر این اساس به سمت مقادیر بالاتر تغییر کنند که منجر به افزایش خطر صاعقه و جریان های خطا می شود. با توجه به IEEE STD 81 [3]، در صورتی که هادی ها اندازه کافی داشته باشند و شرایط خاک برای مواد انتخابی خورنده نباشد، انتخاب مناسب مواد هادی می تواند یکپارچگی سیستم ارت را برای سال ها حفظ کند. انتخاب نهایی مواد هادی و ابعاد باید ملاحظات متعدد مربوط به هر عنصر از سیستم ارتینگ را منعکس کند تا بتواند عملکرد خود را حتی زمانی که در معرض خوردگی یا سوء استفاده فیزیکی قرار می گیرد حفظ کند. بعلاوه، سیستم باید قابل اعتماد باشد و در برابر نامطلوب ترین شرایط از شدت و مدت خطا در برابر ذوب شدن و زوال مکانیکی مقاومت کند.

5-عوامل موثر بر مقاومت خاک

 درک اینکه چگونه مقاومت خاک می تواند تغییر کند برای طراحی ایمن سیستم های ارتینگ ضروری است. جنبه ‌های اصلی که باعث ایجاد مقاومت ‌های متفاوت خاک می‌شوند، محتوای نمک، رطوبت، دما و ضریب نفوذ هستند. این عوامل با هم بر مقاومت خاک تأثیر می گذارند همانطور که در نتایج اندازه گیری شده در شکل 6 مشاهده می شود، که مقاومت های خاک اندازه گیری شده را به عنوان تابعی از فاصله الکترود های ونر و در تاریخ های مختلف توصیف می کند.

شکل 7 نمونه ای از تغییرات فصلی مقاومت ارتینگ یک الکترود زمین عمودی را در یک دوره هشت ماهه نشان می دهد.

دما عامل مهمی است که در طراحی سیستم ارتینگ باید در نظر گرفته شود. ارتباط مستقیم با مقاومت خاک دارد و بنابراین باید بررسی شود تا ببینیم این دو چگونه با یکدیگر همبستگی دارندو بر مقاومت الکترود اتصال زمین تاثیر می گذارند.

شکل 8  مقاومت خاک را در دماهای مختلف نشان می دهد.

به دلیل تغییرات فصلی، میزان رطوبت طبیعی خاک در زمان های مختلف در طول سال تغییر می کند. از آنجایی که میزان رطوبت در خاک خصوصیتی است که مقاومت را به شدت تحت تأثیر قرار می دهد، بنابراین بررسی تأثیر آن بر مقاومت خاک و در نتیجه بر مقاومت سیستم ارتینگ بسیار مهم است. در واقع نتیجه چندین تحقیق در این زمینه مبین آن است که با افزایش رطوبت، مقاومت خاک به شدت کاهش می یابد. این مورد به این دلیل است که رسانایی در خاک الکترولیتی است و در فضاهای منافذ داخل خاک تعرق می کند. نمونه ای از دو مدل خاک در شکل 9 نشان داده شده است.

از این نتایج مشاهده می شود که با افزایش درجه اشباع خاک، مقاومت خاک به سرعت کاهش می یابد و در سطوح اشباع بالا تراز می شود، تا زمانی که رطوبت تقریباً 20 درصد یا بیشتر حاصل شود. علاوه بر این، تغییر مقاومت خاک به عنوان تابعی از میزان رطوبت به ماهیت خاک بستگی دارد، به این معنی که هر سایت باید به طور مستقل مورد مطالعه قرار گیرد. لازم به ذکر است که مقاومت خاک به فرکانس نیز بستگی دارد. مطالعه سیستم‌ ها در فرکانس‌ های بالا به دلیل رفتار غیرخطی و غیرقابل پیش‌بینی، چالش‌ ها و پیچیدگی‌ های زیادی را به همراه دارد.

