اجرای الکترود زمین و ارتینگ و روش های اندازه گیری

در این مقاله با اجرای الکترود زمین و ارتینگ و روش های اندازه گیری آشنا خواهید شد.

سیستم ارتینگ

سیستم زمین یا سیستم ارت، مجموعه ای از تمهیدات لازم جهت تکمیل آرایش حفاظتی ارت می باشد، انجام تمامی کارهای لازم از تهیه نقشه، تعیین محل حفر یا اجرای زمین، تعیین محل تابلو اصلی، برسی هادی های بیگانه، تعیین محل ورود لوله های فلزی، سیم کشی ارت، تعیین همبندی ها، تعیین مقیاس، اجرای ارت، موارد لازم و مانند این موارد، در نهایت منجر به طراحی و اجرای سیستم ارتینگ می شود.

تعیین نوع الکترود زمین و اجرای آن از مهمترین بخش های یک سیستم ارتینگ می باشد، اجرای یک نوع از سیستم زمین بستگی به جنس خاک منطقه، مقاومت ویژه خاک، بررسی لایه های رسانایی، بررسی میزان رطوبت و جنس خاک منطقه و میزان خورندگی آن دارد.

الکترود زمین یکی از مهمترین قسمت های یک سیستم ارتینگ می باشد.

الکترود زمین

نصب صحیح الکترود زمین و انتخاب محل نصب و جنس خاک از مهمترین عوامل تاثیر گذار در کیفیت سیستم اتصال زمین و ارتینگ است. یک روش موثر جهت بدست آوردن اتصال زمین با مقاومت کم، دفن یک هادی به شکل حلقه بسته در زمان گودبرداری پی ساختمان است. مقاومت این الکترود که در خاک تقریبا همگن دفن شده است، از رابطه زیر بدست می آید که در آن :

    R=2ρ/L

 

مقاومت الکترود دفن شده بر حسب اهم:R

طول هادی مدفون بر حسب متر:L

مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم متر :ρ

میزان مقاومت کم تر و کیفیت بهتر عملکرد الکترود زمین به دو عامل مهم بستگی دارد:

• روش پیکربندی
• نوع و جنس الکترود

روش پیکربندی

این روش به خصوص در ساختمان هایی که قرار است شروع به ساخت شوند، بسیار کاربردی بوده و توصیه می شود. در شکل شماره 1 این روش نشان داده شده است.

R=2ρ/L

* الکترود در اطراف محیطی که جهت پی ریزی ستون ها و پایه های ساختمان حفاری شده است، دفن می شود. تماس مستقیم و موثر الکترود با خاک اهمیت بسیاری دارد، به این معنی که سعی شود که الکترود در شن یا سنگ یا بتن مدفون نشود و بطور مستقیم در زمین و خاک مناسب، دفن شود.

* هر گونه فلز مانند میلگرد که در کار ساختمان و پی استفاده می شود به الکترودهای زمین متصل یا همبند شود.

* هادی اصلی الکترودهای زمین ، در زمان پی ریزی حداقل نیم متر یا 50 سانتی متر پایین تر از پی اصلی و بتن ریزی دفن شوند. *الکترودها و هادی هایی که از الکترود به سمت بالای ساختمان متصل می شوند، نباید با بتن ارتباط داشته باشند.

*در ساختمان هایی که قبلن بنا شده اند، هادی الکترود زمین در اطراف بیرونی ساختمان و تا عمق حداقل یک متر در داخل خاک، دفن شود.

 

 

انواع هادی های مهم که در اجرای الکترود زمین مورد استفاده قرار می گیرند:

• کابل مسی مفتولی بدون روکش با سطح مقطع بیشتر از 25 میلی متر مربع یا کابل چند رشته ای بدون روکش ، با سطح مقطع بیشتر از 25 میلی متر مربع و با قطر حداقل 2 میلی متر.
• کابل آلومینیومی با روکش سربی با سطح مقطع حداقل 35 میلی متر مربع
• کابل فولادی گالوانیزه مفتولی با حداقل سطح مقطع 95 میلی متر مربع یا چند رشته ای با حداقل سطح مقطع 100 میلی متر مربع با حداقل قطر 3 میلی متر مربع

الکترودهای میله ای(راد)

میله های ارت یا راد اغلب جهت بهبود سیستم زمین و کاهش مقاومت اتصال زمین در ساختمان های قدیمی که مجهز به الکترود زمین هستند، استفاده می شوند. در شکل شماره 2 قرارگیری میله های راد در زمین و فاصله پیشنهادی آنها از یکدیگر، نشان داده شده است.

