سیستم ارتینگ عمیق (Deep Earthing)

سیستم ارتینگ عمیق سیستمی است که در آن الکترود زمین فاقد هر گونه اتصالات اضافی می‌باشد. الکترود اصلی در این سیستم، سیم مسی می‌باشد که توسط لوله های آهنی (راد) به‌طول 85 سانتیمتر به داخل زمین هدایت می‌شوند. یک قطعه از این سیستم، موشکی می‌باشد که داری سر سخت و پیکانی شکل است. این قطعه توسط لوله‌های پیش رونده سیم مسی را قفل کرده و توسط نیروی چکش، سیم و لوله در کنار همدیگر با یک سرعت به‌داخل زمین هدایت می‌شوند. برای رسیدن الکترود به عمق بیشتر، از رادهای توسعه‌دهنده به‌طول 85 سانتیمتر استفاده می‌شود.

 در این سیستم در هر لحظه امکان قرائت مقاومت الکترود زمین می‌باشد و می‌توان عملیات پیشروی را تا زمانی انجام داد که به مقاومت مورد نظر رسید.

مزیت‌ها

• لازم نیست بر روی الکترود اصلی از اتصال جوشی یا کلمپی استفاده کنیم.
• موشکی و راد پیشرو سیمی به قطر 16 م‌م تا 95 م‌م را پشتیبانی می‌کنند.
• برای الکترود از انواع سیم‌ها مانند استاینلس استیل، مس و گالوانیزه می‌توان استفاده کرد.
• اگر از سیم مسی استفاده کنیم، رادها به‌عنوان آند از سیم مسی در برابر خوردگی محافظت می‌کنند.
• در هنگام کوبیدن سیم مسی، کنترل کاملی بر روی الکترود وجود دارد.
• در هنگام کوبیدن می‌توان به‌صورت لحظه‌ای مقدار مقاومت را رصد کرد.
• این نوع سیستم به‌دلیل داشتن اجزای کم، به صورت ساده اجرا می‌شود و درصد اطمینان بالایی داد.
• این نوع سیستم وزن کمی دارد.
• از نظر اقتصادی در مقایسه با بقیه سیستم‌ها ارزان‌تر است.

طراحی اصلی

سیستم ارتینگ عمیق مجموعه‌ایست که هیچ نقطه اتصال اضافی ندارد. الکترود زمین، سیم مسی است که توسط رادهایی به طول 85 سانتی‌متر در زمین کوبیده می‌شود. موشکی، سیم مسی را در راد پیشرو محکم نگه می‌دارد. به ازای هر راد توسعه‌دهنده‌ای که به الکترود متصل می‌شود، سیم مسی به‌اندازه 85 سانتی‌متر دیگر در خاک کوبیده می‌شود. کوبیدن تا وقتی در زمین ادامه پیدا می‌کند که مقدار مقاومت الکترود زمین به مقدار مطلوب برسد. راد توسعه‌دهنده آخر که قسمتی از آن بیرون خاک است، بیرون کشیده می‌شود و در پروژه دیگری می‌توان از آن استفاده کرد. معمولا کوبیدن راد توسط چکش برقی صورت می‌گیرد و یک چکش‌خور بین راد و چکش برقی قرار می‌گیرد.

طول عمر بالا

سیستم ارتینگ عمیق شامل راد و سیم مسی است. در این سیستم رادها به‌عنوان آند مانع خوردگی سیم مسی (کاتد) می‌شوند. درواقع راد فولادی خود را فدای سیم مسی می‌کند و به‌همین دلیل این سیستم طول عمر بالایی دارد.

این نوع ترکیب از فلزات، خاصیتی تثبیت‌کننده و خنثی کننده در خاک دارند. اگر در نزدیکی الکترود کابلی با روکش سرب وجود داشته باشد، جریان خوردگی به‌خاطر رادها 40% کمتر از سیستم‌های ارتینگ دیگر است. به عبارت دیگر با اجرای این نوع سیستم، کابل‌های دارای روکش سربی که در نزدیکی سیستم ارتینگ وجود دارند نیز دارای طول عمری دو برابر خواهند بود. تحقیقات نشان داده است که مقدار جریان خوردگی بعد از چند ماه عملا نزدیک به صفر خواهد شد. به این علت که یک لایه قطبی اطراف راد به‌وجود می‌آید. در این حالت جریان خوردگی کم شده و در نتیجه خوردگی کاهش پیدا می‌کند. میزان اثرگذاری این پدیده به خصوصیات خاک برمی‌گردد. یک مصرف کننده AC از نظر تئوری میزان خوردگی کمتری دارد و در این حالت طول عمر سیستم افزایش می‌یابد.   