محلول های خاک با استفاده از مواد با مقاومت کم، محیطی پایدار با رسانایی الکتریکی و استحکام خوب برای سیستم ارتینگ فراهم می کند ، بعنوان مثال بنتونیت یک از موادی است که با استفاده از آن می توان مقاومت سیستم اتصال به زمین را تا حد مطلوب کاهش داد و علاوه بر آن پایداری مناسبی در سیستم ارتینگ ایجاد نمود، یکی از مهمترین خصوصیت های این موارد این است که از خورندگی مس و فولاد که بعنوان الکترود زمین استفاده می شوند، جلوگیری نموده و عمر آنها را افزایش می دهداز سوی دیگر موادی مانند بنتونیت و مارکونیت دارای pH در محدوده خنثی هستند و به ساختارهای سیمانی آسیب نمی رسانند.

سخن پایانی

حفاظت الکتریکی و ایجاد بالاترین ایمنی از مهمترین مباحث در حوزه سیستم های الکتریکی هستند، در یک سیستم یکپارچه حفاظتی دو نوع حفاظت کلی را مد نظر داریم:

• حفاظت از انسان ها و موجودات زنده
• حفاظت از سیستم های الکتریکی و الکترونیکی و کامپیوتری

مهمترین هدف در ایمنی، حفاظت از جان اشخاص و در وحله بعدی، حفاظت از تجهیزات الکتریکی خصوصا سیستم های حساس و گرانقیمت کامپیوتری و الکترونیکی می باشد.

دستگاه ارت الکترونیکی، سیستمی حفاظتی و مکمل سیستم زمین و ارتینگ است. ارت الکترونیکی توسط کارشناسان شرکت کنزا صنعت طراحی و تولید شده است و به شماره 46660 در سازمان ثبت اختراعات و مالکیت معنوی به ثبت رسیده است.

ارت الکترونیکی امپدانس حلقه اتصال کوتاه را تا کمترین میزان ممکن کاهش می دهد و با ایجاد یک حلقه حفاظتی علاوه بر حفاظت از اتصال فاز به بدنه در ولتاژ 43 ولت نسبت به زمین لوکال، با فیلتر نویزهای الکترومغناطیسی و القایی از روی بدنه دستگاه ها و ایجاد نقطه رفرنس با کمترین تغییر نسبت به زمین و هادی PEN، از تجهیزات الکتریکی خصوصا سیستم های حساس کامپیوتری و مخابراتی در مقابل خطاهای شبکه برق حفاظت نموده و بهره وری آنها راافزایش می دهد.

ارت الکترونیکی کنزا صنعت، با کاهش امپدانس حلقه اتصال کوتاه و ایجاد مدار حفاظتی در خروجی خود، با ایجاد نقطه رفرنس در حدود صفر ولت و بدون تغییرات در زمان تخلیه الکتریکی ولتاژهای اضافی، در صنایع جریان ضعیف و سیستم های حساس کامپیوتری و مخابراتی بسیار راه گشا بوده و با فیلتر نویز های مختلف بدنه تجهیزات در حلقه حفاظتی خود، علاوه بر افزایش بهره وری، از آسیب به آنها در شرایط مختلف محیطی جلوگیری می نماید.

سیستم ارت الکترونیکی کنزا صنعت تاکنون بر روی بیش از پنج هزار شبکه مصرف کننده حساس مانند تجهیزات پزشکی، سیستم های مخابراتی، دیتاسنترها و سیستم های IT خودپردازها و شعب بانکی نصب و راه اندزای شده است و توانسته علاوه بر بالا بردن بهره وری آنها، آسیب سخت افزاری را تا حد بسیار بالایی کاهش دهد.

جهت اطلاعات بیشتر در مورد سیستم ارت الکترونیکی به سایت شرکت کنزا صنعت مراجعه نمایید یا با کارشناسان شرکت کنزا صنعت در تماس باشید.