الکترود زمین

انتخاب محل احداث الکترود

در حالی که طبیعت اصلی و مشخصه های خاک یک منطقه را نمی توان کلا تغییر داد ، با انتخاب محلی مناسب برای نصب الکترود و بکارگیری روشهای آماده سازی آن ، می توان به نتیجه بهینه دست یافت . در عمل ، محل احداث اتصال زمین یا محدوده آن را به ندرت می توان انتخاب نمود زیرا عوامل خارج از کنترل متخصص برق ، محل احداث را مشخص می کند . به هر حال ، در مواردی که ممکن باشد ، محل احداث الکترود اتصل زمین باید به نحوی انتخاب شود که به ترتیب اولویت یکی از زمین های زیر را شامل شود :

• زمین باتلاقی
• زمین رسی یا چمنزار
• زمین رسی مخلوط با کمی ماسه
• زمین رسی مخلوط با سنگیریزه و شن و ماسه
• شم تر یا نمناک یا پیت

و در مقابل باید سعی شود از احداث الکترود اتصال زمین در زمین های زیر خودداری شود .

• زمین های خشک
• زمین های ماسه اس و شنی
• زمینهای دارای انواع سنگهای سخت مانند گرانیت و غیره
• زمینهایی که در آنها لایه سنگی گسنرده ای در عمق کمی نسبت به سطح زمین قرار دارد .

بهتر است زمین انتهاب شده دارای زهکشی طبیعی نباشد ، ولی انتخاب زمینی که اشباع بوده یا مملو از آب باشد جز درمورد ماسه و شن لازم نخواهد بود . رطوبت بیش از 20% (حداکثر) در زمین های معمولی تاثیر قابل ملاحظه ای در جهت کم کردن مقاومت نخواهد داشت . همچنین باید از محل هایی که در معرض شستشو قرار دارند (مانند بستر نهرها و نظایر آن) اجتناب نمود زیرا جریان پیوسته آب ممکن است املاح مفید را شسته و از منطقه استقرار الکترود دور کند .

در صورت روبرو شدن با خاک دستی ، لازم است تا رسیدن به عمق خاک بکر ، بیشتر پیش رفت . زیرا خاک دستی قابل اطمینان نبوده و در احداث الکترود زمین نباید به حساب آورده شود .

تاثیر آماده سازی محل احداث الکترود زمین

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 های این نوع آماده سشازی عبارتند از :

• بنتونیت
• بتن
• بتن خاص یا سیمان هادی که در آن از گرانولهای کربن یا خاکه ذغال به جای ماسه استفاده می شود . این نوع آماده سازی مخصوصا در زمین های سنگی و زمینهایی که لایه سنگی در نزدیکی سطح آن قرار دارد بسیار موثر می باشد .
• روش سنتی منسوخ شده ، با استفاده از مخلوطی از نمک و ذغال

استفاده از خاکستر کک به علت خاصیت خورندگی شدید آن ، برای آماده سازی توصیه نمی شود .

محدوده مقاومت ویژه دو ماده اصلی آماده سازی ،بنتونیت و بتن ، که بیش از همه مورد نظر می باشند به ترتیب زیر است :

• مقاومت ویژه بنتونیت بسته به رطوبت موجود در آن از حدود Ωm 3 به بالاست . اگر این ماده نتواند رطویت زمین اطراف را جذب کند مقاومت آن خیلی زیاد شده ، حجم آن کم و از الکترود جدا خواهد شد .
• مقاومت ویژه بتن از حدود Ωm 30 تا Ωm90 در تغییر است .

در گذشته در ایران استفاده از سنگ نمک شکسته و خاک ذغاله در اطراف الکترود تجویز می شد . به آسانی میتوان نتیجه گیری نمود که حاصل این نوع عمل آوردن خاک ، کم کردن مقاومت ویژه ρ_c است و اینکه یکی از این مواد ماندگارتراز دیگری است (نمک در طول زمان حل شده و از لایه های مجاور الکترود دور می شود در حالی که ذغال باقی می ماند) در نتیجه مقاومت الکترود در اوایل احداث آن به شرط وجود رطوبت ، کمتر بوده و در طول زمان با حل شدن و جابجا شدن نمک ، به مقدار آن اضافه خواهد شد .

