به‌دلیل وجود املاح موجود در خاک که سبب رسانائی خاک می‌شود، جرم زمین را بطور قراردادی به عنوان نقطه‌ای با پتانسیل مرجع صفر در نظر می‌گیرند، بطوریکه پتانسیل الکتریکی آن در نقاط مختلف، صفر باشد. اگرچه این حالت تنها تحت شرایط ایده‌آل رخ می‌دهد، ولیکن بدلیل حجم و وسعت زیاد خاک زمین، قابل اعمال میباشد. همچنین خاصیت هدایتی زمین می‌تواند شرایط مناسبی را جهت تخلیه جریانهای الکتریکی و الکترواستاتیکی ایجاد کند.
دسترسی به این جرم از طریق ایجاد اتصال مستقیم الکتریکی با زمین، امکان پذیر میباشد. ایجاد هرگونه اتصال الکتریکی با خاک را تحت نام اتصال زمین می‌شناسیم و به کلیه اجزای تشکیل‌دهنده آن که شامل الکترود (هادی موازی) و اتصال آن به تجهیزات و بخش‌های مختلف هادی میباشد، سیستم زمین می‌گوییم. در بخش‌های بعدی، اجزای مختلف سیستم زمین را تشریح خواهیم نمود. از طرفی زمین دارای یک فضای هادی با یک مقاومت ویژه است، بنابراین از دیدگاه نظریه الکترواستاتیک هر الکترود دفن شده در زمین نسبت به نقطه مرجع در بینهایت دارای یک مقاومت است. طرح شکل و نحوه قرارگیری اجزاء الکترود در میزان مقاومت بدست آمده تأثیر بسزایی دارد. شکل و ساختار الکترود زمین همچنین متأثر از مقادیر پتانسیل‌های سطحی زمین که در اثر جریان خطا بوجود می‌آیند، مي‌باشند. از اینرو لازم است قبل از اجرای سیستم زمین تحقیقات گسترده‌ای در زمینه خاک و عوامل موثر در آن و ویژگی‌های بدن انسان انجام گیرد.
سیستم زمین به عنوان جزء حیاتی سیستم‌های الکتریکی، نقش بسزایی در تأمین ایمنی و کارکرد صحیح و موثر تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی داشته و می‌بایست بطور اصولی و مهندسی مورد بررسی و طراحی قرار بگیرد. به دلیل تأثیر بالایی که طراحی و اجرای صحیح سیستم زمین در افزایش کارایی تجهیزات و حفظ ایمنی پرسنل دارد، استانداردهای متعددی در این زمینه منتشر شده که از آن جمله میتوان بهIEEE80, IEEE142, IEEE1100, BS7430, IEC62305-3 و...، اشاره نمود.
بطورکلی هر سیستم زمین، به منظور برآورده کردن نیازهای زیر اجرا می‌گردد:
حفاظت در برابرصاعقه و جریان اتصال کوتاه:
سیستم زمین در اینگونه موارد محلی برای انتشار و تخلیه جریانهای ناشی از صاعقه در زمان اصابت مستقیم آن و همچنین مسیر عبور جریانهای اتصال کوتاه میباشد تا بدین وسیله، از تجهیزات الکتریکی دربرابر آسیب‌های احتمالی چون ایجاد قوس الکتریکی، آتش سوزی و همچنین افزایش دما بر اثر عبور جریان اتصال کوتاه، حفاظت نماید.
ایمنی افراد:
سیستم زمین می‌بایست جریانهای ناشی از اصابت صاعقه و جریانهای اتصال کوتاه را به نحوی هدایت نماید که هیچ شخصی در معرض پتانسیل‌های گام و تماس خطرناک قرار نگیرد.
حفاظت تجهیزات:
سیستم زمین می‌بایست با فراهم آوردن یک مسیر با امپدانس پایین، میزان اختلاف پتانسیل نقاط مرجع سیگنال را به حداقل برساند، تا از مدارات الکتریکی و الکترونیکی در برابر اغتشاشات و منابع نویز محافظت نماید.
ایجاد نقطه مرجع:
سیستم زمین به عنوان یک سطح گسترده‌هادی می‌تواند به عنوان نقطه‌ای با پتانسیل مرجع صفر درنظرگرفته شود.
بطور کلی، متناسب با اهداف ذکر شده فوق، سیستم زمین را به دو نوع زير دسته‌بندی نموده‌اند:
سیستم زمین حفاظتی
سیستم زمین الکتریکی
سیستم زمین حفاظتی جزء مدار الکتریکی نبوده و تنها تحت شرایط خطا، از آن جریان عبور خواهد نمود. در صورتی‌که سیستم زمین الکتریکی بخشی از مدار الکتریکی بوده و این احتمال وجود دارد که در شرایط کار عادی تجهیزات نیز حامل جریان الکتریکی باشد.
در پروژه‌هاي ساختماني و صنعتي، طراحی و اجرای سیستم زمین حفاظتی مناسب به لحاظ تأمین ایمنی افراد، تجهیزات و تخلیه جریانهای صاعقه از اهمیت بسزایی برخوردار است.
