سیستم جامع ارتینگ

گردآوری و تالیف:

گروه صنعتی سازه های جهان نما ،

(مشاور و مجری سازه های الکترومکانیکی و پروژه های مرتبط)

بررسی سیستم جامع ارتینگ:

ایجاد یک سیستم ارتینگ بهینه شده نیازمند شناخت همه جانبه و فراگیر می باشد. در ادامه به بررسی یک سیستم ارتینگ مناسب و عوامل تاثیر گذار می پردازیم.
تاثیر آماده سازی محل احداث الکترود زمین
در صورت روبرو شدن با خاک دستی، لازم است تا رسیدن به عمق خاک بکر و بیشتر پیش رفت. زیرا خاک دستی قابل اطمینان نبوده و در احداث الکترود زمین نباید به حساب آورده شود.در بعضی موارد، برای کم کردن مقاومت اتصال به زمین ممکن است لازم باشد اقدام به آماده سازی و یا حتی تعویض خاک شود. آماده سازی خاک با استفاده از مواد شیمیایی انجام می شود. در این صورت لازم است ترتیبی اتخاذ شود که در نتیجه کم شدن و شسته شدن املاح در طول زمان، آماده سازی پیوسته در حال تجدید و یا تکمیل باشد. تا از کارآیی اتصال زمین کاسته نشود. از طرف دیگر در انتخاب روش آماده سازی برای هر موقعیت، لازم است محیط زیست و اثری را که مواد شیمیایی در آن باقی خواهند گذارد، به حساب آورد.
برای ایجاد یک اتصال زمین با عمری طولانی، شاید لازم باشد زمینی را که بلافاصله در اطراف الکترود قرار دارد با خاک یا ماده ای که مقاومت ویژه آن کم است، تعویض نمود. بهترین نمونه های این نوع آماده سازی عبارتند از:
– بتونیت
– بتن
– بتن خاص با سیمان هادی که در آن از گرانولهای کربن یا خاکه ذغال به جای ماسه استفاده می شود. این نوع آماده سازی مخصوصاً درزمینهای سنگی و زمینهایی که لایه سنگی در نزدیکی سطح آن قرار دارد بسیار موثر می باشد.
– روش سنتی، با استفاده از مخلوطی از نمک و ذغال.
استفاده از خاکستر کک به علت خاصیت خوردگی شدید آن برای آماده سازی توصیه نمی شود.

اثر شکل الکترود بر مقاومت اتصال زمین
نظر به اینکه بیشترین افت ولتاژ در یک سیستم الکترود زمین، در حجم خاکی اتفاق می افتد که در فاصله حدود یک متری از سطح الکترود قرار دارد (تراکم جریان دراین ناحیه بیشترین مقدار را دارد)، لذا برای بدست آوردن حداقل مقاومت نسبت به زمین،لازم خواهد بود تراکم جریان در حجم ناحیه ای که در مجاورت الکترود قرار دارد، تا حدی که ممکن است کم باشد و سیستم به نحوی طرح شود که تراکم جریان با دور شدن از الکترود، به سرعت کم شود. برای رسیدن به این هدف لازم خواهد بود یکی از ابعاد حجم الکترود نسبت به دوبعد دیگر آن بزرگترین مقدار را داشته باشد. مثلاً استفاده از یک میله یا سیم یا تسمه نسبت به یک صفحه با همان سطوح جانبی ، ارجحیت دارد.
توجه شود که مقاومت یک الکترود با عکس مساحت جانبی آن نسبت مستقیم ندارد.

بررسی خصوصیات الکترودهای متداول و مقاومت آنها
الکترودهای اتصال به زمین را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد:
-الکترودهای مصنوعی ، و
-الکترودهای موجود یا طبیعی

الکترودهای مصنوعی
الکترودهای مصنوعی آنهایی هستند که فقط با هدف ایجاد اتصال به زمین برای تاسیسات الکتریکی نصب
می شوند.
الکترودهای مصنوعی را،از نظر نحوه استقرار آنها در زمین ،می توان به سه گروه تقسیم نمود:
– الکترودهای صفحه ای
– الکترودهای قائم
– الکترودهای افقی

الکترودهای موجود
الکترودهای موجود آنهایی هستند که با هدفی دیگر درزمین نصب شده اند و ممکن است در صورت وجود شرایط لازم برای ایجاد اتصال به زمین از آنها به عنوان الکترود استفاده کرد.
الکترودهای موجود شناخته شده به قرار زیر می باشند:
– غلافهای هادی کابلها
– اجزای فلزی سازه ها
– سپرهای فلزی و میلگردهای شمعهای بتنی
– لوله کشی آب
– لوله کشی های فلزی دیگر
– هر گونه تاسیسات زیرزمینی فلزی که در تماس با زمین بوده ومانعی برای استفاده از آن به عنوان الکترود زمین وجود نداشته باشد.

