بایدها و نبایدهای تست الکترود زمین
معمولاً مهندسین برق و تکنسین‌هایی که تست الکترود زمین را انجام می‌دهند، در درک مفاهیمی از اندازه‌گیری دچار اشتباه می‌شوند. به نظر می‌رسد سوالات و تردیدهای زیادی در مورد اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین وجود دارد. این مقاله فنی، سعی خواهد کرد به دوازده مورد شایع شبه‌انگیز درباره استفاده از ارت تسترها، اتصالات، روش‌های اندازه‌گیری و ایمنی پاسخ دهد.

تصویر 1: دوازده موضوع شبهه‌انگیز که مهندسان برق را هنگام اندازه‌گیری گیج می‌کند!

اکنون بیایید این تردیدها و سوالات را بررسی کنیم. لطفا توجه داشته باشید که مطمئنا ده‌ها مشکل و عدم قطعیت احتمالی دیگر وجود دارد که می‌تواند در طول مراحل تست الکترود زمین ظاهر شود، اما ما روی رایج‌ترین آنها تمرکز خواهیم کرد:

1- آیا می‌توانم از تستر مقاومت عایقی برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین استفاده کنم؟
2- هدف ما اندازه‌گیری مقاومت است. پس چرا نمی‌توانم از مولتی‌متر استفاده کنم؟
3- تفاوت روش‌های تست دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه چیست؟
4- آیا نمی‌توانم تمامی اندازه‌گیری‌ها را با روش ساده و سریع ارت مرده انجام دهم؟
5- از کجا بفهمم مقاومت الکترود زمین من مناسب است؟
6- چند وقت یکبار باید مقاومت الکترود زمین را اندازه‌گیری کنم؟
7- چگونه می‌توانم طراحی یک الکترود با مقاومت مناسب را انجام دهم؟
8- آیا عمق کوبیدن الکترودهای کمکی در زمین مهم است؟
9- اندازه‌گیری‌های من اکثرا در محیط‌های شهری (با پوشش آسفالت و بتن) است. الکترودهای کمکی را چگونه بکوبم؟
10- هنگام انجام تست الکترود زمین چه نکات ایمنی را باید رعایت کنم؟
11- به تازگی باران شدیدی باریده است. آیا این امر در نتیجه اندازه‌گیری من تأثیر می‌گذارد؟
12- الکترود زمین مورد نظر در خاک شنی (یا سنگی) نصب شده، برای تست آن چه کاری می‌توانم انجام دهم؟

1- آیا می‌توانم از تستر مقاومت عایقی برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین استفاده کنم؟

قطعا خیر، این کار یک اشتباه رایج است. بارها پیش آمده که اپراتورها به اشتباه دستگاه تست مقاومت عایقی را خریداری می‌کنند، بدون اینکه دقت کنند که دستگاه برای اندازه‌گیری مقاومت عایقی است یا مقاومت الکترود زمین. 

تصویر 2: دستگاه تست مقاومت عایقی شرکت Chauvin Arnoux

دستگاه تست مقاومت عایقی با اعمال ولتاژ بزرگ (معمولا بزرگتر از 500 ولت DC)، مقاومت‌های بزرگ را اندازه‌گیری می‌کند ولی دستگاه تست مقاومت الکترود زمین با اعمال ولتاژ کوچک (معمولا کوچکتر مساوی 50 ولت AC) مقاومت‌های پایین را اندازه‌گیری می‌کند.

در این کار ما مقاومت‌هایی در حد مگا اهم را نمی‌خواهیم اندازه‌گیری کنیم. استفاده از دستگاه تست مقاومت عایقی به دلیل اعمال ولتاژ بزرگ بسیار خطرناک می‌باشد. 

با این حال، به وسیله‌ی دستگاه تست مقاومت عایقی می‌توان با انجام تست پیوستگی اندازه‌گیری را انجام داد. این اندازه‌گیری قراردادی بین الکترود نصب شده و یک زمین مرجع (فرض می‌شود دارای مقاومت ناچیز است) انجام می‌گیرد. به دلیل جریان خطای اتصال زمین این اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین قابل اعتماد نیست.
دلیل دیگر عدم قابل اعتماد بودن روش ذکر شده این است که انجام تست پیوستگی با ولتاژ DC می‌تواند به علت حالت‌های گذرای خاک و جریان‌های سرگردان موجود در آن کاملا تحت تاثیر قرار گیرد.