چنانچه پیش از این گفته شد، از سیستم زمین حفاظتی جهت تخلیه جریانهای اتصال کوتاه، جریانهای صاعقه، ایمنی افراد و همچنین ایمنی تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود بطوریکه از حدود کاری تجهیزات فراتر نرفته و باعث تداوم عملکرد تجهیزات گردد و همچنین ایمنی افراد را در برابر شوک الکتریکی تضمین نماید.
بنابراین هدف تنها ایجاد الکترود زمین با مقاومت پایین نمی‌باشد، بلکه می‌بایست طراحی سیستم زمین به گونه‌ای انجام شود، که علاوه بر مقاومت الکتریکی پایین، دارای ولتاژهای گام و تماس پایینی بوده و توزیع الکتریکی مناسبی را جهت تخلیه جریان ایجاد نماید. جهت رسیدن به این هدف، بحث هم بندی و هم پتانسیل سازی و همچنین آرایش و ساختار الکترود زمین حائز اهمیت بوده و می‌بایست مورد بررسی قرار گیرد.
برای شروع طراحی مطابق با استاندارد نیاز به دانستن اطلاعاتی در خصوص زمین منطقه و جنس خاک میباشد که این اطلاعات تأثیر زیادی در انتخاب نوع و شکل الکترود و نحوه اجرای آن خواهد داشت.
2-4- استفاده ازموادکاهنده مقاومت سیستم زمین
در شرایطی که بدلیل مقاومت ویژه الکتریکی بالای خاک، رسیدن به مقادیر پایین و حدود مجاز مقاومت زمین میسر نمی‌گردد، همچنین جهت کاهش هرچه بیشتر مقاومت الکتریکی سیستم زمین و پایداری میزان آن در فصول مختلف سال، از مواد کاهنده مقاومت سیستم زمین استفاده می‌شود. این مواد می‌بایست مورد تأیید استانداردهای بین‌المللی قرار گرفته باشند، بطوریکه نباید تأثیر منفی بر روی الکترود داشته و از نظر زیست محیطی بر خاک اطراف اثر بگذارند. به عنوان مثال استفاده از ترکیب نمک و ذغال می‌تواند منجر به خوردگی الکترود زمین شود و از طول عمر الکترود زمین بکاهد و یا استفاده از بنتونیت تنها در مناطق مرطوب توصیه شده و در مناطقی که دارای فصول خشک طولانی می‌باشند، پیشنهاد نشده است، چراکه این ماده آب خود را از دست داده، منقبض می‌گردد و پیوستگی خود را از دست داده واز الکترود زمين جدا می‌گردد. در نتیجه تحت چنین شرایطی، مقاومت به شدت بالا خواهد رفت. بطور کلی مواد کاهنده با ایجاد تماس الکتریکی بیشتر و بهتر الکترود با زمین و بدلیل خاصیت رسانایی بالای خود منجر به کاهش مقاومت الكتريكي الکترود زمین می‌گردند. مواد كاهنده مورد استفاده بايد سبب خوردگي درالكترود نشوند و همچنين بايستي سطح تماس دائمي با الكترود برقرار كرده و به هیچ عنوان از الکترود جدا نشود. در گذشته از مواد مختلفی همچون ذغال، نمک و بنتونیت استفاده می‌شد که در حال حاضر یک سری مواد با ترکیبات خاص و مطابق با استانداردهای جهانی جایگزین آنها شده است. مواد جديد بايستي داراي شناسنامه بوده و منطبق بر استاندارد باشد.
2-4-1-مواد كاهنده برند سيرارت9F[1]
خصوصیات موادکاهنده مقاومت زمین برند سيرارت با توجه به آزمایشاتی که براساس استانداردهای:
IEC 62561-7، ISO 4689-3, EN 12457-2, EN 12506, EN 50164-7و همچنین استانداردهای ITU-T، IEEE 80 و BS7430 انجام گرفته است به شرح زیر میباشد:
مقاومت ویژه بسیار پایین‌تری نسبت به بنتونیت (0.02 اهم سانتیمتر) دارد.
دارای عمر طولانی و ماندگاری بالا نسبت به بنتونیت در مقابل آبهای سطحی و تغییر شرایط محیطی
سازگار بودن آن با محیط زیست و آلوده نکردن خاک و آب
این مواد از لحاظ شیمیایی خنثی بوده و دارای 8 > 7< PH میباشد.
این مواد مقاومت بالایی در برابر شسته شدن توسط آبهای سطحی دارد
بدون خاصیت خورندگی و فرسایش در تجهیزات ارت
این مواد به طور قابل‌ملاحظه‌ای خاصیت چسبندگی و انبساطی داشته به‌طوری‌که حباب‌های هوا را از بین برده و تماس بیشتری بین الکترود و خاک ایجاد می‌نمایند.