اثر شکل الکترود بر مقاومت اتصال زمین

با توجه 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 در این ناحیه بیشترین مقدار را دارد) ، لذا برای به دست 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 می شود . برای رسیدن به این هدف لازم خواهد بود یکی از ابعاد حجم الکترود نسبت به دو بعد دیگر آن بزرگترین مقدار را داشته باشد . مثلا 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 دارد .

بررسی خصوصیات الکترودهای متداول و مقاومت آن ها

الکترودهای اتصال به زمین را می توان به دو دسته اصلی تقسیم کرد :

• الکترود های موجود یا طبیعی
• الکترود مصنوعی

الکترودهای موجود یا طبیعی :

الکترودهای موجود آن هایی هستند که با هدفی دیگردر زمین نصب شده اند ولی در صورت وجود شرایط لازم ، ممکن است برای ایجاد اتصال به زمین از آن ها بعنوان الکترود استفاده شود .

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 مجاز دیگر

–        هرگونه تاسیسات زیرزمینی فلزی که در تماس با زمین بوده و مانعی برای استفاده از آن بعنوان الکترود زمین وجود نداشته باشد .

در مقابل استفاده از تاسیسات زیرزمینی ذکر شده در زیر بعنوان الکترود زمین با هادی حفاظتی تحت هیچ شرایطی مجاز نیست اما برای همبندی می توان از اینها استفاده کرد :

–        نفت (و فرآورده های نفتی)

–        گاز

–        هوای تحت فشار

–        فاضلاب از هر نوع

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 آن ها در زمین ، می توان به سه گروه تقسیم نمود :

• الکترودهای صفحه ای
• الکترودهای قائم
• الکترودهای افقی

الکترودهای موجود آن هایی هستند که با هدفی دیگر در زمین نصب شده اند و ممکن است در صورت وجود شرایط لازم ، برای ایجاد اتصال زمین از آنها به عنوان الکترود استفاده کرد .

الکترودهای موجود ششناخته شده به قرار زیر می باشند :

– غلافهای هادی کابلها

– اجزای فلزی سازه ها

– سپرهای فلزی و میلگردهای شمعی بتنی

لوله کشی آب

لوله کشی های فلزی دیگر

هرگونه تاسیسات زیرزمینی فلزی که در تماس با زمین بوده و مانعی برای استفاده از آن به عنوان الکترود زمین وجود نداشته باشد .

الکترود صفحه ای :

الکترود صفحه ای در رده آخر ارجحیت انواع الکترود قرار دارند . در اوایل رشد صنعت الکتروتکنیک ، اعتقاد بر این بود که هرچه مساحت یک الکترود بیشتر باشد ، مقاومت آن نسبت به جرم کلی زمین کمتر خواهد بود . پس از سالها تحقیق و تجربه معلوم گردید این باوری نادرست بود و در برخی از نقاط دنیا از جمله کشور ما ، استفاده از این الکترود جزء سنت درآمده و لازم است تغییر یابد .

مقاومت تقریبی یک الکترود صفحه ای طبق استاندارد BS7430 از رابطه زیر قابل محاسبه میباشد:

R

که در آن :

ρ = مقاومت ویژه خاک به اهم متر

A = سطح یک طرف الکترود دفن شده به متر مربع

R = مقاومت الکترود صفحه ای به اهم

توجه شود که اگر مساحت یک الکترود صفحه ای را دو برابر کنیم ، مقاومتش نصف نمی شود . بلکه حدود 30% کم می شود . دو برابر کردن مساحت الکترود هزینه زیادی در پی خواهد داشت . بنابراین صرفه اقتصادی ندارد . برای کم کردن مقاومت بهتر است به جای یک الکترود با سطح بزرگ ، از دو یا چند الکترود موازی با سطحی کوچک استفاده شود .

در اغلب موارد برای تخمین مقاومت یک الکترود صفحه ای ، استفاده از رابطه خلاصه زیر کافی است :

که در آن :

ρ = مقاومت ویژه خاک به اهم متر

D = در مورد دایره برابر قطر و در مورد مستطیل برابر طول آن به متر است .

