بررسی مواد کاهنده مقاومت در ارتینگ

مواد کاهنده و کاربردهای آن

مواد کاهنده مقاومت الکتریکی سیستم زمین (Earthing Enhancing Compound) ترکیب رسانایی است که باعث کاهش مقاومت الکتریکی سیستم زمین می‌شود. مواد کاهنده، از مهم‌ترین مواد و مصالح مورد استفاده در اجرای سیستم زمین است. این مواد را هنگام اجرا، اطراف الکترودهای دفنی می‌ریزند. در گذشته از مخلوط ذغال و نمک به عنوان ماده کاهنده استفاده می‌شد، که امروزه به خاطر خاصیت خورندگی نمک، استفاده از آن بسیار محدود شده است. اولین چیزی که هنگام استفاده از مواد کاهنده به ذهن می‌رسد، کاهش مقاومت مخصوص موثر در اطراف الکترود زمین است. اما این فقط یکی از موارد کاربرد مواد کاهنده است. کارکردهای مهم مواد کاهنده را می‌توان به شرح زیر بیان کرد:

1. کاهش مقاومت مخصوص موثر در اطراف الکترود زمین
2. به تعویق انداختن خوردگی الکترود زمین با انتخاب ترکیبی مناسب از مواد کاهنده
3. کنترل گرادیان پتانسیل اطراف الکترود زمین (به اصطلاح منحنی آن را مسطح می‌کند)
4. وابستگی مقاومت الکترود زمین به شرایط فصلی را تا حد قابل توجهی کاهش می‌دهد

تصویر 1: نمونه‌ای از تغییرات مقاومت یک الکترود میله‌ای، با و بدون مواد کاهنده

بر اساس استانداردهای بین‌المللی (IEEE80, IEC62305, BS7430 و ...)، اولین قدم در طراحی سیستم زمین، نمونه برداری از خاک و تهیه گزارش از خصوصیات فیزیکی و شیمیایی آن و همچنین تهیه مقاومت الکتریکی خاک می‌باشد. گاها به دلایل وجود خاک نامناسب در پروژه و یا محدودیت فضا در اجرای سیستم زمین، نیاز به استفاده از الکترولیت (مواد کاهنده مقاومت) می‌باشد. هر چقدر بستر خاک، سنگلاخی و کوهستانی و ماسه‌ای‌‌تر باشد، مقاومت ویژه خاک (اهم.متر) بالاتری خواهیم داشت و ممکن است جهت رسیدن به مقدار مقاومت خاصی برای الکترود زمین نیاز به اجرای الکترودهای بیشتری باشد که از نظر اقتصادی و گاهی محدودیت فضا به صرفه و امکان پذیر نخواهد بود. در چنین شرایطی برای بهینه شدن تعداد الکترودهای زمین، استفاده از الکترولیت (مواد کاهنده مقاومت) توصیه می‌گردد.

تصویر 2: طراحی اولیه سیستم زمین - مقاومت ویژه خاک در عمق سه متری برابر 2250 اهم.متر می‌باشد

مقاومت الکتریکی خاک، پتانسیل اکسایشی-کاهشی، رطوبت، نمک‌های محلول، کلرید محلول، اسیدهای آلی و PH از پارامترهای اصلی تاثیرگذار در طراحی سیستم زمین می‌باشند. بنابراین می‌توان با در نظر گرفتن میزان هر یک از این پارامترها، مواد کاهنده متناسب با شرایط پروژه را بگونه‌ای انتخاب نمود تا ضمن کاهش مقاومت سیستم زمین و تثبیت آن، استقامت الکترود زمین در برابر خوردگی را افزایش داد.

چرا بررسی مواد کاهنده لازم است؟

ارزیابی و بازرسی ماده کاهنده مقاومت الکتریکی زمین به منظور دستیابی به سه هدف زیر انجام می‌شود:

الف) دستیابی به یک بستر با مقاومت مخصوص بسیار پایین در اطراف الکترود زمین.

ب) جلوگیری از خوردگی شیمیایی الکترود زمین و افزایش طول عمر آن.

ج) سازگاری با محیط زیست و عاری بودن از هرگونه مواد آلاینده خاک و آب.

مواد کاهنده مقاومت الکتریکی خاک حتماً بایستی مطابق استاندارد IEC62561-7 تولید شده و دارای تاییدیه آزمایشگاهی معتبر به شرح زیر باشد: 

1- 2-Leaching test which is performed according to EN 12457

2- Sulfur tests which is performed according to ISO 14869-1

3- Determination of resistivity according to ASTM G57

4- Corrosion test which is performed according to ASTM G59-97 and G102-89

به تناسب نیاز بازار، انواع مواد کاهنده با نام‌های مختلف توسط فروشندگان تولید گردیده است ولی نیاز است تست‌های فوق را در این مجال بیشتر بررسی نماییم. 