2-5- اندازه‌گيري مقاومت ويژه خاك :
طبق تعريف مقاومت ويژه خاك، مقاومت حجمي ازخاك به ابعاد 1×1×1 متر است، كه بين دوالكترود اندازه گيري شود و واحد آن اهم-متر میباشد. مقاومت ويژه خاك بسته به نوع و دانه بندي خاك، رطوبت، دما ونمك موجود در آن متغيراست. ازآنجائيكه اكثر زمين‌ها داراي ساختار چندلايه مي‌باشند، لذا در طراحي سيستم‌هاي زمين ازمدل‌هاي دولايه و بيشتر استفاده مي‌شود. با توجه به اينكه روش‌هاي محاسباتي براي مدل‌هاي 3 لايه وبالاتر پيچيده وزمان بر مي‌باشند اغلب ازروش دولايه استفاده مي‌شود. دراين مدل فرض مي‌شود كه خاك درلايه اول تا عمق h داراي مقاومت ويژه þ1 ودرلايه دوم تا عمق بي نهايت داراي مقاومت P2 مي‌باشد.
بهترين ومناسب‌ترين روش اندازه‌گيري مطابق با استاندارد IEEE-81 روش 4 نقطه‌اي ونر (Wenner) مي‌باشد. دراين روش 4 عدد ميله مطابق شكل 2-1 با فاصله يكسان درزمين كوبيده مي‌شود.
شكل 2-1-روش چهارنقطه‌اي ونر براي سنجش مقاومت ويژه خاك
U: ولتاژ سنجيده شده (ولت). I: جريان ارسال شده (آمپر).
a : فاصله يكسان الكترودها (متر). h: عمق الكترود (متر).
بين دوالكترود اول وچهارم جريان ac ارسال وبين الكترودهاي دوم وسوم ولتاژي اندازه‌گيري مي‌شود. مقاومت ويژه از روش ونر بصورت زير به دست مي‌آيد:
فرمول 2-1
اندازه‌گيري به روش فوق درچند نقطه ازسايت و با فواصل مختلف انجام مي‌شود، درصورتي‌كه مقادير بدست آمده تفاوت چنداني نداشته باشد، ميانگين مقادير درنظرگرفته شده وازروش تك لايه مي‌توان استفاده نمود.
طبق تعریف، ولتاژ تماس، اختلاف ولتاژ مابین تجهیز متصل به زمین و فردی که با تجهیز در تماس است و بر روی زمین ایستاده، مي‌باشد. ولتاژ گام، اختلاف ولتاژی است که مابین فاصله دو پای فرد ایستاده برروی زمین (حدوداً 1 متر) ایجاد می‌گردد.
با توجه به اینکه تخلیه جریان در زمین، باعث افزایش پتانسیل زمین می‌گردد، می‌بایست حدود اختلاف ولتاژهای قابل تحمل بدن محاسبه شده، تا طراحی به گونه‌ای انجام پذیرد که از این حدود مجاز، فراتر نرویم.
ماکزیمم ولتاژ گام و تماس قابل تحمل فرد با توجه به مقاومت ویژه خاک، ماکزیمم زمان بروز خطا و وزن افراد محاسبه می‌شود. این ولتاژها برای فردی با وزن 70 کیلوگرم طبق روابط زیر بدست می‌آید:
فرمول شماره2-2
فرمول شماره 2-3
در رابطه فوق، Cs فاکتور کاهش مقاومت ویژه لایه سطحی بوده و ρs مقاومت ویژه لایه سطحی از سنگریزه یا آسفالت میباشد که جهت افزایش مقاومت تماس پای شخص با زمین، بر روی سطح زمین ریخته می‌شود. t نیز مدت زمانیست که جریان خطا تداوم خواهد داشت. این زمان بستگی به سرعت قطع رله‌های حفاظتی دارد که معمولاً در حدود 0.5 s میباشد.
Cs طبق رابطه زیر محاسبه می‌گردد:
فرمول شماره 2-4
در رابطه فوق، hs ضخامت لایه سطحی میباشد.
شکل 2-2-نحوه تغییرات گرادیان ولتاژ برای الکترود عمودی(الف ) و افقی(ب)
در صورتی‌که مقاومت ویژه خاک محل پایین باشد، شاید بتوان تنها با اتصال یک میله زمین به مقاومت پایینی دست پیدا کرد. ولی چنانچه در الگوی شکل(2-2-الف) دیده می‌شود، این حالت شیب‌تندی از تغییرات ولتاژ را ایجاد می‌کند که سبب ولتاژهای گام و تماس خطرناک می‌شود. درصورتی‌که در الگوی شکل(2-2-ب)، این شیب بسیار ملایم و تقریباً مسطح میباشد. این بدان علت است که در سیستم فوق از سیستم زمین افقی استفاده شده است و آن باعث ایجاد پراکندگی یکنواخت جریان و ایجاد سطوح ولتاژ هم تراز برروی سطح زمین می‌شود و ولتاژهای گام و تماس را در حد قابل قبولی کاهش می‌دهد.
بدین ترتیب سیستم افقی بهتر می‌تواند ایمنی لازم را تأمین نماید. لازم به ذکر است که چنین سیستمی قابلیت عبور جریانهای لحظه‌ای فرکانس بالا را داشته و امپدانس کمی را در برابر عبور چنین جریان‌هایی از خود نشان می‌دهد.
بطور کلی الکترودهای زمین، به دو دسته تقسیم می‌شوند:
الکترودهای مصنوعی:
الکترودهایی هستند که با هدف برقراری اتصال الکتریکی با خاک در زمین ایجاد شده‌اند. از انواع این الکترودها میتوان موارد زیر را نام برد: الکترود صفحه‌ای، الکترود میله‌ای، الکترودهای افقی، شبکه مش و ...