تصویر 3: دستگاه تست مقاومت عایقی برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین مناسب نیست

2- هدف ما اندازه‌گیری مقاومت است. پس چرا نمی‌توانم از مولتی‌متر استفاده کنم؟

این سوال به این دلیل است که اصول کار دستگاه تستر الکترود زمین را نمی‌دانیم. به هر حال به همان دلایلی که در عدم قابل اعتماد بودن روش اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین به وسیله دستگاه تست مقاومت عایقی در سوال اول ذکر شد، اندازه‌گیری‌های انجام شده با یک مولتی متر DC نیز در معرض شدید نویزهای موجود در خاک است.

یک مولتی‌متر دستگاهی دو پرابه است و مقاومت را نسبت به دو سر آن می‌سنجد. در اینجا مرجع صفری برای اندازه‌گیری نداریم.

حتی اگر بخواهیم به روش دو سیمه (استفاده از الکترود زمین مرجع) اندازه‌گیری را با مولتی متر انجام دهیم، اندازه‌گیری با خطای فاحش همراه خواهد بود. چون منبع تغذیه مولتی متر باطری‌های 1.5 ولتی است و توانایی تزریق جریان را برای غلبه بر مقاومت تماسی بالای الکترود زمین و الکترود مرجع را ندارد.

تصویر 4: دستگاه مولتی متر برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین مناسب نیست

3- تفاوت روش‌های تست دو سیمه، سه سیمه و چهار سیمه چیست؟
در یک کلام می‌توان گفت، تفاوت در واقع تعداد نقاط تماس با خاک است. این اصطلاحات معمولاً به ترتیب به تست ارت مرده، افت پتانسیل و روش ونر اشاره دارند. در روش ارت مرده، تماس فقط در دو نقطه برقرار می شود. الکترود زمین تحت آزمایش و یک زمین مرجع مناسب، مانند سیستم لوله فلزی آب یا یک تیر حصار فلزی.
در روش افت پتانسیل، دستگاه تست مقاومت الکترود زمین از طریق الکترود آزمون، به علاوه پراب‌های جریان و ولتاژ ، با خاک تماس دارد. در روش ونر، مقاومت هیچ الکترود زمینی اندازه‌گیری نمی‌شود، بلکه خصوصیات الکتریکی خاک را می‌توان با استفاده از چهار پراب در تماس با خاک و یک روش استاندارد شناخته شده اندازه‌گیری کرد.

تصویر 5: اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک به روش ونر

4- آیا نمی‌توانم تمامی اندازه‌گیری‌ها را با روش ساده و سریع ارت مرده انجام دهم؟

در این روش معمولا از وسیله‌ای غیر از ابزارهای دستگاه تست مقاومت الکترود زمین استفاده می‌شود. دلیل نامگذاری این روش به نام ارت مرده این است که الکترود زمین مرجع فقط برای تست الکترود زمین مورد آزمایش استفاده می‌شود و به طور معمول بخشی از سیستم برقی ما نیست. الکترود زمین مرجع می‌تواند لوله‌های آب، حصار فلزی یا حتی یک میله باشد که فقط برای این منظور کوبیده شده است. این روش به دلیل سهولت و عمومیت آن محبوب است، اما توصیه نمی‌شود.

هیچ استاندارد معتبری روش ارت مرده را به عنوان یک تست مجزا قبول ندارد. این روش فقط برای مقایسه و جهت اطمینان از وجود الکترود زمین کاربرد دارد.

تصویر 6: اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین به روش ارت مرده

از آنجا که زمین مرجع ما با ترکیبی از راحتی و شانس انتخاب می‌شود، و به دلیل تداخل حوزه‌های مقاومتی و عدم دانستن مقاومت الکترود زمین مرجع (تقریبا در تمام موارد)، به هیچ عنوان نباید انتظار داشت مقاومت اندازه‌گیری شده برابر (و یا حتی نزدیک) با مقاومت واقعی الکترود مورد نظر باشد.

5- از کجا بفهمم مقاومت الکترود زمین من مناسب است؟

در استاندارد NEC مقدار حداکثر مقاومت توصیه شده برای یک الکترود مسکونی را مقدار 25 اهم معرفی می‌نماید. رسیدن به این مقدار مقاومت معمولا دشوار نیست. برای کاربری‌های دیگر مقدار مقاومت با توجه به الزامات آن یا طرح مهندس برق سیستم تعیین می‌شود و یا ممکن است تولید کننده‌ی دستگاهی برای کارکرد صحیح تجهیز خود مقدار مقاومتی را توصیه کرده باشد.