بهتر است که صفحه الکتزود به صورت قائم دفن شود تا 1- خطوط جریان خارج شده از صفحه تا جایی که ممکن است یکنواخت پخش شده و کوتاه باشند 2- فشار خاک بر دو سمت الکترود یکنواخت باشد .

الکترودهای صفحه ای از نظر نحوه استقرار آن ها در زمین ، خود به دو گروه تقسیم می شوند :

• الکترود صفحه ای کم عمق
• الکترود صفحه ای عمیق

الکترودهای قائم

الکترودهای قائم از متداولترین نوع الکترود می باشند . مخصوصا در مواردی که فضای افقی کافی در دسترس نباشد یا برای کم کردن مقاومت زمین ، الکترودهای قائم و افقی با هم بکار روند .

مقاومت تقریبی یک الکترود قائم ، از رابطه زیر محاسبه می شود :

که در این رابطه :

ρ = مقاومت ویژه خاک به اهم متر

d = قطر الکترود بر حسب متر

L = طول الکترود کوبیده شده بر حسب متر

با توجه به این رابطه تاثیر قطر الکترود بر مقاومت آن نسبتا جزئی است . اما عوامل موثر در کاهش مقاومت ρ و طول الکترود است. هر چه طول الکترود بیشتر باشد ، تاثیرش در کاهش مقاومت بیشتر است . ولی در صورت ثابت بودن ρ و d ، تاثیر جزء لگاریتمی رابطه بالا در تغییرات مقاومت بر حسب عمق به نحوی است که هر چه الکترود طولانی تر شود ، اثر طول بر کم شدن مقاومت کاسته خواهد شد .

در یک زمین یکدست (ρ ثابت) ، یک تا سه متر اول طول الکترود بیشترین اثر را بر مقدار مقاومت آن دارد و از آن پس اثر ازدیاد طول بر مقاومت کمتر و کمتر می شود . لذا در این شرایط ، اضافه کردن به طول الکترود برای کم کردن مقاومت آن به صرفه نخواهد بود و در این موارد برای کم کردن مقاومت ، استفاده از چند الکترود به صورت موازی ، به جای یک الکترود عمیق ، بهتر و باصرفه تر است .

از الکترودهای قائم با عمق زیاد در مواقعی استفاده می شود که مقاومت ویژه (ρ) لایه های پایینی خاک کمتر از مقاومت  از مقاومت ویژه لایه ها در عمق کم باشد .

قطر الکترود با توجه به تاثیر کم آن بر مقاومت الکتریکی با در نظر گرفتن نکاتی دیگر و مخصوصا مقاومت مکانیکی آن در هنگام کوبیدن در زمین یا احتمال صدمه دیدن و ترک برداشتن آن اگر از نوع لوله ای باشد ، انتخاب می شود .

مقاومت چند الکترود وصل شده به صورت موازی بهتر (کمتر) از مقاومت یک الکترود با طولی معادل جمع الکترودها است . اما لازم است توجه شود که فاصله الکترودهای موازی نسبت به هم در مقدار مقاومت آن ها نقشی تعیین کننده دارد . به طور خلاصه برای اینکه مجموعه دو الکترود موازی کمترین مقاومت را داشته باشد ، فاصله آن ها از یکدیگر باید به قدری باشد که خارج از حوزه ولتاژ یکدیگر قرار گیرند یا فاصله دو الکترود نسبت به هم باید بی نهایت باشد ولی در عمل فاصله الکترودها را از یکدیگر ، حداقل به اندازه عمق آن ها انتخاب می کنند و در این صورت مجموعه مقاومت دو الکترود به جای 50% به اندازه حدود 55% مقامت یک الکترود تکی خواهد شد . کوبیدن الکترودها در زمین را می توان به دو نوع انجام داد . 1- وارد آوردن ضربه های شدید به تعداد کم (کوبیدن با پتک معمولی یا کوبیدن با پتک لوله ای) 2- وارد آوردن ضربه های خفیف به تعداد زیاد (کوبیدن با پتک برقی یا بنزینی)

