نگاهی بر سیستم‌های زمین رایج در کشور

دسته‌بندی: ارتینگ

در این مقاله قصد بر آن است تا نگاهی اجمالی به سیستم‌های زمین رایج در کشور داشته باشیم. این نگاه بیشتر متمرکز به مقاومت هر یک از سیستم های زمین بوده و ارزیابی عملکرد آنها با توجه به هزینه و سختی اجرا (به صورت کیفی) خواهد بود. در این بررسی سعی می‌شود تا جای ممکن از زوایای مختلف به الکترودها نگاه شود تا نکات پیدا و پنهان هر یک از آنها مشخص گردد. مقاله با گذر زمان تکمیل شده و از بازدیدکنندگان سایت در خواست می‌شود تا در صورت امکان الکترودهای پیشنهادی خود را برای جای گرفتن در این مقاله در قسمت کامنت ها درج نمایند. حتی در صورتی که مقاله تکمیل شده باشد و پیشنهادات جدیدی دریافت شود، همچنان تلاش بر گنجاندن پیشنهاد جدید در مقاله صورت خواهد گرفت.

- به روزرسانی پست در تاریخ 1 اردیبهشت 1403، الکترود مشبک (Lattice) نیز اضافه گردید.

پیشنهاد می‌شود برای مطالعه مقاله دیگری در همین وبسایت پیرامون مقایسه عملکرد برخی از الکترودهای نام آشنا تحت موج صاعقه از طریق این لینک اقدام نمایید. در ضمن حتما برای دریافت آخرین اخبار در حوزه انتشار مقالات جدید در کانال تلگرام این وبسایت به آدرس vdelta_ir عضو شوید.

مقدمه

یکی از شاخص‌های مطرح در باب مقایسه الکترودها با یکدیگر مقاومت الکتریکی آن هاست (هرچند محدود با آن نیست). مقاومت زمین یک الکترود مستقل از جنس آن بوده و بیشترین تاثیر در کاهش این مقاومت ناشی از بزرگترین بعد الکترود است. یعنی برای نمونه الکترودی برای ما مطلوب است که مثلا در بعد طول بسیار بزرگتر از عرض و ارتفاع (یا به عبارت دیگر ضخامت) باشد. این مقاله به بررسی مقاومت زمین الکترودهای زمین متداول در کشور می‌پردازد. همه الکترودها در یک خاک همگن^* 100 اهم‌متر در نظر گرفته شده‌اند. در هر مثال مقاومت الکتریکی الکترود نمونه در کنار میزان حجم فلز مصرف شده در آن بیان می‌گردد. هرچند که میزان فلز مصرفی در الکترود می‌تواند یک شاخص سرانگشتی از بحث‌های اقتصادی از نظر هزینه اختصاصی برای خرید الکترود باشد، اما باید توجه داشت که این شیوه از مقایسه لزوما موارد دیگر نظیر هزینه‌های حفاری، استفاده از مواد بهبود‌دهنده خاک و ... را شامل نمی‌شود. 

^*توجه شود که همگن در نظر گرفتن خاک سبب میشود تا مزایای اجرای افقی یا عمودی الکترودها با در نظر گرفتن وضعیت مقاومت مخصوص خاک در این مثال ها دیده نشود. 

الکترود صفحه‌ای

در ابتدای امر مقایسه را با یکی از منع شده‌ترین انواع الکترود شروع می‌کنیم، الکترود صفحه ای! این نوع از الکترود زمین به واسطه وجود برخی دستورالعمل‌های قدیمی و بدسیقگی‌های حوزه ارتینگ بسیار مطرح و معروف است. هرچند که در دستورالعمل‌های جدید به صراحت بر مطلوب نبودن این دست از الکترود ها و نداشتن توجیه اقتصادی اشاره شده است. شکل 1 یک الکترود صفحه‌ای را نشان میدهد. ابعاد این الکترود در زیرنویس شکل درج گردیده است. اگر این الکترود در عمق چهار متری زمین و در خاکی همگن به مقاومت مخصوص 100 اهم متر دفن گردد، مقاومت سیستم زمین در این حالت برابر با 37.2 اهم می‌گردد. این مقاومت با استفاده از 1800 سانتی‌متر مکعب فلز به دست آمده است. در الکترودهای آتی دیده میشود که این میزان فلز استفاده شده برای رسیدن به مقاومتی در حدود 37.2 اهم بسیار زیاد است! هرچند که هزینه های مربوط به حفر چاه و بکفیل نیز در این مدل از الکترود وجود دارد که باید در ارزیابی اقتصادی آن در نظر گرفته شود. با توجه به آن چه گفته شد، بیراه نیست که این نوع از الکترود مغضوب بسیاری از متخصصان حوزه ارتینگ است!