مقاومت نهایی الکترودهای راد با زمین از رابطه زیر بدست می آید:

R: 1/n ρ/L

اغلب نیاز به کوبیدن چند میله راد در زمین خواهیم داشت، در این صورت فاصله آنها از یکدیگر با ضریب 2 یا 3 برابر یا بیشتر طول راد و عمقی که در زمین قرار گرفته است، محاسبه می شود. مقاومت کل در خاک همگن از تقسیم مقاومت یک میله راد بر تعداد آنها، بدست می آید.

صفحه های عمودی

صفحاتی مستطیلی و معمولا از جنس مس که طول هر ضلع حداقل 50 سانتی متر و بصورت عمودی در زمین دفن می شوند، بطوری که مرکز صفحه حداقل یک متر زیر سطح خاک قرار گیرد. در شکل شماره 3 نحوه قرارگیری الکترود صفحه ای در خاک نشان داده شده است.

ضخامت صفحه:

• جنس صفحه مسی و ضخامت 2 میلی متر
• جنس صفحه فولاد گالوانیزه و ضخامت حداقل 3 میلی متر

مقاومت الکترود صفحه ای با زمین از رابطه زیر بدست می آید:

R=0.8ρ/L

که در آن:

محیط صفحه بر حسب متر:L

مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم متر:ρ

تاثیر نوع خاک بر کیفیت سیستم زمین

اندازه گیری مقاومت الکترودهای دفن شده در زمین در خاک های مختلف جهت تعیین مقدار مقاومت خاک در طراحی سیستم زمین ، مفید است. چراکه مقاومت خاک در جنس های یکسان و مکان های مختلف تقریبا مشابه است. در جدول شماره 1، مقاومت انواع خاک بر حسب mΩ مشخص شده است.

جدول 1

مقادیر مقاومت متوسط جهت اندازه گیری تقریبی الکترود زمین در جدول شماره 2 نشان داده شده است

جدول 2

پایداری مقاومت سیستم اتصال زمین

مقاومت الکترود زمین به ندرت ثابت می ماند و بسته به شرایط ، تغییراتی خواهد داشت، از جمله عوامل مهم بر مقاومت سیستم اتصال زمین ، می توان به موارد زیر اشاره نمود:

رطوبت خاک:

تغییرات آب و هوایی و تغییرات فصلی و کاهش آبهای زیرزمینی، در میزان رطوبت خاک تاثیر قابل توجهی دارند. در عمق یک متری زمین ، مقاومت زمین می تواند در دوفصل زمستان و تابستان به نسبت یک به سه، متفاومت باشند.

یخ زدگی

یخ زدگی زمین می تواند مقاومت خاک را چند برابر نماید، یخ زدگی و تاثیر آن خصوصا در مناطق سردسیر نیاز به بررسی دقیق دارد.

استهلاک

الکترودهای زمین و هادی ها بعد از گذشت سالها، مستهلک می شوند، استهلاک اجزا سیستم زمین به موارد و شرایط مختلفی بستگی دارد که در ادامه به برخی از مهمترین آنها اشاره می نماییم:

• واکنش های شیمیایی الکترود با خاک خصوصا در خاک های اسیدی و قلیایی ، می تواند باعث از بین رفتن الکترود و خوردگی آن شود.
• اثرات گالوانیکی: جریان های سرگردان DC در زمین به دلایلی مانند تاثیر راه آهن های الکتریکی در زمین، می تواند باعث استهلاک و خرابی الکترود زمین یا کاهش کیفیت آن شود. متاسفانه زمین مرغوب با مقاومت ویژه پایین خاک، بهترین شرایط را برای ایجاد جریان های گالوانیکی، فراهم می آورد.
• خاک های مختف می توانند بر روی هادی ها تاثیر گذاشته و بر روی آنها بخش های آندی و کاتدی تشکیل دهند و در نهایت باعث تخریب الکترود شوند.
• اکسیده شدن: اتصالات یا جوش های هادی بر روی صفحه زمین و الکترود زمین یکی از حساس ترین نقاط جهت شروع اکسیده شدن الکترود زمین است. اکسیداسیون به مرور زمان به کل صفحه زمین یا الکترود زمین گسترش پیدا کرده و کیفیت عملکرد آن را کاهش می دهد. استفاده از جوش های استاندارد و استفاده از برخی از محلول های ویژه در محل جوش، جهت جلوگیری از اکسیداسیون و با به تعویق افتادن آن، مفید است.