ساختمان و جنس الکترودهای قائم :

جنس الکترودهای قائم با توجه به نحوه نصب آن ها 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
• الکتزودهای میله ای از فولاد گالوانیزه گرم
• الکترودهای لوله ای از فولاد گالوانیزه گرم (لوله آب)
• 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 غیر ممکن 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

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

حفر چاه برای دفن الکترود یا با روش سنتی (مقنی) و یا با روش استفاده از مته حفر زمین در عمق های 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 آن است که نوعی آماده سازی به عمل آید مگر آنکه نوع خاک به قدری خوب باشد که احتیاج به این کار نباشد .

الکترودهای افقی

یکی از موارد استفاده از الکترودهای افقی ، ایجاد سطوح هم پتانسیل است که مخصوصا در نیروگاه ها و پست های فشار قوی جزو ملزومات است .

در شبکه های توزیع و تاسیسات از این الکترودها هنگامی استفاده می شود که فضای آزاد کافی وجود داشته باشد و یا در زیر لایه نازکی از خاک با مقاومت ویژه زیاد قرار داشته باشند .

در عمل ابعاد تسمه الکترود به نحوی است که ضخامت آن نسبت به پهنا بسیار کم است و بنابراین اثر آن هم روی مقاومت بسیار ناچیز می باشد و با توجه به عمق دفن الکترود و قطر سیم یا عرض تسمه که در ساختمان الکترودها معمول می باشد . تاثیر این مقادیر نیز کم بوده و لذا عامل اصلی در تعیین مقاومت الکترود ، طول آن است .

برای کم کردن مقاومت کل یک سیستم اتصال زمین ، می توان از الکترودهای موازی استفاده کرد ، ولی باید توجه نمود که فاصله بین الکترودهای موازی باید به قدر کافی زیاد باشد و تامین این شرایط همیشه امکان پذیر نسیت .

به جای الکترود موازی می توان از الکترودهای افقی که به شکل ستاره از یک نقطه پخش می شود نیز استفاده کرد .

ساختمان و جنس الکترودهای افقی و عمق دفن آن ها :

ساختمان و جنس الکترود

• الکترودهای تسمه ای از مس
• الکترودهای تسمه ای از آهن گالوانیزه گرم
• الکترودهای سیم مسی

حداقل سطح مقطه تسمه مسی نباید از 50 میلیمتر مربع و ضخامت آن هم از 2 میلیمتر کمتر باشد . بنابراین حداقل تسمه ای که می توان 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 5/3 30 میلیمتر است که سطح مقطعی برابر 105 میلیمتر مربع را تامین می کند .

سیم مورد استفاده برای الکترودهای افقی سیم مسی استاندارد چند مفتولی است . به شرطی می توانیم از سیم مسی چند مفتولی بعنوان الکترود زمین استفاده کنیم که 1- قطر هر یک از مفتول های تشکیل دهنده سیم از 7/1 میلیمتر کوچکتر نباشد 2- مجموع مساحت آن مفتول ها از 25 میلیمتر مربع کوچکتز نباشد . علت این امر ایجاد مقاومت مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی است . بعبارتی استفاده از هادیهای افشان بکلی ممنوع می باشد .

عمق دفن الکترود افقی :

عمق دفن الکترود افقی در کاهش مقاومت آن زیاد تاثیرگذار نیست . در تعیین عمق دفن الکترود افقی مسایل مربوط به خاکبرداری در درجه اول اولویت قرار دارند . در عمل کمتر اتفاق می افتد که عمق دفن الکترود افقی از 2 متر بیشتر باشد و اغلب این مقدار بین 5/0 تا 8/0 متر انتخاب می شود .

هنگامی که لازم باشد سطحی هم پتانسیل در اطراف الکترود برقرار شود (مانند سامانه زمین حفاظت در برابر صاعقه و پست های فشار قوی نیروگاه ها) عمق دفن الکترود باید کم باشد ولی نه به حدی که در اثر فعالیت های عادی بر روی زمین ، به آن آسیب وارد شود . در این موارد عمق دفن معمولا 5/0 متر انتخاب می شود .