طراحی و اجرای سیستم ارتینگ عمیق

سیستم ارتینگ عمیق شامل پنج بخش است:

1. موشکی (نوک فولادی)
2. راد پیشرو
3. راد توسعه‌دهنده
4. چکش‌خور
5. الکترود زمین (سیم مسی)

نحوه اجرا

سیم مسی توسط موشکی وارد زمین شده و نگه داشته می‌شود؛ رادهای توسعه‌دهنده توسط پین به راد پیشرو متصل می‌شوند تا سیستم ارتینگ یک ساختار پایدار داشته باشد. یکی از مزیت‌های این روش اجرا این است که مقدار مقاومت هنگام اجرا اندازه‌گیری می‌شود و با توجه به مقدار مقاومت مورد نیاز، به میزان لازم سیم مسی در زمین اجرا می‌شود.

شکل 1: اجزای ارتینگ عمیق

توصیه‌های عملی

• زمین منطقه مورد مطالعه قرار گرفته و با توجه به نوع خاک، سیستم ارتینگ طراحی شود.
• مقاومت ویژه خاک را به‌دست آورید و با توجه به آن می‌توانید میزان عمق الکترود را تخمین بزنید.
• موشکی را به سر سیم مسی متصل کنید. سپس راد پیشرو را وصل کنید. توجه شود که قبل از وصل کردن موشکی به سیم مسی، سیم مسی بهتر است تا زده شود و سپس داخل موشکی قرار داده شود. جهت کوبیدن رادها در خاک نرم، می‌توان از چکش دستی استفاده کرد ولی در خاک سفت، بهتر است از چکش برقی استفاده شود. دقت کنید که در هنگام استفاده از چکش برقی، موشکی به‌طور قائم در خاک کوبیده شود و به هیچ سمتی مایل نشود.

شکل2: متصل کردن سیم مسی به موشکی بوسیله راد پیشرو

• توجه کنید که سیم مسی و راد با سرعت یکسانی در خاک کوبیده شوند. اگر سرعت یکسانی ندارند، یکی از حالت‌های زیر رخ داده است:
  • مقدار راد بیشتری نسبت به طول سیم مسی مورد نیاز است: در این حالت راد در داخل خاک مایل شده ولی سیم مسی از مسیر کوتاه‌تری در زمین پایین می‌رود.
  • راد پایین می‌رود ولی سیم پایین نمی‌رود: اتصال سیم مسی و راد به‌طور کامل قطع شده است یا اینکه رادها خم شده باشند و باید کوبیدن متوقف شود.
  • راد و سیم مسی هیچ‌کدام پایین نمی‌روند: احتمالا راد به صخره یا سنگ بزرگی برخورد کرده است. کوبیدن را به مدت 10 ثانیه ادامه دهید و اگر باز هم پایین نرفت، مکان الکترود را تغییر دهید.

شکل 3: کوبیدن رادها همراه با سیم مسی در خاک

• اگر احتیاج به یک الکترود دیگر هست، فاصله دو الکترود از هم باید 1.5 برابر طول الکترودها باشد.
• در هنگام کوبیدن الکترود، به صورت لحظه‌ای مقدار مقاومت را اندازه‌گیری کنید. اگر چند الکترود موازی دارید، آن‌ها را به هم متصل کرده و سپس مقاومت را اندازه بگیرید.

