مقایسه‌ای از عملکرد چند الکترود نام آشنا تحت موج صاعقه

در این مقاله قصد بر آن است تا با استفاده از شبیه‌سازی نرم‌افزاری در CDEGS، عملکرد سیستم‌های زمین مختلف، تحت موج صاعقه نسبت به یکدیگر مورد محک و آزمون قرار بگیرند. این مقاله صرفا یک کنجکاوی شخصی است که سر از وی‌دلتا در آورده است! در این مقاله میخواهیم الکترودهای مختلف را داخل رینگ مبارزات بی‌اندازیم تا ببینیم نسبت به هم به چه میزانی فرق دارند. لذا این مقاله به هیچ وجه در مقام توصیه یا رد هیچ مدلی از الکترودها و روش‌های زمین کردن نبوده و پیشنهاد نویسنده پیروی تام از استانداردهای معتبر داخلی و بین‌المللی است.

پیشنهاد می‌شود از سایر مقالات حوزه ارتینگ با استفاده از این لینک دیدن فرمایید. در ضمن حتما برای دریافت آخرین اخبار در حوزه انتشار مقالات جدید در کانال تلگرام این وبسایت به آدرس vdelta_ir عضو شوید.

سناریو طراحی شده برای بررسی الکترودها شامل موارد زیر است:

• یک پایه 21 متری فولادی که 1 متر از آن داخل زمین است.
• یک الکترود زمین که به پایه فولادی متصل می‌شود.
• 2 نقطه تحت اندازه‌گیری ولتاژی که یکی در قسمت فوقانی پایه 21 متری و دیگری در محل اتصال الکترود تحت مطالعه با پایه مذکور قرار دارد.
• یک موج صاعقه که به بالاترین نقطه از پایه فولادی اصابت می‌کند.

در این سناریو پایه و الکترود تحت مطالعه در یک خاک 100 اهم متر تعبیه شده و سپس یک صاعقه با شکل موج استاندارد 5/25 میکروثانیه و با جریانی برابر با 20 کیلوآمپر (صاعقه شکل 1) به قسمت بالایی پایه فولادی مذکور برخورد می‌کند. در هر شبیه‌سازی ولتاژ بخش فوقانی پایه فولادی و نیز محل اتصال پایه به الکترود تحت مطالعه رصد می‌شود. انتخاب این دو نقطه از آن جهت است که می‌تواند در یک نظر اطلاعاتی ملموس از عملکرد الکترود تحت مطالعه ارائه دهد، وگرنه برای مطالعات عمیق‌تر طبیعتا امکان تحلیل‌های دیگر نظیر بررسی ولتاژهای سطح خاک، بررسی‌های حوزه فرکانسی، ترسیم پاسخ فرکانسی برای نقاط مختلف از سیستم و ... نیز وجود دارد. 

شکل 1- شکل موج صاعقه 5/25 میکروثانیه 20 کیلوآمپری

نمای کلی از سیستم‌های زمین تحت بررسی در شکل 2 ارائه گردیده است. این 5 سیستم با حروف (الف) تا (ه) نامگذاری شده‌اند. برای ساده‌سازی تحلیل و این که شکل از آن چه هست شلوغ‌تر نشود همه سیم‌ها مقطع 50 میلی‌متر مربع داشته و الکترودهای میله‌ای قطر 16 میلی‌متر و طولی برابر با 3 متر دارند.

مجددا در این بخش از مقاله نیز تکرار می‌شود که این شبیه‌سازی‌ها به هیچ وجه جنبه توصیه‌ای ندارند و صرفا با هدف رصد رفتار الکترودهای نام آشنا تحت موج صاعقه (آن هم یک مثال خاص) مورد بررسی قرار گرفته‌اند. این امر هم از آن جهت است که اصولا اطلاعات ملموس از میزان مقاومت سیستم های زمین مختلف غالبا در دسترس است اما اطلاعات اولیه از رفتار آنها تحت صاعقه به مراتب کمیاب تر است. امید است این مقاله بتواند گامی هرچند کوچک در راستای بحث های مرتبط با رفتار الکترودها تحت صاعقه بردارد.

شکل 2- الکترودهای تحت بررسی

الف) صفحه‌ای مسی به ابعاد 60 در 60 سانتی‌متر به قطر 50 سانتی‌متر، ب) الکترودی به نمایندگی از طرح‌های موسوم به "پنجه کلاغی" متشکل از 4 الکترود میله ای در آرایش خاص ترسیم شده در شکل، ج) الکترود 5 حلقه با قطر 50 سانتی‌متر برای هر حلقه و فاصله 20 سانتی‌متری بین حلقه‌ها، د) یک الکترود میله‌ای 3 متری به قطر 16 میلی‌متر، ه) یک مدل از الکترود کانترپویز با زاویه 45 درجه‌ای بین هادی‌های 7 متری افقی که در انتها به الکترود میله‌ای متصل می‌گردد.