الکترودهای طبیعی:
الکترودهایی هستند که براي كاربري‌هاي ديگري در زمین نصب شده‌اند و ممکن است در صورت وجود شرایط لازم، برای ایجاد اتصال به زمین از آنها استفاده شود. از انواع اینگونه الکترودها، میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
-لوله‌های فلزی آب، اجزای فلزی سازه، میلگردهای شمع‌های بتونی، غلاف فلزی کابل‌ها و...
لازم به ذکر است، از اینگونه الکترودها به تنهایی نمی‌توان به عنوان الکترود زمین استفاده نمود، بلکه در کنار الکترودهای مصنوعی میتوان از آنها به عنوان الکترود کمکی استفاده كرد.
در ادامه به ذکر روش‌های ایجاد الکترودهای مصنوعی می‌پردازیم:
از الکترود صفحه‌ای بیشتر در نقاطی استفاده می‌شود که بخواهند در حجم کمی از فضا، به مقاومت پایینی دست یابند. الکترود صفحه‌ای را می‌بایست بصورت عمودی در چاه قرار داد و می‌بایست آنرا در عمقی از خاک قرار داد که دارای رطوبت کافی باشد. کمترین عمق نصب 60 سانتیمتر از لبه بالایی صفحه میباشد.
در صورتی‌که مقاومت یک صفحه، از میزان مورد نیاز ما بیشتر باشد، میتوان با ایجاد الکترود صفحه‌ای دیگر و اتصال آنها به یکدیگر از میزان مقاومت کاست. در این صورت میزان مقاومت به شرطی که الکترودها، خارج از حوزه ولتاژ یکدیگر باشند، معادل مقدار موازی آنها خواهد شد. برای این امر، می‌بایست فاصله الکترودها از یکدیگر، حداقل به میزان عمق الکترود رعایت گردد. جهت رسیدن به مقدار مطلوبتر میزان فاصله به میزان 2 برابر عمق الکترود، مناسب‌تر است.
فرمول 2-5
þ اهم متر مقاومت ويژه خاك برحسب
R سطح مقطع صفحه برحسب متر مربع
نکته دیگری که می‌بایست مدنظر قرار گیرد این است كه اجرای دو الکترود با فاصله فوق از اجرای یک الکترود با سطح 2 برابر هرکدام از الکترودها، به لحاظ اقتصادی به صرفه میباشد. بدین ترتیب ابعاد صفحه مورد استفاده، از 1.2m x 1.2m بیشتر نمی‌شود. همینطور ابعاد این صفحه نباید از 0.5m x 0.5m کمتر شود. ضخامت این صفحات نیز برای صفحات مسی می‌بایست حداقل 2mm انتخاب شود.
راد زمین به صورت میله‌ای یا لوله میباشد. طول الکترود از 1 الی 5/1 متربوده و قابل افزایش است. معمولاً رادهای میله‌ای مغزی فولادی روکش مس بیشتر مورد استفاده قرارمی‌گیرند زیرا مغزی فولادی استقامت بیشتری در برابر ضربات مکانیکی حاصل از کوبش داشته و روکش مس نیز در برابر خوردگی مقاوم میباشد. برای کوبش الکترودها در زمین میتوان از میل‌کوب استفاده نمود، بطوریکه ابتدا یک میله 1.5 متری در زمین کوبیده می‌شود، سپس از کوپلر جهت افزایش طول آن استفاده می‌شود تا بتوان میله دیگری را به انتهای آن اضافه نمود. افزایش قطر میله‌های زمین تأثیر چندانی در کاهش مقاومت زمین نداشته، تنها به استحکام مکانیکی آن در زمان کوبش کمک می‌کند. جهت کاهش مقاومت زمین، از اتصال موازی چند میله زمین به یکدیگر استفاده می‌کنیم. فاصله این الکترودها نسبت به یکدیگر می‌بایست به نحوی انتخاب گردد که حداقل به میزان طول الکترود از یکدیگر فاصله داشته باشند و بهتر است این فاصله به میزان 2 برابر طول الکترود انتخاب گردد تا نتیجه بهتری حاصل شود.
فرمول 2-6
Rt مقاومت الکترود میله‌ای
Þ اهم متر مقاومت ويژه خاك برحسب
L طول الكترود برحسب متر
d قطر الكترود برحسب متر
فرمول 2-7
Rt مقاومت معادل موازی چندین الکترود
Þ اهم متر مقاومت ويژه خاك برحسب
L طول الكترود برحسب متر
n تعداد الكترودها
s فاصله بين الكترود ها برحسب متر
λ فاكتور گروهي
d قطر الكترود برحسب متر
فرمول 2-8
اگر تعداد الكترودها زياد باشد از فرمول زير استفاده مي‌گردد:
فرمول 2-9
در این روش، مي‌توان از تسمه يا سيم به عنوان الكترود زمين استفاده نمودكه در عمق 0.5 تا 1 متری خاک (زیر عمق یخ‌زدگی) قرار می‌گیرد و اطراف آن، با مواد کاهنده و خاک نرم پر می‌گردد. در این روش، تأثیر عمق قرارگیری الکترود در کاهش مقاومت، بسیار کم بوده و تنها می‌بایست الکترود را در زیر عمق یخ‌زدگی خاک قرار داد. افزایش مقطع کابل نیز تأثیر چندانی در کاهش مقاومت ندارد.