الکترودهای صفحه ای کم عمق
درمناطقی از دنیا که بطور کلی جوی نمناک دارند، استفاده از الکترودهای صفحه ای عمیق مرسوم نیست زیرا علت اصلی دفن صفحه الکترود در عمق بیشتر دستیابی به نم بیشتر و مقاومت ویژه کمتر زمین است. دراین گونه مناطق، الکترودها معمولاً از مس با ضخامت حداقل 2 میلیمتر یا آهن گالوانیزه گری با ضخامت حداقل 3 میلیمتر است. در انگلستان جنس صفحه مورد استفاده برای این الکترودها معمولاً چدن موجدار یا دنده دار است به ضخامت حداقل 12 میلیمتر و به ابعاد 2،1×2،1 متر.

دکل سازه جهان نما ، متخصص در زمینه مشاوره و اجرای ساخت دکل مخابراتی

اتصال هادی زمین به صفحه زمین باید دست کم در دو نقطه مجزا انجام و برای هادی زمین و صفحه الکترود از دو جنس مختلف، محل اتصالها با ماده ای قیر مانند اندود شود تا این نقاط از عوارض الکترولیتی در امان بماند. در مواردی که امکان خوردگی سریع هادی زمین وجود داشته یا هادی زمین با مقطع کم انتخاب شده باشد، توصیه می شود هادی زمین از نوع عایقدرا باشد تا از خوردگی سریع آن دراثر عوارض الکترولیتی پیشگیری شود. البته در این صورت سهم هادی لخت در کم کردن مقاومت زمین از دست خواهد رفت.
اگر یک الکترود صفحه ای مقاومت لازم را ارائه نداد، میتوان از چند صفحه به صورت موازی استفاده کرد. برای رسیدن به حداقل مقاومت با صفحات موازی ، قاعدتاً لازم است حداقل فاصله الکترودها نسبت به هم 10 متر ، ولی با توجه به عمق کم دفن، حداقل فاصله موثر آنها را می توان حتی تا 2 متر تقلیل داد. در این صورت مقاومت مجموعه دو صفحه نسبت به مقدار بدست آمده از محاسبه(با استفاده ار رابطه بالا)، بیش از حدود20% تفاوت نخواهد داشت.
توصیه بعضی مقامات دیگر برای حفظ مقاومت الکترودها در حد معقول این است که هنگام نصب چند الکترود صفحه ای به صورت موازی ، فاصله ای به مقدار سه برابر بزرگترین بعد صفحه ، بین آنها برقرار شود.
در مورد بعضی از لایه های خاک با مقاومت ویژه زیاد ، آماده سازی محل دفن الکترود بجا خواهد بود.

الکترودهای صفحه ای عمیق
در بالا گفته شد که علت دفن الکترود در عمق زیاد( بیش از حدود 3 متر)، رسیدن به لایه های نمناک زمین با مقاومت ویژه کمتر است.
بدیهی است که دفن صفحه درعمق زیاد علاوه بر تحمیل مخارج اضافی اولیه، این اشکال را در بر دارد که برای کم کردن مقاومت از راه دفن بیش از یک صفحه، لازم خواهد بود فاصله این صفحات نسبت به هم خیلی بیشتراز 2 متر و یا سه برابر بزرگترین بعد صفحه – که در بالا برای صفحات کم عمق گفته شده است- باشد.
از طرف دیگر قسمت قاءم الکترود باید به حساب آورده شود که در کم کردن مقاومت آن نقش عمده دارد و در واقع عکس مقاومت کل تقریباً برابر مجموع عکس دو مقاومت صفحه ای و قائم (سیم اتصال) خواهد بود.