مقدار مقاومت الکترود زمین نشان دهنده‌ی کیفیت آن نیست.

معمولاً در زمینه‌های صنعتی توصیه می‌شود مقدار مقاومت 5 اهم و یا کمتر باشد و برای سیستم‌های ابزار دقیق مقدار 1 اهم حداکثر تا 2 اهم را پیشنهاد می‌کنند.

تصویر 7: اندازه‌گیری اولیه مقاومت الکترود زمین حفاظتی

بر اساس مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان، مقدار مقاومت الکترود زمین حفاظتی به تنهایی مهم نمی‌باشد و اصل بر این است که کل مقاومت الکتریکی نقطه خنثی یا هادی خنثای یک سیستم TN نسبت به جرم کلی زمین از دو اهم تجاوز نکند که خود این مقدار دو اهم هم با توجه به شرایط موجود، روز به روز بر مهم نبودن آن (مقدار 2 اهم) تاکید می‌شود. ثبت مقدار اولیه و پایش مقاومت و بررسی نرخ افزایش احتمالی در ادوار مختلف مهم‌ترین موضوع در امر اندازه‌گیری است.

6- چند وقت یکبار باید مقاومت الکترود زمین را اندازه‌گیری کنم؟

در مبحث بیست و دوم مقررات ملی ساختمان در بند 22-7-11 بیان می‌کند برای مواردی که در جدول 22-7-1 ذکر نشده (اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین ذکر نشده) سالانه حداقل یکبار بازرسی انجام گیرد.

برق‌یار مشاور شما در حوزه ارتینگ

ولی برای این امر فواصل فرد 5، 7 یا 9 ماهه توصیه می‌شود تا در فصول مختلف الکترود زمین تست شود. باید به این نکته توجه شود که کیفیت و اثر بخشی زمین به شدت تحت تأثیر آب و هوا و فصول قرار می‌گیرد. اگر از برنامه‌های تست سه ماهه یا شش ماهه استفاده شود، در ماه‌های معینی الکترود زمین مورد تست قرار نمی‌گیرد و ممکن است این ماه‌‌ها مواردی باشند که در آنها زمین بیشترین فشار را از طریق آب و هوا به الکترود زمین وارد می‌کند.

تصویر 8: تغییرات فصلی مقاومت الکترود زمین (الکترود زمین در خاک رسی اجرا شده)

از طرف دیگر، اندازه‌گیری در فواصل نامنظم اطمینان از پیدا شدن فصول نامناسب را برای ما حاصل می‌کند. توجه داشته باشید که خطای اتصال به زمین، آتش‌سوزی یا هر حادثه احتمالی می‌تواند در هر زمانی اتفاق بیفتد، و حفاظت شما به خوبی در بدترین زمان سال عمل کند.

7- چگونه می‌توانم طراحی یک الکترود با مقاومت مناسب را انجام دهم؟

به طور سنتی، از روش آزمون و خطا استفاده می‌شد و انجام کار می‌تواند با تجربه یک فرد بهبود یابد. این روش طراحی الکترود زمین در طول مراحل نصب شامل آزمایش مکرر آن است، تا زمانی که مشخصات مورد نظر برآورده شود.
به عنوان مثال می‌توان یک راد را کوبید و سپس مقاومت آن را اندازه‌گیری کرد. راد دوم را می‌توان به اولی کوپل کرد، تا به عمق بیشتری برسیم و دوباره تست را تکرار کنیم. این روش تا رسیدن به مقدار مقاومت مورد نظر تکرار می‌شود. همین‌طور می‌توانیم راد دوم را به طور موازی به راد اول وصل کرد (آن را جداگانه بکوبیم و در نهایت آن‌ها را به هم وصل کنیم) و تست را انجام دهیم. سپس در صورت نیاز میله‌های اضافی را برای تشکیل یک سیستم زمین اضافه کرد تا زمانی که مقاومت مناسب حاصل شود.

روش آزمون و خطا بسیار پر هزینه است. بهتر است قبل از اجرای الکترود زمین با مطالعه ویژگی‌های خاک منطقه مورد نظر و شبیه‌سازی آن با نرم‌افزار از هدر رفتن سرمایه جلوگیری کنیم و اجرای اصولی‌ای را داشته باشیم.