فرمول 2-10
Þ مقاومت ويژه خاك برحسب اهم متر
L طول الكترود برحسب متر
h عمق دفن الكترود برحسب متر
d عرض تسمه يا قطر سيم برحسب متر
k مقدار 1.36 براي تسمه و مقدار 1.83 براي سيم
بطور کلی جهت رسیدن به یک مقاومت پایین، می‌بایست الکترود زمین به نحوی طراحی و اجرا گردد و شکل آن به صورتی انتخاب شود که میزان چگالی جریان در فضای اطراف الکترود تا حد امکان کم باشد. به این منظور می‌بایست یک بعد الکترود، در مقایسه با دو بعد دیگر آن تا حد امکان بزرگتر باشد. در نتیجه استفاده از کابل یا تسمه مسی که در طول خوابانده شده است، از استفاده از یک صفحه مربع شکل بهتر است.
از طرفی افزایش طول الکترود، باعث افزایش امپدانس خصوصا در مواجهه با جریان های فرکانس بالا همچون صاعقه می‌گردد. لذا پیشنهاد می‌شود از چندین هادی افقی کوتاه بجای استفاده از یک هادی با طول زیاد، استفاده گردد.
از این نوع الکترود جهت ایجاد یک سطح هم‌پتانسیل استفاده می‌شود، تا به این وسیله ولتاژهای گام و تماس را تا حد امکان کاهش داد. این الکترودها از یکسری هادی مسی یا فولادی عرضی و طولی تشکیل شده‌اند که زیر عمق یخ‌زدگی در عمق 0.5 متری سطح زمین قرار می‌گیرند. هادی‌ها می‌بایست در نقاط تقاطع، به یکدیگر متصل شوند این اتصال می‌بایست ازنوع جوش احتراقی باشد. جهت اتصال با لایه‌های پایین‌تر خاک، می‌بایست از الکترود میله‌ای به همراه این نوع الکترود استفاده نمود.
فرمول 2-11
Þ مقاومت ويژه خاك برحسب اهم متر
L ميزان تسمه يا سيمي كه براي شبكه مش استفاده شده است
A سطح شبكه مش برحسب متر مربع
2-7-6- الکترود هادی به شکل سیم یا تسمه
فرمول آورده شده در این بخش فقط برای هادی‌هایی که به طور مستقیم اجرا شده‌اند قابل استفاده میباشد.
مقاومت Rta این هادی‌ها از روش زیر بدست می‌آید:
فرمول 2-12
Þ مقاومت خاک بر حسب اهم-متر
L طول هادی بر حسب متر
h عمق الکترود بر حسب متر
d عرض تسمه یا قطر سیم بر حسب متر
k برای تسمه 1.36 و برای سیم 1.83
زمانی‌که بیش از یک مسیر با طول L با فاصله s بر حسب متر نسبت به هم بطور موازی قرار گیرند مقاومت از روش زیر محاسبه می‌شود:
فرمول 2-13
Rn مقاومت تعداد n هادی که بطور موازی نسبت بهم قرار می‌گیرند.
R1 مقاومت یک الکترود تک میباشد که از فرمول 1 بدست می‌آید.
F بشکل زیر بدست می‌آید:
برای دو مسیر موازی،
برای سه مسیرموازی،
برای چهارمسیر موازی،
که در این فرمول‌ها
2-7-7- مقاومت الکترود مدفون در موادی با مقاومت ویژه کم، مانند بتن رسانا
فرمول 2-14
þ مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
þc مقاومت ویژه مواد رسانا بر حسب اهم متر
L طول راد بر حسب متر
d قطر راد بر حسب متر
D قطر حفره‌ای که با مواد پرشده است بر حسب متر
2-7-8- روش‌های گوناگون قرارگیری الکترودها نسبت به یکدیگر
به اشکال مختلفی میتوان الکترودها را در کنار یکدیگر قرار داد، اما تنها تعداد اندکی از آنها مورد استفاده قرارمی‌گیرند که در ادامه بررسی می‌شوند.
|
|
|
|
2) دو تسمه باطول برابرکه با زاویه قائم یکدیگر را در یک گوشه قطع می کنند |
1) سه راددر گوشه های یک مثلث متساوی الاضلاع |
|
|
|
|
3) چهار تسمه به شکل صلیب |
4) سه تسمه با طول برابر که با زاویه 120 درجه نسبت بهم به صورت اتصال ستاره قرار می گیرند. |
|
|
|
|
5) الکترودهای عمودی که یک مربع تو خالی را تشکیل می دهند |
|
شکل 2-5- آرایشهای گوناگون الکترودها
-7-8-1- سه راد در گوشه های یک مثلث متساوی الاضلاع
|
فرمول 2-15 |
|
þ مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
L طول راد بر حسب متر
d قطر راد بر حسب متر
s طول یک ضلع از مثلث متساوی الاضلاع بر حسب متر
2-7-8-2-دو هادی با طول برابر که با زاویه قائم یکدیگر را در یک گوشه قطع می کنند
مقاومت در این نوع سیستم از فرمول زیر بدست می آید.