در شکل 3 ولتاژ پدید آمده ناشی از صاعقه در قسمت فوقانی پایه 21 متری و نیز محل اتصال الکترود به پایه برای طرح‌های (الف) تا (ه) ترسیم گردیده است. الکترودهای کوچک در ترکیب با تعداد مسیر کم برای جاری شدن جریان، یک آرایش خطرناک و مهلک در تعامل با صاعقه هستند. به طور کلی می‌توان گفت که برای هدایت صحیح صاعقه تا جای ممکن به تعداد بالای مسیر در کنار الکترودهای متعدد برای توزیع هرچه بیشتر جریان در کوتاه‌ترین زمان ممکن در خاک نیاز است. لذا استفاده از یک تک الکترود کوچک عمکلرد مناسبی در هدایت صاعقه به زمین ندارد. این امر به خوبی در ولتاژ الکترودهای (الف)، (ج) و (د) دیده می‌شود. در این الکترودها، سیستم زمین توان کاهش سریع ولتاژ را نداشته و ولتاژهای بالا برای مدت زمان زیادی در مجموعه باقی میماند. هرچند مقایسه بین این سه الکترود معنای چندانی ندارد اما می‌توان دید که وضعیت صفحه و الکترود 5 حلقه تقریبا به یک میزان بد بوده و تک میله وضعیت به نسبت بدتری دارد. هرچند، این نکته قابل ذکر است که الکترود صفحه و 5 حلقه در این مطالعه از نظر بعد ارتفاع به ترتیب به  4 و 3.5 متر طول داشته، حال آن که میله مذکور طولی برابر با 3 متر دارد. لذا این مقایسه (به قول انگلیسی زبانان) یک مقایسه apple to apple¹ نیست.

شکل 3- ولتاژهای الکترودهای (الف)-(ه)، برای رصد بهتر گذراهای سریع لحظات ابتدایی برخورد صاعقه بعد زمان به 10 میکروثانیه اول محدود گردیده است.

سیستم زمین طرح (ب) از نظر کاهش ولتاژ پدید آمده در دو نقطه تحت رصد، به وضوح برتری مشخصی نسبت به طرح های (الف)، (ج) و (د) دارد. چرا که در این طرح، جریان صاعقه سه مسیر مجزا (پس از 1 متر هادی ابتدایی) برای پخش شدن در خاک داشته و این امر سبب تسریع کاهش ولتاژ در سیستم است. حال آن که استفاده از 4 الکترود‌ میله‌ای در تقاطع مسیرها و همچنین در انتهای هر یک سبب ارتقای عملکرد شده است. درجه بندی محور قائم (ولتاژ) در نمودارهای شکل 3 به صورت 36 کیلوولت به ازای هر واحد است. با مشاهده نمودار سیستم زمین (ب) به وضوح دیده می‌شود که پس از 10 میکروثانیه ولتاژهای نقاط تحت اندازه گیری به حدود 126 کیلوولت محدود گردیده است. حال آن که برای الکترود میله‌ای تکی (شکل (د)) این مقدار به اندازه تقریبا 432 کیلوولت است.

در مقایسه طرح (ه) با سایر طرح‌ها نیز دیده می‌شود که بیشترین کنترل بر روی ولتاژ و همچنین سریع‌ترین نرخ استهلاک شکل موج ولتاژ در این طرح رخ داده است. یعنی حتی در مقایسه با طرح (ب) که عملکرد آن در پاراگراف قبل تحت بررسی قرار گرفت، در امر کاهش ولتاژ، الکترود طرح (ه) موفق تر بوده و ظرف 10 میکروثانیه ولتاژ را به کمتر از نصف طرح (ب) کاهش داده است. وجود مسیرهای متعدد و امکان توزیع جریانهای صاعقه در گستره ای بزرگتر از علل این امر هستند. 

در ابتدا قصد بر آن بود تا نظیر برخی دیگر از مقالات این وبسایت، این مقاله نیز به شکل یک مجموعه چند بخشی منتشر شود. هرچند که در انتها تصمیم عوض شد و یک نسخه خلاصه شده تر از یک مقاله به مراتب مفصل انتشار یافت. امید است در صورت باقی بودن عمر در مقالات آتی به سایر وجوه صاعقه و سیستم‌های زمین (چه سیستم‌های زمین این پست و چه سایر طرح‌ها) از منظر شبیه‌سازیها و محاسبات عددی پرداخته شود. لذا توصیه میشود تا با عضویت در کانال تلگرامی ویدلتا به آدرس pwr_sys حتما از انتشار بخش های بعدی این مقاله مطلع شوید. در انتها امید است تا این مقایسه کوچک بین چند نمونه از الکترودهای زمین برای عزیزان مفید واقع شده باشد. 

1: An apples to apples comparison is a comparison between related or similar things، مقایسه سیب به سیب، یک مقایسه بین چیزهای شبیه به هم و یا مربوط به هم.