با بالا رفتن دستمزدها در سالهای اخیر، مخارج نصب الکترودهای عمیق صفحه ای زیاد شده است و شاید موقع آن فرا رسیده باشد که تجدید نظر عمده ای درانتخاب نوع الکترود متداول به عمل آید. بدیهی است که در این امر پیش قدمی عوامل وزارت نیرو مطلوب خواهد بود.

الکترودهای قائم
الکترودهای قائم از متداول ترین نوع الکترود می باشند مخصوصاً در مواردی که فضای افقی کافی در دسترسی نباشد یا برای کم کردن مقاومت زمین، الکترودهای قائم و افقی با هم بکار روند.

ساختمان و جنس الکترودهای قائم
جنس الکترودهای قائم با توجه به نحوه نصب آنها و امکانات دیگر به قرار زیر است:

ساختمان و جنس الکترودهایی که با روش کوبیدن نصب می شوند:
– الکترودهای میله ای از مس سخت
– الکترودهای میله ای با هسته فولاد و روکش مس عجین شده با هسته فولادی (مشابه Copperweld)
– الکترودهای میله ای از فولاد ضد زنگ
– الکترودهای میله ای از فولاد گالوانیزه گر(لوله آب)
– الکترودهای لوله ای از چدن
قطر الکترودهای کوبیده شده حدود 9،12،5،15، یا 16 میلیمتر اس. کاپرولد مانوس که متدالترین الکترود از این نوع است، دارای منشاء اینچی می باشد و لذا اندازه های آن به میلیمتر ، قدری مأنوس به نظر می آید.

گروه صنعتی دکل سازه جهان نما ، در ادامه مطلببیشتر در مورد الکترود ها توضیح می دهد :
طول الکترودهای استاندارد ممکن است 2،1 تا1،5 متر باشد. اغلب الکترودها از نوع قابل امتداد میباشند. به این معنا که با استفاده از وسیله ای شبیه بوشن ، قطعات استاندارد را می توان طولانی تر کرده و در زمین کوبید. با توجه به قابلیت امتداد آ«ها، الکترودها را می توان تا عمق دلخواه کوبید. البته به شرطی که نوع زمین مناسب بوده و وسیله کوبیدن لازم برای اجرای کار در دست باشد. در بعضی موارد الکترودها تا عمق 60 مترهم کوبیده شده اند.

کوبیدن الکترودها در زمین را می توان به دو نوع انجام داد:
1. وارد آوردن ضربه های شدید به تعداد کم که در عمل به صورت زیر انجام می شود:
– کوبیدن با پتک معمولی
– کوبیدن با پتک لوله ای
2. وارد آوردن ضربه های خفیف به تعداد زیاد که در عمل به صورت زیر انجام می شود:
– کوبیدن با پتک برقی یا بنزینی
پتک معمولی احتیاج به معرفی ندارد. کوبیدن با پتک معمولی خسته کننده تر و ناراحت کننده تر از همه انواع دیگر است. پتک لوله ای در واقع لوله ای است که طول آن متناسب با طول قسمتی از الکترود که خارج از زمین است تنظیم می گردد. در انتهای بالایی یا در وسط لوله وزنه ای نصب می شود که همراه با وزن لوله، وزنه پتک را تشکیل می دهد.کارگری لوله را که به طور کاملاً آزاد روی الکترود می لغزد، بلند کرده و سپس آن را رها میکند جرم لوله و وزنه در هنگام سقوط آنها، روی میله الکترود ضربه وارد کرده و آن را در زمین فرو می برد.
پتک برقی یا بنزینی وسیله ای است که در آن یک وزنه کوچک خارج از مرکز ، با سرعت دوران می یابد. توان چرخش بوسیله موتور برقی یا بنزینی تامین می شود نیروی جنبشی جرم دورانی خارج از مرکز ، ضربه های کوچکی را به تعداد زیاد به میله وارد می کند که آن را در زمین فرو می برد.