|
فرمول 2-16 |
|
þ مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
L طول کل هادی به صورت سیم یا تسمه بر حسب متر
h عمق دفن بر حسب متر
d قطر سیم و یا عرض تسمه بر حسب متر
k برای تسمه1.21 و برایسیم 0.813
2-7-8-3- سه هادی با طول برابرکه با زاویه 120 درجه نسبت بهم متصل شده اند
مقاومت این نوع را می توان از رمول زیر محاسبه نمود.
|
فرمول 2-17 |
|
þ مقاومت خاک بر حسب اهم-متر
L طول هادی سیم یا تسمه بر حسب متر
h عمق دفن بر حسب متر
d قطر سیم و یا عرض تسمه بر حسب متر
k برای تسمه 0.734 و برای سیم 0.499
2-7-8-4-چهار هادی با طول یکسان به شکل صلیب
مقاومت Rcr در این نوع چیدمان از فرمول زیر بدست می آید.
|
فرمول 2-18 |
|
þ مقاومت خاک بر حسب اهم-متر
L طول هادی سیمیا تسمه بر حسب متر
h عمق دفن بر حسب متر
d قطر هادی سیم و یا عرض تسمه بر حسب متر
k برای تسمه 0.219 و برای سیم 0.133
2-7-8-5- الکترودهای عمودی که یک مربع تو خالی را تشکیل دهند
مقاوت Rtotدر این سیستم از فرمول زیرقابل محاسبه میباشد.
|
فرمول 2-19 |
|
|
که در آن |
|
Rcr مقاومت یک راد بر حسب اهم
ضریبی است که در جدول 2-1 آورده شده است
þ مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
S فاصله راد ها بر حسب متر
N تعداد راد هایی که به عنوان الکترود استفاده می شوند
|
|
تعداد الکترودهای قرارگرفته در طول یک ضلع مربع (n) |
|
تعداد الکترودهای قرارگرفته در طول یک ضلع مربع (n) |
|
7.65 |
9 |
2.71 |
2 |
|
7.90 |
10 |
4.51 |
3 |
|
8.22 |
12 |
4.46 |
4 |
|
8.67 |
14 |
6.14 |
5 |
|
8.95 |
16 |
6.63 |
6 |
|
8.22 |
18 |
7.03 |
7 |
|
9.40 |
20 |
7.30 |
8 |
|
نکته: تعداد Nالکترود پیرامون یک مربع برابر است با 4(n-1) |
|||
جدول 2-1 ضرایب مربوط به الکترودهای قرار گرفته اطراف یک مربع توخالی
نکته: ازجدول 2-1 می توان برای حالتی که الکترودها در اطراف یک مستطیل قرارگرفته اند نیزاستفاده نمود، که در این حالت n=(N/4) +1 میباشد که N تعداد کل الکترودها میباشد.اگر نسبت طول به عرض مستطیل بیش از 2 نباشد، میزان خطا کمتر از 6% خواهد بود.
2-7-8-6-بخش های فلزی سازه
بخش های فلزی فونداسیون را می توان به عنوان یک الکترود آماده و موثر در نظر گرفت. در برخی موارد استفاده از بخش های فلزی موجود ساختمان به عنوان الکترود زمین می تواند نتایج مطلوب تری نسبت به سایر روش ها داشته باشد و مقاومت های پائین تری،که ممکن است به زیر 1 اهم نیز برسد، فراهم نماید.
بحث خوردگی آرماتورهای فلزی در این بخش حائز اهمیت است زیراخوردگی ایجاد شده نسبت به فلزاصلی بیشتر بوده و ایجاد ترک می نماید. جریان های دائمی زمین نیز باید مورد توجه قرار گیرد، منشاء این نوع جریان می تواند ناسازگاری با سایر بخش های فلزی دفنی سازه (الکترودهای زمین که باآرماتورهای فونداسیون هم بند شده اند) باشد.
نکته: ممکن است نیازبه حفاظت کاتدیک باشد.
در جایی که جریان نشتی زمین به صورت دائم وجود دارد، توصیه می شود که از یک الکترود اصلی (ازانواعی که در بخش بالا بیان شد) استفاده شود تا الکترودهای موجود در فونداسیون به صورت الکترود های کمکی با آن هم بند شوند و شرایط مناسبی را برای جریانهای خطای بالا فراهم نمایند.
نکته: ترک خوردگی در بتن، بدلیل فرایند قوس الکتریکی و یا تبخیر سریع رطوبت در آن، هنگامی ایجاد می شود که مدت زمان جریان خطای زمین نسبت به ظرفیت حمل جریان الکترود بیشتر باشد. احتمال وقوع این حالت در صورت کم بودن مقاومت الکترود، برای جلوگیری از وقوع ولتاژهای خطرناک، بسیار اندک میباشد.