همه جا بنتونیت!

بنتونیت نوعی خاک رس می‌باشد که تمام خصوصیات یک بکفیل (ماده کاهنده) مناسب برای الکترودهای زمین را دارد. بنتونیت می‌تواند تا 13 برابر حجم خشک خود آب جذب نموده و به یک خمیر غلیظ تبدیل شود. این خمیر به هر چیزی که با آن ارتباط دارد می‌چسبد. در رطوبت 300% بنتونیت دارای مقاومت مخصوصی حدود 2.5 اهم.متر است. سرعت خوردگی آهن هنگام استفاده از بنتونیت، در مقایسه با حالت بدون استفاده از آن، حدود 12 برابر کاهش خواهد یافت.

تصویر 3: ماده معدنی بنتونیت

متاسفانه اکثر موادهایی که در بازار غیر فنی به فروش می‌رسد از ترکیبات بنتونیت و یا به اصطلاح بنتونیت اکتیو که تغییراتی نسبت به آن دارد، استفاده شده است. همانطور که مستحضر هستید از مزایای بنتونیت (با دریافت رطوبت)، کاهش مقاومت است. ولی معایب آن از جمله: نیاز دائم آن به نگهداری، پشتیبانی و آبیاری، همچنین از بین رفتن خصوصیات آن در دراز مدت و شسته شدن از پیرامون اقلام سیستم زمین، بیشتر از مزایای آن می‌باشد. لازم به ذکر است مطابق بند b بخش 14.5 از استاندارد IEEE80:2000، بنتونیت پیرامون الکترود در محیط‌های خیلی خشک (و فصول خشک) ترک خورده و از آن جدا می‌گردد و منجر به افزایش مقاومت سیستم زمین می‌شود.

تصویر 4: تغییر شکل ماده کاهنده پایه بنتونیت و سفت شدن آن به علت عدم آبیاری

اگر سیستم زمین را بگونه‌ای طراحی نمایید که با صرف هزینه کم (استفاده از بنتونیت) مقاومت آن را پایین بیاورید، انتظار پایداری این مقاومت در همه فصول و طی چند سال را نداشته باشید. این در حالیست که با استفاده از مواد کاهنده مقاومت منطبق بر استاندارد IEC62561-7 بتوانید ضمن کاهش مقاومت، سرعت خوردگی اقلام را کاهش داده و به پایداری مقاومت سیستم زمین در دراز مدت کمک می‌نمایید.

برق‌یار مشاور شما در حوزه ارتینگ

روش‌های آزمون و ارزیابی مواد کاهنده

مواد کاهنده مقاومت تولید شده مطابق استاندارد IEC62561-7 باید مورد آزمون‌های زیر قرار گیرد:

آزمون 1: آزمایش شستشو (Leaching Test)

تست لیچینگ آزمونی است که در طی آن ماده کاهنده با یک عامل شستشو تماس پیدا کرده و بعضی از اجزاء مواد آن استخراج می‌شوند. مواد کاهنده باید از نظر فیزیکی و شیمیایی دارای ثبات باشند و از نظر شیمیایی بر خاک اطراف خود بی اثر بوده و همچنین با گذشت زمان شسته نشوند. تطبیق این تست بر اساس استاندارد EN 12457-2 می‌باشد که پارامترهای زیر را در محلول حاصله مورد تجزیه و تحلیل و آنالیز قرار می‌دهند: 

Fe (آهن) - Cu (مس) - Zn (روی) - Ni (نیکل) - Cd (کادمیوم) - Co (کبالت) - Pb (سرب) - Arsenic (آرسنیک) - Ba (باریم) - Cr (کرم) - Hg (جیوه)

آزمون 2: تعیین سولفور (Sulfur Determination)

درصورتیکه ماده تقویت کننده هدایت الکتریکی خاک حاوی درصد قابل توجهی گوگرد باشد امکان تخریب الکترود زمین به سرعت افزایش پیدا می‌کند. به همین جهت این استاندارد، حد گوگرد را برای مواد کاهنده مقاومت زمین، کمتر از 2% دانسته است. این تست طبق استاندارد ملی 3-16989 یا استاندارد ملی 1-51111 و تجهیزات آنالیز پذیرفته شده انجام می‌گیرد.