اندازه گیری مقاومت ارت

زمانیکه الکترود زمین اجرا می شود، معمولاً اندازه گیری و تایید مقاومت زمین بین الکترود و “زمین واقعی” ضروری است.  متداول ترین روش اندازه گیری مقاومت الکترود ارت با زمین، روش اندازه گیری سه نقطه ای است که در شکل 3 نشان داده شده است. این روش از روش چهار نقطه ای مشتق شده است که بیشتر جهت اندازه گیری مقاومت خاک از روش چهار نقطه ای استفاده می شود.

روش سه نقطه ای، که به روش “افت پتانسیل” نیز شناخته می شود، شامل الکترود زمینی است که باید اندازه گیری شود و دو الکترود کمکی مستقل دیگر که معمولاً الکترود ولتاژ را با P و الکترود جریان را را C) برچسب گذاری می نمایند. این الکترود های آزمایشی می توانند از «کیفیت» کمتر (مقاومت زمین بالاتر) برخوردار باشند، اما باید از نظر الکتریکی مستقل از الکترود مورد اندازه گیری باشند. یک جریان متناوب (I) از الکترود خارجی C عبور می کند و ولتاژ با استفاده از یک الکترود داخلی P در نقطه ای میانی بین آنها اندازه گیری می شود.  مقاومت زمین به سادگی با استفاده از قانون اهم محاسبه خواهد شد.

Rg = V/I

در زمان انجام اندازه گیری مقاومت، نیاز است که الکترود آزمایش کمکی C را به اندازه کافی دور از الکترود زمین اصلی و تحت آزمایش قرار دهیم تا الکترود آزمایشی کمکی P خارج از نواحی مقاومت موثر سیستم زمین و الکترود آزمایش دیگر قرار گیرد

اگر الکترود کمکی C، خیلی نزدیک به الکترود زمین تحت آزمایش باشد، نواحی مقاومت با هم همپوشانی پیدا خواهند نمود و با جابجایی الکترود آزمایش ولتاژ، تغییر شدیدی در مقاومت اندازه‌گیری شده ایجاد می‌ شود. اگر الکترود آزمایش فعلی به درستی قرار گرفته باشد، یک ناحیه مقاومت «مسطح» (یا تقریباً همسان) در جایی بین آن و الکترود اصلی زمین وجود خواهد داشت و تغییرات در موقعیت الکترود کمکی ولتاژی، فقط باید تغییرات بسیار جزئی و قابل چشم پوشی را ایجاد کند.  در هر صورت امکان بدست آوردن عددی دقیق بسیار سخت است و ممکن است در شرایط یکسان، در هر بار اندازه گیری مقاومت الکترود زمین، اعداد مختلفی را نشان دهد. با توجه به این شرایط، یکی از مناسبترین روش ها، اندازه گیری مقاومت اتصال زمین در شرایط مختلف و فاصله های مختلف و سپس محاسبه میانگین تمامی مقادیر اندازه گیری شده می باشد.

از سوی دیگر، دقت اندازه گیری الکترود زمین اصلی، می تواند تحت تأثیر نزدیکی سایر اجسام فلزی مدفون در خاک مانند لوله های آب و گاز و الکترود های آزمایش کمکی قرار گیرد. اشیایی مانند نرده ها و سازه های ساختمانی، لوله های فلزی مدفون یا حتی سایر الکترود های زمین و یا حتی سیستم ارت اجرا شده توسط همسایه می توانند در اندازه گیری اختلال ایجاد کنند و باعث خطا شود.

ذکر این نکته ضروری است که قضاوت صرفاً از طریق بازرسی بصری محل، جهت تعیین مکان مناسب برای تست ها دشوار است و بنابراین همیشه توصیه می شود که بیش از یک اندازه گیری برای اطمینان از صحت آزمایش انجام شود.