شکل 1 - تصویری از یک الکترود صفحه ای در عمق 4 متری، در ابعاد 60 سانتی متر در 60 سانتی متر به قطر 5 میلی متر

الکترود مشبک در مقایسه با صفحه

الکترود مشبکی با ابعاد 60 در 60 سانتی متر را در نظر بگیرید که در عمق 4 متری زمین دفن گردیده است. این الکترود از تسمه‌هایی با عرض 25 میلی‌متر تشکیل شده و تسمه‌ها به گونه‌ای به هم متصل می‌شود تا الکترودی شبیه به شکل 2 را تشکیل دهند. هرچند که توجه داشته باشید که به دلیل محدودیت‌های نرم‌افزار در شبیه‌سازی الکترود تسمه‌ای در این جا یک شکل تقریبی از الکترود ساخته و مدل‌سازی شده است که اگر این مدل از طراحی به گوش سازندگان نرم‌افزار برسد احتمالا از پشت بام شرکت eaton خود را به پایین پرت خواهند کرد!!! با استفاده از این الکترود و با خاکی 100 اهم متری مقاومت به 38.1 اهم می‌رسد. میزان فلز استفاده شده در این الکترود 750 سانتی‌متر مکعب (تسمه 5 در 25) است که کاهشی چشمگیر نسبت به الکترود صفحه‌ای دارد. 

شکل 2 - الکترود مشبک (به صورت تقریبی مدل گردیده است.)

خالی از لطف نیست که ذکر یک نکته داخل پرانتز داشته باشیم: «این نوع الکترود صرفا جایگزینی برای صفحه نیست، یکی از استفاده‌های آن به عنوان ارت‌مت (earth mat) بوده که در پست‌های آتی مفصل به آن پرداخته خواهد شد.»

الکترود میله‌ای

الکترود تحت بررسی بعدی، یک الکترود میله‌ای 3 متری نظیر شکل 3 است. ابعاد این الکترود نیز در زیرنویس شکل درج گردیده است. در صورتی که این الکترود در عمق 0.5 متری زمین کوبیده شده باشد، مقاومت آن در خاکی همگن با مقاومت مخصوص 100 اهم متر برابر با 31.8 اهم می‌شود. حجم فلز استفاده شده برای این الکترود برابر با 603.2 سانتی متر مکعب فلز است! با آن که برای الکترود‌های میله‌ای مزایای متعددی در مقایسه با الکترودهای صفحه‌ای قابل شمارش است اما صرفا با در نظر گرفتن همین یک گزاره تک خطی پیرامون حجم فلز استفاده شده می‌توان گفت که در الکترودهای میله‌ای نه تنها مقاومت زمین بهبود یافته (برتری الکتریکی) بلکه میزان فلز استفاده شده (برتری اقتصادی) هم به یک سوم حالت مربوط به الکترودهای صفحه ای کاهش یافته است. 

شکل 3 - الکترود میله‌ای 3 متری با قطر 16 میلیمتر، الکترود در عمق 0.5 متری زمین کوبیده شده است.

الکترود تسمه‌ای

با فرض اجرای یک تسمه 3 در 25 به طول 3 متر در عمق 0.5 متری خاک نظیر شکل 4، مقاومت سیستم زمین برابر با 35.6 اهم می‌شود. در این حالت نیز میزان فلز مصرف شده برابر با 225 سانتی‌متر مکعب می‌گردد. هرچند از نظر هزینه باید توجه داشت که به ازای هر متر از اجرای این نوع از الکترود هزینه‌های حفاری و هزینه‌های مربوط به بکفیل را نیز می‌بایست در نظر گرفت. 

شکل 4 - یک تسمه 3 در 25 با طول 3 متر در عمق 0.5 متری زمین

هادی توپر

در صورت اجرای یک هادی توپر به مقطع 50 میلی‌متر مربع در طول 3 متر در عمق 0.5 متری زمین مقاومت زمین برابر با 39.3 اهم می‌گردد. در این حالت حجم الکترود استفاده شده برابر با 150 سانتیمتر مکعب می‌گردد. 

الکترود 5 حلقه

یکی دیگر از الکترودهای تایید شده در کشور، الکترود 5 حلقه است. هرچند در نرم‌افزار استفاده شده برای شبیه‌سازی الکترودها امکان در نظر گرفتن یک بکفیل متفاوت از خاک اطراف در الکترودهای افقی وجود نداشته و حتی خود الکترود 5 حلقه هم عینا نظیر آنچه در مستندات ذکر شده قابل شبیه‌سازی نبوده و تقریبی از آن اجرا گشته است. تصویری از الکترود شبیه‌سازی شده با هادی توپر 50 در شکل 5 ارائه گردیده است. در این حالت مقاومت زمین این الکترود در خاک همگن 100 اهم متر برابر با 33.4 اهم می‌گردد. در این حالت 394 سانتی‌متر مکعب هادی مصرف شده و طول کل هادی افقی در حدود 7.85 متر می‌شود. 

شکل 5 - تقریبی از الکترود 5 حلقه با هادی توپر مقطع 50 شعاع هر حلقه 25 سانتی متر و فاصله بین هر دو حلقه 20 سانتی متر

حال اگر میزان هادی افقی استفاده شده در این نوع از سیستم زمین به صورت افقی و در عمق 0.5 متری زمین اجرا می‌شد مقاومت آن برابر با 18.4 اهم می‌گردید. یعنی با وجود آن که میزان الکترود استفاده شده در هر دو طرح 5 حلقه و الکترود افقی (در خط راست) یکی بود اما اختلاف مقاومت حاصل شده از این دو آرایش به مراتب تفاوت دارد. این امر ناشی از همان جمله‌ای است که پاراگراف ابتدایی این مقاله ذکر گردیده است. مهم‌ترین عامل در کاهش مقاومت زمین یک الکترود بزرگترین بعد آن است و در آرایش الکترود افقی، سیستم زمین صرفا در بعد طول رشد داشته و این امر اثری مثبت بر روی کاهش مقاومت داشته است. 

در دست تکمیل ...