آزمون 3: تعیین مقاومت مخصوص (Determination Of Resistivity)

بر اساس این آزمون مواد کاهنده مطابق استاندارد ASTM G57-06 و با تجهیزات خاص (Soil Box و الکترودهای تعبیه شده روی آن) مورد تست قرار می‌گیرند. چند نکته در اینجا قابل توضیح است: 

1- دلیل تست این آزمون توسط آزمایشگاه‌های معتبر این است که تعداد زیادی از Soil boxهای موجود از الکترودهایی خلاف جنس و نوع اشاره شده در استاندارد است و یا فواصل آنها مطابق استاندارد نبوده و از دقت صحیحی برخوردار نیستند.

2- بسیاری از آزمایشگاه‌ها در جهت مشتری مداری با تغییر در میزان رطوبت یا پارامترهای تاثیرگذار در میزان مقاومت ویژه مواد، سعی در راضی نگه داشتن تولیدکنندگان این مواد دارند!

3- در این استاندارد هیچ اشاره‌ای به دریافت عدد خاصی از این آزمون ننموده است و پاس نمودن شرایط آزمون وابسته به تست سه نمونه تصادفی از محصول و دریافت نتیجه یکسان از آنهاست. در حالیکه بسیاری از تولید کنندگان با نمایش عدد خیلی پایین، تلاش به فریب مشتری و ایجاد ذهنیت خیالی از تاثیر این مواد در کاهش مقاومت را دارند.  

تصویر 5: ترکیب بندی (وضعیت) جعبه چهار الکترود خاک

راهنما:  1 جعبه خاک - 2  آمپرمتر - 3 ولتمتر - 4  اندازه‌گیر مقاومت زمین

آزمون 4: آزمایش خوردگی (Corrosion Test)

بر اساس این آزمون مواد کاهنده مطابق استانداردهای ASTM G59-97 و ASTM G102-89 مورد تست قرار می‌گیرند. هدف از این آزمون که مهم‌تر از آزمون میزان مقاومت ویژه مواد کاهنده می‌باشد، دستیابی به پارامتر مقاومت پلاریزاسیون R_p و تعریف حد مجاز برای آن است. معنی‌دار بودن این آزمون اهمیت زیادی دارد، زیرا ماده کاهنده مقاومت زمین باید از نظر فیزیکی و مکانیکی بر الکترودهای زمین بی‌اثر باشد تا از آسیب ناشی از خوردگی به الکترودهای زمین اجتناب شود.

مطابق استاندارد زمانیکه الکترود زمین شما از جنس مس باشد، در محیط‌های غیر خورنده، مقاومت پلاریزاسیون باید بیشتر از 4 اهم در متر مربع باشد و در محیط‌های خورنده، مقاومت پلاریزاسیون بیشتر از 8 اهم در متر مربع مناسب است. همچنین در زمانیکه الکترود زمین شما از جنس گالوانیزه گرم باشد، در محیط‌های غیر خورنده، مقاومت پلاریزاسیون باید بیشتر از 3 اهم در متر مربع باشد و در محیط‌های خورنده، مقاومت پلاریزاسیون بیشتر از 7.6 اهم در متر مربع مناسب است.

در هنگام خرید مواد کاهنده مقاومت دنبال دریافت تاییدیه تست این چند آزمون از آزمایشگاه‌های معتبر باشید و همچنین تصور داشتن مواد کاهنده‌ای با مقاومت ویژه خیلی پایین نادرست می‌باشد. ضمن داشتن مقاومت ویژه‌ی نسبتاً کم، داشتن مقاومت پلاریزاسیون بیشتر از 8 اهم در متر مربع، در هر شرایطی و با هر جنس الکترودی، سرعت خوردگی را کاهش خواهد داد.

 لازم به ذکر است با توجه به تاکید سازمان حفاظت از محیط زیست ایران مبنی بر انجام آزمایش و تعیین غلظت هیدروکربون‌های آروماتیک چند حلقه (PAH) مواد کاهنده مقاومت الکتریکی سیستم زمین، آزمایش و تعیین غلظت این گروه از مواد آلی در بعضی از ارگان‌ها مانند شرکت‌های نفت و گاز اجباریست.

جمع‌بندی

با توجه به مطالب گفته شده توصیه این است که در انتخاب مصالح و سفارش تجهیزات دقت بیشتری شود. هر چند وضعیت غالب بازار مملو از میله، صفحات، کلمپ و مواد کاهنده غیر استاندارد است. شایسته است با دقت نظر بیشتر و اصرار بر الزامات استانداردی و توصیه بر عدم خرید انبوه مصالح بی‌کیفیت، از شرکت‌های داخلی معتبر و انگشت شمار تولید کننده‌ی تجهیزات استاندارد سیستم زمین حمایت شود.