ساختمان و جنس الکترودهایی که با روش دفن نصب می شوند:
– الکترودهای لوله ای از فولاد گالوانیزه گرم(لوله آب)
– الکترودهای لوله ای از مس سخت (لوله مسی)
– الکترودهای لوله ای از چدن
در مواردی که وسایل مناسب برای کوبیدن الکترود در دست نباشد یا جنس الکترود با توجه به سختی زمین انجام این کار را غیرممکن یا مشکل سازد و یا لازم باشد برای کم کردن مقاومت الکترود در اطراف آن اقدام به آماده سازی زمین شود، از الکترودهای دفن شده به صورت قائم استفاده می شود. جز در موارد الکترودهای صفحه ای سنتی، در سایر موارد عمق دفن این الکترودها معمولاً از 3 متر بیشتر نیست.
حفر چاه برای دفن الکترود یا با روش سنتی _مقنی) و یا با روش استفاده از مته حفر زمین درعمقهای کم که بر روی وانت یا کامیون نصب است انجام می شود. در این روش نصب، با توجه به حجمی که خواه ناخواه در اطراف الکترود خالی می ماند بهتر است که نوعی آماده سازی به عمل آید مگر آنکه نوع خاک به قدری خوب باشد که احتیاج به این کار نباشد.

نحوه آماده سازی خاک اطراف الکترودها
آماده سازی الکترودها با روش سنتی
روشی که در ایران برای عمل آوردن خاک بکار می رود، استفاده از مخلوط نمک، ذغال چوب یا کک و خاک رس است. نمک سنگ شکسته با دانه بندی حدود 12 میلیمتر با نسبت وزنی زیر بکار می رود:
نمک – ذغال – خاک رس
1 – 0،5 – 10
مخلوطی که به این ترتیب تهیه می شود دور الکترود ریخته شده و متراکم می گردد. درمورد الکترودهای صفحه ای ، سطح بالایی مخلوط تا حدود 2، متر بالاتر از لبه صفحه و به همین مقدار پایینتر از لبه زیرین صفحه ادامه می یابد.
روش دیگری که از آن استفاده می شود ریختن و متراکم کردن لایه های نمک و ذغال به تناوب وبه ضخامت هر لایه حدود 0،متر است. در بعضی موارد برای الکترودهای صفحه ای پس از ریختن مخلوط نمک، ذغال ، خاک رس، تا ارتفاعی که بوسیله مهندس مجری در محل انتخاب می شود، لایه های نمک و ذغال به ترتیبی که گفته شد پر و متراکم می شود. نباید فراموش کرد که در اثر مرور زمان و حل شدن نمک، از حجم موا پراکنده کم شده و در صورتی که این حجم از دست رفته با خاک جایگزین نشود و به صورت خلل و فرج خالی باقی بمانند، مقاومت الکترود بیش از حد زیاد خواهد شد. لذا استفاده از نمک به مقداری بیش از حد معقول ، حتی اگر به محدودیتهای زیست محیطی توجه هم نشود، صحیح نخواهد بود.
لازم است توجه شود که یک الکترود زمین، مخصوصاٌ اگر نصب آن با آماده سازی همراه باشد، دایمی نبوده و بایستی در دوره های معین که بستگی به شرایط محلی دارد، ترمیم شود.
در نواحی با هوای خشک، آماده سازی با طریقی که گفته شد احتیاج به آبیاری خواهد داشت که از عمر مفید الکترود خواهد کاست.

آماده سازی الکترودها با بتنونیت
به گواهی بسیاری، بتونیت بهترین ماده برای آماده سازی خاک است. با توجه به وجود منابع غنی بتونیت داخلی، آماده سازی خاک اطراف الکترود با این ماده در آینده ممکن است باز هم بیشتر شود. نظر به اینکه ماده میکروسکوپیک(جاذب رطوبت) می باشد، رطوبت اطراف را به خود جذب خواهد کرد. ولی درنواحی بسیار خشک احتیاج به آبیاری متناوب خواهد داشت.

آماده سازی الکترودها با استفاده از بتن
در صورت وجود شرایط، بهترین و ساده ترین روش برای آماده سازی خاک اطراف الکترود پس از حفر چاه و قرار دادن الکترود در وسط آن، ریختن و پر کردن بتن در اطراف آن است. بدیهی است که حجم و قیمت بتن بکار رفته در این روش مهمترین عامل می باشد.