مقاومت الکتریکی بخش های موجود در بتن و یا آرماتوربندی موجود در آن با توجه به نوع خاک، میزان رطوبت و نوع طراحی فونداسیون متغیر میباشد. بتن جاذب رطوبت میباشد و بجز در مناطق خشک، در حالت دفن شده در خاک، مقاومت ویژه ای در حدود 30 الی 90 اهم متر را در دمای معمولی خواهد داشت که این مقدار از مقاومت برخی از انواع خاک ها نیز کمتر میباشد.
مقدار مقاومت تمامی بخش های فلزی استفاده شده به عنوان الکترود باید اندازه گیری شده و بازبینی دوره ای بمنظور حصول اطمینان از کیفیت آنها و اتصال مناسب آنها با زمین باید صورت گیرد.
باید مقاومت ترکیبی الکترود های استفاده شده بدست آورده شود، اما ممکن است مقاومت سیستم زمین سازه ای که یک سطح وسیعی را پوشش داده کم بوده و اندازه گیری دقیق در کل سازه امری دشوار باشد. در جایی که سازه بروی پایه ستون های مشابه بنا شده باشد می توان مقاومت یک الکترود را قبل از اتصال الکتریکی آن با سایر الکترودها و همچنین وجود الکترود موازی حامل جریان در اطراف آن، بدست آورد. برای دست یابی به اعداد دقیق تر مقاومت می توان این روند را برای چند الکترود دیگر نیز تکرار نمود. چنانچه فرض کنیم که مقاومت یک الکترود بدست آید، مقاومت ترکیبی کلیه الکترودها که به صورت تقریبا مستطیلی در کنار هم قرار می گیرند از فرمول زیر بدست می آید:
|
فرمول 2-20 |
|
مقاومت یک پایه ستون بر حسب اهم
ضریبی است که در جدول 2-1 آورده شده است
مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
S فاصله پایه ستون ها بر حسب متر
n تعداد پایه هایی که به عنوان الکترود استفاده می شوند
نکته 3: در این معادله فرض شده که فاصله میان دو الکترود مجاور بگونه ای باشد که مقدار نسبت از 0.2 کمتر باشد.
نکته 4: مقدار زیادی از مقاومت در قسمت تماس بتن با زمین و اطراف بخش های فلزی میباشد که بستگی به میزان رطوبت آن دارد. با گذشت زمان میزان رطوبت در بتن با رطوبت خاک برابر می شود، و بتن از مقدار اولیه آن خشک تر خواهد شد.
باید از وجود پیوستگی الکتریکی در بین تمام بخش های فلزی اطمینان حاصل نمود. اتصالات میان بخش های فلزی در داخل بتن و در زیر زمین (مثل آرماتوربندی داخل فونداسیون) بهتر است از نوع جوشی باشد؛ در بالای زمین و در انکر بولت ها این امر از طریق یک هادی همبندی که از تمام اتصالات سازه عبور می کند، صورت می گیرد. این امر بخصوص در سطوح پیش ساخته صدق می کند.
مقاومت زمین در فونداسیون بتن مسلح Rrc بر حسب اهم با این فرض که الکترودهای عمودی تنها به سازه یا سیستم زمین همبند شده اند، بدست می آید. تاثیر سایر آرماتورهارا که با سیم به هم وصل شده اند را می توان نادیده گرفت. تصور می شود که رادها با یک آرایش متقارن و با فاصله های مساوی قرار گرفته باشند. (جدول 2-2)
|
فرمول 2-21 |
|
مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر
مقاومت ویژه بتن بر حسب اهم-متر
L طول راد های آرماتور استفاده شده در زیر سطح زمین
ضخامت بتن بین راد ها و خاک بر حسب متر
Z میانگین فاصله هندسی راد ها بر حسب متر که در جدول 2-2 نشان داده شده است
جدول 2-2- میانگین فاصله هندسی z
a شعاع راد برحسب متر
Sفاصله میان دو راد مجاور
Z میانگین فاصله هندسی برحسب متر
2-8- جنس و ابعاد مورد نیازالكترود زمين
تعیین صحیح جنس و اندازه الکترود زمین و اتصالات آن، باعث افزایش طول عمر سیستم زمین می‌گردد. جنس الکترود زمین و اتصالات باید به نحوی تعیین شود که در برابر خوردگی مقاومت لازم را ایجاد نماید. جهت هدایت مناسب جریانهای الکتریکی ناشی از خطای اتصال کوتاه و صاعقه نیز می‌بایست ابعاد الکترود زمین به نحوی تعیین گردد که بر اثر عبور جریان، افزایش حرارت بر روی الکترود زمین بوجود نيايد ومنجر به فیوزینگ آنی نشود.
طبق استاندارد IEEE 80-2015 جنس‌های مختلفی از الکترود زمین را میتوان استفاده نمود که به شرح زیر است:
1. مس: برای الکترود زمین معمولا از مس استفاده می‌شود. مس علاوه بر هدایت بالایی که دارد، بخاطر کاتدیک بودن نسبت به سایر فلزات دفنی مجاور خود ، در برابر خوردگی نیز مقاومت می‌کند.