روش افت پتانسیل

این یکی از متداول‌ترین روش‌هایی است که برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین مورد استفاده قرار می گیرد و برای سیستم ‌های کوچکی که منطقه وسیعی را پوشش نمی‌ دهند، مناسب ‌تر است. انجام آن ساده بوده و برای به دست آوردن نتیجه به حداقل محاسبه نیاز دارد.

در این روش، الکترود کمکی جریان(C)، در یک فاصله مناسب نسبت به الکترود اصلی زمین قرار می گیرد. این فاصله به اندازه سیستم مورد آزمایش بستگی دارد. در ادامه الکترود کمکی ولتاژ(P) ، در وسط فاصله و  بین الکترود زمین و الکترود کمکی  جریان و در یک خط مستقیم بین آنها در زمین قرار می گیرد.

توجه گردد که الکترودها نسبت به هم در فاصله مناسبی قرار گیرند تا به اطمینان بیشتری در اندازه گیری برسیم و میزان خطای اندازه گیری را تا حد امکان کاهش دهیم.

جهت اندازه گیری دقیق تر نیاز است یکبار الکترود کمکی ولتاژ را به اندازه حدود ده درصد به الکترود کمکی جریان، نزدیک نماییم و اندازه گیری مقاومت الکترود زمین را دوباره انجام دهیم و یکبار الکترود کمکی ولتاژی را به اندازه ده درصد به الکترود اصلی زمین نزدیک نماییم(و به اندازه حدود ده درصد از الکترود جریانی دور شویم) و اندازه گیری را تکرار نماییم. در شکل شماره 5 این موارد نشان داده شده است.

بررسی اعتبار اندازه گیری مقاومت

اگر اندازه‌گیری های انجام شده، از دقت مناسبی برخوردار باشند و اندازه ها تقریبا مشابهی به دست آید، می توان به آنها استناد نمود و میانگین این سه اندازه گیری را بعنوان میزان مقاومت الکترود زمین، در نظر گرفت. در صورتیکه مقادیر اندازه گیری شده اختلاف قابل توجهی با یکدیگر داشته باشند، می توان نتیجه گرفت که اشتباهی رخ داده است و نیاز است دوباره کلیه اندازه گیری ها با دقت و توجه بیشتری، تکرار گردد تا نتیجه قابل استناد، حاصل شود.

سخن پایانی

اجرای اتصال به زمین در محل یا ساختمانی که تجهیزات برقی دارد ، امری واجب و ضروری است، ایجاد مقاومت پایین اتصال زمین، در برخی موارد بسیار سخت یا غیر ممکن است، از اینگونه محل ها می توان به زمین های صخره ای و سنگی اشاره نمود که مقاومت ویژه خاک بالایی دارند، همچنین اگر مقاومت در زمان اجرا و راه اندازی اتصال به زمین، پایین و مناسب باشد، با توجه به تغییرات زمین و شرایط آب و هوایی و تغییرات سطح آبهای زیرزمینی، تضمینی در ثابت نگاه داشتن آن وجود ندارد.

 سیستمهای حساس و جریان ضعیف الکترونیکی و کامپیوتری و مخابراتی، بیشترین آسیب را در این تغییرات اتصال به زمین، متحمل می شوند. جهت حفاظت بیشتر از تجهیزات الکتریکی و برقی، خصوصا سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری، می توان در کنار استفاده از یک اتصال به زمین، از سیستم ارت الکترونیکی استفاده نمود. دستگاه ارت الکترونیکی به همان اتصال زمین اصلی محل متصل شده و تجهیزات الکتریکی خصوصا سیستمهای گرانقیمت الکترونیکی و کامپیوتری را در مقابل خطاهای الکتریکی حفاظت می نماید. یکی از مهمترین کاربردهای ارت الکترونیکی کنزا صنعت، جلوگیری از تاثیر تغییرات زمین بر عملکرد سیستم ارت و همچنین عملکرد سیستمهای حساس الکترونیکی می باشد.

جهت آشنایی بیشتر مقاله ارت الکترونیکی چیست؟ مراجعه فرمایید.