ساختمان وجنس الکترودهای افقی و عمق دفن آنها (الکترودهای دفن شده در کانال)
ساختمان و جنس الکترود
– الکترودهای تسمه ای از مس
– الکترودهای تسمه ای از آهن گالوانیزه گرم
– الکترودهای سیم مسی
حداقل سطح مقطع تسمه مسی نباید از 50 میلیمتر مربع و ضخامت آن هم از 2 میلیمتر کمتر باشد. بنابراین حداقل تسمه ای که می تواند مورد استفاده قرار گیرد 25 × 2 میلیمتر است.
حداقل سطح مقطع تسمه فولادی گالوانیزه گرم نباید از 100 میلیمتر مربع و ضخامت آن هم از 3 میلیمتر کمتر باشد. بنابراین حداقل ابعاد تسمه استانداردی که برای این منظور مورد استفاده قرار می گیرد 30 ×3،5 میلیمتر است که سطح مقطعی برابر 105 میلیمتر مربع را تامین می کند.

عمق دفن الکترود و آماده سازی آن
عمق دفن الکترود بر مقاومت آن بی تاثیر نیست ولی این تاثیر، بسیار بارز نمی باشد. بنابراین درتعیین عمق دفن الکترود،مسایل مربوط به خاکبرداری در درجه اول قرار دارند. در عمل کمتر اتفاق می افتد که عمق دفن الکترود افقی از 2 متر بیشتر باشد واغلب این مقدار بین 0،5 تا 0،8 متر انتخاب می شود.
هنگامی که لازم باشد سطحی هم پتانسیل دراطراف الکترود برقرار شود، عمق دفن الکترود باید کم باشد ولی نه به حدی که در اثر فعالیتهای عادی بر روی زمین، به آن سبب وارد شود. در این موارد عمق دفن معمولاً 0،5 متر انتخاب می شود.
از دیدگاه نظری، آماده سازی الکترودهای افقی فرقی با نوع قائم آنها ندارد، اما حفظ آماده سازی این الکترودها مخصوصاً هنگامی که در مسیر رفت و آمد عموم باشند مشکل است و در صورت لزوم در این مورد باید تنها به استفاده از خاک رس به جای خاک حفاری شده اکتفا نمود.

واکنش فلز الکترود و هادی اتصال به زمین با انواع خاک(خوردگی شیمیایی)
جنس الکترود و هادی اتصال به زمین آن باید از نوعی انتخاب شود که تا حد امکان نوع خاک کمتر سبب خوردگی الکترودها شود. بررسی این موضوع از نظر طول عمر الکترودها اهمیت دارد. می دانیم که جنس الکترود بر مقدار مقاومت آن نسبت به زمین بی تاثیر است. از طرفی مقررات ایمنی حکم می کند که برای از بین بردن اختلاف پتانسیل بین اجزای فلزی مختلف، کلیه تاسیسات فلزی با یکدیگر و با الکترود زمین همبندی شوند. حال اگر خاک، املاح و نم موجود در آن را در نظر بگیریم، درواقع با نوعی الکترولیت سر و کار داریم که فلزات مختلفی در آن فرو رفته اند که با همدیگر همبندی شده اند و این چیزی نیست جز یک پیل عظیم که الکترودهای آن به همدیگر اتصال کوتاه (همبندی) شده اند.

پیشنهاد می کنیم از  مقاله های قطعات بتنی و فوندانسیون ها نیز دیدن نمایید .
پس،بطور خلاصه، الکترود یا الکترودهای در تماس با زمین را باید از دو جنبه مورد مطالعه قرار داد که هر دوی این جنبه ها، جز در مورد طرحهای مخصوص، نادیده گرفته می شوند:
1-از نظر اثر مواد شیمیایی و دیگر عوامل موجود در خاک بر روی فلز الکترود و هادی اتصال زمین
از نظر خوردگی دراثر جریانهای گالوانیک که در نتیجه همبندی الکترود زمین با فلزات دیگر که با سیستم الکتریکی مربوط نبوده ولی در نزدیکی محل استقرار الکترود مستقر می باشند بوجود می آیند این در واقع همان مسئله ای است که مربوط به حفاظت کاتدی می شود.