روش آزمون و خطا هنوز هم به طور مکرر مورد استفاده قرار می‌گیرد و محدودیت آن این است که تابع قانون کاهش بازده است: کار بیشتر برای سود کمتر. فقط در شرایط مطلوب خاک، می توان با چند بار آزمایش به مقاومت مطلوب الکترود زمین دست یافت. اما در محیط‌های دشوارتر، پی می‌برید که تمام روز را هدر داده‌اید بدون اینکه حتی به مقاومت مورد نظر نزدیک شوید.

8- آیا عمق کوبیدن الکترودهای کمکی در زمین مهم است؟
خیر، به شرطی که به حداکثر مقاومت تماسی نرسیده باشیم (منظورمان مقاومت پراب‌های تست می‌باشد، نه الکترود زمین نصب شده). این یک اشتباه رایج است که کوبیدن عمیق‌تر الکترودهای کمکی باعث کاهش مقدار مقاومت خوانده شده الکترود زمین می‌شود. تصور کنید که هنگام کوبیدن پراب‌ها، مقدار مقاومت ثبت شده توسط ارت تستر تغییر می‌کند. مقدار صحیح چقدر خواهد بود؟

درست است که مقاومت زمین تحت آزمایش با جابجایی پراب‌های کمکی تغییر می‌کند، اما ارت تسترهای استاندارد با این مسئله مقابله می‌کنند و امکان قرائت صحیح را فراهم می‌کنند.

تصویر 9: عمق کوبیدن پراب‌ها تاثیری در مقدار مقاومت خوانده شده ارت تستر ندارد

با توجه به ماهیت الکترودهای کمکی، عمیق‌تر کوبیدن آنها مهم نیست. پراب‌ها فقط باید حداقل مقدار تماس لازم با خاک را ایجاد کنند، که دستیابی به آن فقط با مشاهده شاخص‌های نمایشگر ارت تستر قابل تشخیص است. پس از دستیابی به تماس مطلوب، امکان تست صحیح فراهم می‌شود.

9- اندازه‌گیری‌های من اکثرا در محیط‌های شهری (با پوشش آسفالت و بتن) است. الکترودهای کمکی را چگونه بکوبم؟

خبر خوب این است که احتمالاً مجبور نیستید به زور آن را بکوبید! برخی از مدل‌های ارت تسترها در مدارهای آزمون داخلی خود دارای تحمل مقاومت زیاد تماسی هستند (به طور معمول 4 ، 40 و 400 کیلو اهم برای مدار جریان، 75 کیلو اهم برای ولتاژ). هرگونه تماس سطح با مقاومت کمتر از این آستانه‌‌های بالا کافی است.

کافیست به جای میله‌ها از صفحات مشبک فلزی استفاده کنیم و در محل این صفحات مقداری آب بریزیم. بتن جریان را نسبتاً خوب هدایت می‌کند و احتمال اینکه شما یک تست قابل قبول داشته باشید زیاد است. آسفالت به دلیل غیر رسانا بودن قیر هادی خوبی نیست، اما هنوز هم می‌توانید با این روش تماس لازم با خاک را داشته باشید.

تصویر 10: استفاده از صفحات مشبک فلزی و مرطوب کردن محل آن‌ها در محیط‌های شهری

در تسترهای حرفه‌ای چراغ‌های نشانگر موجود در تستر در صورت عدم تأمین آستانه تماس مجاز به شما هشدار می‌دهند.

10- هنگام انجام تست الکترود زمین چه نکات ایمنی را باید رعایت کنم؟

رعایت روش‌‌های ایمنی برق در هر صورتی مفید خواهد بود. در هر حال فرد توسط دستگاه ارت تستر دچار خطر نخواهد شد، چون ولتاژ بی‌باری دستگاه ارت تستر زیر 50 ولت است و جریانی که دستگاه تزریق می‌کند نیز مقدار بسیار کمی است.

از جانب ارت تستر مشکلی برای اپراتور پیش نمی‌آید و هنگام انجام عمل اندازه‌گیری باید نکات ایمنی رعایت شود.

از مهم‌ترین نکات ایمنی که قبل از اندازه‌گیری باید رعایت شود این است که حتما قبل از جداسازی الکترود زمین از سیستم، بررسی شود که هادی اتصال زمین حامل جریان بزرگی نباشد. در ضمن در روزهای بارانی که احتمال برخورد صاعقه وجود دارد از انجام اندازه‌گیری صرفنظر کنید و در نهایت همیشه از دستکش عایق و کفش کار مناسب استفاده کنید.