2. فولاد با روکش مس: این نوع الکترود به صورت معمول درسیستم زمین مورد استفاده قرار می‌گیرد، بخصوص جایی که مشکل دزدی مس وجود داشته باشد.
3. فولاد ضدزنگ :هادی فولادی یا استنلس استیل در جایی که خاک سبب خوردگی مس می‌شود مورد استفاده قرارمی‌گیرند. از فولاد با روکش روی یا استنلس استیل در ترکیب با حفاظت کاتدیک به عنوان سیستم زمین استفاده می‌شود.
4. سایر ملاحظات در انتخاب جنس الکترود:
شبکه‌ای از مس یا فولاد روکش مس با سازه‌های فلزی دفن‌شده ، لوله‌ها و یا هر ماده‌ای با آلیاژ سربی تشکیل یک پیل گالوانیکی را می‌دهندکه این قضیه می‌تواند بعدها خوردگی را تسریع نماید. قلع اندود کردن مس می‌تواند میزان پتانسیل پیل را در برابر استیل و روی، حدود 50 درصد کاهش داده و در حضور سرب کاملاً حذف نماید (چرا که قلع در برابر سرب در طی فرایند پیل گالوانیکی خورده می‌شود). اما از معایب استفاده از هادی مس قلع اندود شده میتوان به تسریع خوردگی طبیعی مس توسط مواد شیمیایی خاک اشاره نمود.
از سایر روش‌های معمول میتوان موارد زیر را نام برد:
الف) عایق‌کردن سطح فلزات فنا شونده توسط روکش‌هایی همچون نوار پلاستیک، ترکیبی از آسفالت، یا هر دوآنها.
ب) مسیر فلزات دفنی بگونه‌ای باشد که هادی های مسی تا حد امکان نزدیک به لوله‌های آب و یا سایر فلزات بدون پوشش با زاویه مناسب قرار گرفته و بتوان در محلی که فلزات در نزیکی هم قرار گرفته‌اند پوشش عایق قرار داد. معمولاً این پوشش عایق برای لوله‌ها در نظر گرفته می‌شود.
پ) حفاظت کاتدیک از طریق استفاده از آندهای فنا شونده و یا جریانهای تزریقی
ت) استفاده از لوله‌ها و مجراهای غیرفلزی.
ابعاد الکترود زمین را میتوان از جدول (2-3) انتخاب نمود. با توجه به مطالب گفته شده در بالا، بهترین جنس برای هادی دفنی الکترود زمین، مس میباشد. بنابراین مطابق جدول (2-3) می‌بایست از حداقل مقطع 50mm2 استفاده گردد.
|
قطر یا ضخامت mm |
مساحت سطح مقطع mm2 |
نوع الکترود |
|
3 |
50 |
تسمه مسی |
|
8 |
50 |
میله مسی سخت کاری شده یا حرارت دیده یا سیم مفتولی برای قرارگیری در زمین |
|
14 |
153 |
روکش-مس یا میله فلزی گالوانیزه برای زمین‌های سخت |
|
3 برای هر رشته |
50 |
مس رشته‌ای |
جدول2-3-ابعاد الكترود زمين
|
ابعاد |
مشخصات سطح مقطع |
مواد |
||
|
صفحه زمین |
هادی زمین |
قطر راد زمین mm |
||
|
50 |
رشته‌ای |
مس
مس با روکش قلع |
||
|
50 |
15 |
دایره‌ای توپر |
||
|
50 |
تسمه |
|||
|
20 |
لوله |
|||
|
500*500 |
صفحه |
|||
|
600*600 |
صفحه توری شکل3 |
|||
|
78 |
14 |
دایره ای توپر |
فولاد گالوانیزه گرم |
|
|
25 |
تسمه |
|||
|
90 |
لوله |
|||
|
500*500 |
صفحه |
|||
|
600*600 |
صفحه توری شکل 3 |
|||
|
4 |
پروفیل |
|||
|
70 |
استاندارد |
فولاد 2 |
||
|
78 |
دایره |
|||
|
75 |
تسمه |
|||
|
50 |
146 |
دایره |
فولاد با روکش مس |
|
|
90 |
تسمه |
|||
|
78 |
156 |
دایره |
استنلس استیل |
|
|
100 |
تسمه |
|||
جدول 2-4- جنس، شکل و حداقل ابعاد الکترود زمین درسیستم‌های صاعقه گیر 1 و 5
1) مشخصات الکتریکی و مکانیکی همچون مقاومت در برابر خوردگی، باید الزامات سری IEC 62561 را رعایت نماید.
2) در عمق حداقل 50 میلیمتری بتن دفن شود.
3) صفحه توری شکل با حداقل طول کل هادی 4.8 متر ساخته شود.
4) پروفیل های مختلف با سطح مقطع 290 میلی متر مربع و حداقل ضخامت 3 میلی متر مجاز می‌باشند.
5) درسیستم‌های زمین که به صورت رینگ استفاده می‌شود، الکترود زمین باید حداقل درهر 5 متر به آرماتورهای تقویتی متصل شود.
6) در برخی کشورها میزان قطر را میتوان به 12.7 میلیمتر کاهش داد
[1]. Cirearth: برند ثبت شده شرکت آموج فرآیند برای تولیدات این شرکت