تأثیر نوع خاک در خوردگی الکترود
عوامل زیر در خوردگی الکترود بوسیله خاک دخالت دارند:
1 – خواص شیمیایی خاک،مخصوصاً از نظر اسیدی بودن و محتوای نمکهای آن
2 – وجود باکتریهای غیر هوازی درخاک
هوا خورش نسبی خاک (differential aeration)
درجه بندی کلی انواع خاکها، از نظر شدت اثر آنها بر روی فلزات، بترتیب زیر می باشد:
– خاکهای شنی
– خاکهای ماسه ای
– خاکهای رسوبی
– خاکهای رسی
– خاکهای برگ و خاکهای دارای مواد آلی
– خاکهای دستی مخلوط ، محتوی خاکه ذغال و خاکستر
معمولاً شدت اثر شیمیایی خاکهایی که دارای مقاومت مخصوص الکتریکی بالاترند بر روی فلزات الکترود کمتر است و بر عکس

محل استقرار الکترودها باید به نحوی انتخاب شود که بدور از مسیر احتمالی آبرفت های آلوده به کودهای زمینهای کشاورزی باشد و خاکهای لایه روبی زمین را نباید در پس ریزی ( bckfill ) اطراف الکترودها مورد استفاده قرار داد.
با اندازه گیری مقاومت مخصوص الکتریک خاک در شرایط هوا خورده و اندازه گیری پتانسیل اکسایشی – کاهشی ( rrdox potential) آن، می توان اطلاعات دقیقتری را بدست آورد. اولی نشانگر خوردگی در اثر هواخورش و دومی نشانگر خوردگی در اثر وجود باکتریهای غیرهوازی است. برای شرح آزمون ها و نحوه انجام آنها لازم است به استانداردهای اختصاصی، مانند BS1377، مراجعه شود.
در عمل، مس بهترین ماده ای است که در ساخت الکترود و هادی زمین در تماس با خاک از آن استفاده می شود. در مواردی که جریان اتصال کوتاه مورد انتظار، خیلی بالا نباشد، بجای مس خالص می توان از فولاد پوشیده شده با غلاف مس، مانند میله های کاپرولد، که مقاومت مکانیکی آنها نیز بیشتر است، در مقاطع کوچکتر استفاده کرد. در هر حال، اثر منفی نمکهای حل شده در زمین، وجود اسیدهای آلی در خاک و خاکهایی با ساختار اسیدی، باید در تخمین عمر الکترود منظور شوند.
از فولاد یا میلگردهای بتن مسلح که در برابر خوردگی خاک بوسیله بتن حفاظت می شوند،به شرطی که مداومت الکتریکی آنها برقرار باشد، می توان بعنوان نوعی الکترود زمین استفاده کرد. تا بحال این روش ایجاد اتصال به زمین کمتر مورد توجه بوده است.

در زمینه ساخت دکل های خاص ، می توانید از متخصصین ما کمک بگیرید .
مزیت استفاده از فولاد داخل بتن بعنوان الکترود زمین، علاوه بر مسایل بارزی مانند مخارج اضافی ناچیز برای آماده نمودن اتصالات میلگردها به سیستم الکتریکی ، این است که پتانسیل الکتریکی سیستم فولاد/ بتن و مس برابر بوده و لذا امکان وصل مستقیم سیستم الکترودهای فولاد/ بتن و مس یا جنس دیگری که دارای پوشش مس باشد(مانند فولاد پوشیده شده با مس) وجود دارد. در صورتی که انجام این کار، همبندی فولاد گالوانیزه با فولاد/ بتن یا مس به علت الکترود نگاتیو بودن شدید فولاد گالوانیزه، امکان ندارد.
خوردگی الکترودها در اثر همبندی با فلزات دیگر(خوردگی الکتروشیمیایی با کاتدی)
همبندی اجزای فلزی مختلف مدفون در خاک یا برای دستیابی به مقاومتی کوچکتر برای یک سیستم الکترود زمین انجام می شود یا اینکه هدف از آن حصول ایمنی از راه همولتاژ کردن اجزای ساختمانی مختلف است.اگر این اجزای فلزی از موادی متفاوت ساخته شده باشند، مانندآن است که دو سر یک پیل بهم وصل شوند. دو یا چند فلز مختلف دفن شده درزمین( دو به دو) الکترودهای پیل و خاک هم همراه با مواد داخل آن، الکترولیت پیل خواهد بود.