تصویر 11: تست الکترود زمین پست برق (رعایت ایمنی در این زمینه کاری باید در اولویت باشد)

11- به تازگی باران شدیدی باریده است. آیا این امر در نتیجه اندازه‌گیری من تأثیر می‌گذارد؟

قطعا بله. در مورد شرایط آب و هوایی کارهای کمی می‌توانید انجام دهید، جز اینکه از تأثیرات آن آگاه باشید و مطابق آن کار کنید. هدایت خاک بر اساس هدایت الکتریکی توسط یون‌های محلول در آب است، همانند باطری ماشین. هنگام بارندگی، رطوبت افزایش یافته نمک‌ها را در خاک حل می‌کند و باعث افزایش هدایت خاک می‌شود و در نتیجه مقاومت الکترود زمین کاهش می‌یابد.

تصویر 12: اثر رطوبت (منحنی a)، نمک (منحنی b) و دما (منحنی c) بر روی مقاومت ویژه خاک

متاسفانه بعضی از افراد قبل از تست الکترود زمین محل آن را آبیاری می‌کنند و بعضا در آن نیز نمک می‌ریزند تا هنگام تست آن مقاومت الکترود زمین کمتر از مقدار واقعی خود را نشان دهد و در بازرسی دوره‌ای دچار مشکل نشوند و مجبور به اصلاح الکترود زمین نگردند! به یاد داشته باشید، الکترود باید در بدترین شرایط خود وظیقه خود را انجام دهد، چون هر زمان ممکن است خطایی در سیستم رخ دهد و اینکار نوعی سهل انگاری غیر قابل بخشش می‌باشد.

اگر تمام شب باران باریده باشد و هنگام تست الکترود زمین متوجه شویم که به سختی توقعات مورد نیاز را برآورده می‌کند، قطعا هنگام تست آن در هوای گرم و خشک مقاومت آن بالاتر خواهد رفت و باید سیستم زمین اصلاح گردد.

12- الکترود زمین مورد نظر در خاک شنی (یا سنگی) نصب شده، برای تست آن چه کاری می‌توانم انجام دهم؟

روش‌های تست در این حالت تغییری نخواهد کرد، اما به احتمال زیاد نتایج خوشایند نخواهد بود. احداث الکترود زمین در خاک‌های شنی یا سنگلاخی بسیار دشوارتر از زمین‌های دیگر می‌باشد. شن و ماسه آب را به خوبی نگه نمی‌دارد و بنابراین رطوبت مورد نیاز برای انجام هدایت الکتریکی خاک به راحتی از بین می‌رود.
خاک‌های سنگی دارای قوام کلی ضعیف و فضای زیادی بین عناصر تشکیل دهنده‌ی آن هستند که منجر به کاهش سطح تماس با الکترود دفن شده خواهد شد. همه این شرایط به این معنی است که طراحی و نصب اصلی باید دقیق‌تر و اصولی‌تر از انواع خاک‌های دیگر باشد. اگر در ابتدای امر این کار انجام نشده باشد، به احتمال زیاد نتایج تست الکترود زمین ناخوشایند خواهد بود.

تصویر 13: در زمین‌های سنگلاخی و شنی زمین دارای مقاومت ویژه‌ی بالایی است

همانطور که اشاره شد روش‌های تست در این حالت تغییری نخواهد کرد، ولی ممکن است توصیه شود برای حصول نتیجه‌ی بهتر کارهای خاصی انجام شود. در زمین‌های سنگلاخی احتمالا لازم است که از الکترودهای کمکی مقاوم‌تر و و با طول بیشتر برای دستیابی به تماس کافی با خاک استفاده شود. نشانگرهای دستگاه ارت تستر اپراتور این مورد را ارزیابی می‌کند.

هر چه مقاومت ویژه‌ی خاک بالاتر رود حوزه‌ی مقاومتی الکترود زمین نیز بزرگتر خواهد بود.

و از آنجائیکه سیستم زمین در خاک‌های ضعیف معمولاً باید بزرگتر و با ظرافت بیشتری اجرا شوند، حوزه‌ی مقاومتی آن بسیار بزرگتر از الکترودهای ساده خواهد بود. بنابراین برای خارج شدن از حوزه‌ی مقاومتی الکترود زمین، به سیم‌های طولانی‌تر جهت اتصال به پراب‌ها احتیاج خواهید داشت؛ و در نهایت احتمالا مجبور شوید از روش شیب برای اندازه‌گیری استفاده کنید.