شکل 4: اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین هنگام کوبیدن

اطلاعات عمومی مرتبط با سیستم ارتینگ عمیق

سیستم ارتینگ

سیستم ارتینگ یک هادی است که با هدف تخلیه جریان خطای الکتریکی یک تاسیسات، در خاک قرار می‌گیرد. وقتی یک فرد درخواست استفاده از برق را دارد، انتظار می‌رود که سیستم ارتینگ خوبی داشته باشد! در واقع اگر سیستم ارتینگ این مشترک به روش بدی اجرا شده باشد، استفاده از تاسیسات برقی احتمال خطر زیادی را برایش دارد. کلیه شرکت‌های تامین‌کننده برق باید در تاسیسات خود الکترودهای استانداردی داشته باشند، تا هنگامی که اضافه ولتاژهای گذرا رخ می‌دهند (عموما توسط صاعقه و سویچینگ شبکه بوجود می‌آیند)، به طرف زمین هدایت شوند و باعث خسارات جانی و مالی نشوند. سیستم ارتینگ باعث حفاظت جانی، حفاظت از تجهیزات، حفاظت در برابر امواج الکترومغناطیسی و امثال آن‌ها می‌شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر در مورد دلایل اجرای سیستم اتصال زمین، می‌توانید مقاله "مزایای سیستم ارتینگ برای شبکه برق" را مطالعه بفرمایید.

سیستم ارتینگ استاندارد باید: 1) مقاومت الکتریکی پایینی داشته باشد، 2) در تمام فصول پتانسیل زمین را به‌طور مناسب در دسترس قرار دهد، 3) و دارای طول عمر بالایی باشد. به عنوان مثال در برابر خوردگی مقاوم باشد.  

شکل 5: مقاومت ویژه خاک‌های مختلف

وضعیت خاک

رسانایی خاک اهمیت زیادی دارد. با توجه به ویژگی‌های روش‌های مختلف اجرای الکترود در خاک، روش ارتینگ عمیق چه از نظر اقتصادی و چه از نظر فنی مزیت‌های زیادی بر دیگر روش‌ها دارد. رسانایی خاک به علت وجود فرآیند الکترولیتی در خاک است که تحت عنوان هدایت یون شناخته می‌شود. ذرات موجود در خاک مانند شن و ماسه، معمولا نارسانا هستند. از این رو توانایی رسانایی خاک به نسبت آب شور (بدلیل دارا بودن یون) موجود در خاک وابسته است که از طریق نیروهای مویینگی و فشار اسمزی، در فضاهای خالی بین ماسه و ذرات ریز و درشت خاک، پخش می‌شود. آبی که در لایه‌های پایینی خاک وجود دارد، معمولا دارای نمک بیشتری نسبت به آب لایه‌های بالایی خاک است. همچنین در مورد رطوبت هم معمولا چنین قاعده‌ای صدق می‌کند.

شکل 6: مقاومت ویژه خاک به نسبت میزان رطوبت

هر چه میزان رطوبت خاک بیشتر باشد، رسانایی خاک بیشتر است. به‌طور معمول میزان رطوبت خاک بین 5% تا 40% است. اگر میزان رطوبت خاک از 18% کمتر باشد، توانایی رسانایی خاک پایین می‌آید. همچنین یخ‌زدگی میزان رسانایی را پایین می‌آورد. هنگام طراحی سیستم ارتینگ بهتر است تمامی موارد بالا در نظر گرفته شود. تغییرات فصلی تاثیر زیادی بر روی لایه‌های بالایی خاک دارد و رسانایی این لایه‌ها بسیار متغیر است. بهترین طراحی در سیستم ارتینگ زمانی به‌دست می‌آید که الکترود اجرایی به اندازه کافی در خاک کوبیده شود تا تحت تاثیر این عوامل (میزان رطوبت و دمای خاک) نباشد.

شکل 7: تغییرات مقاومت ویژه خاک با توجه به دما

مقاومت ویژه

می‌توان کیفیت خاصیت الکتریکی یک خاک را با مقاومت ویژه بیان کرد که واحد آن اهم‌متر است. بنابراین اگر یک نوع خاک، مقاومت ویژه پایینی داشته باشد (تا 100 اهم‌متر)، رسانایی بالایی دارد. توصیه می‌شود جهت اجرای سیستم اتصال زمین برای هر نوع خاک، مقاومت ویژه اندازه گرفته شود و در صورت امکان این کار در زمان‌های مختلف سال و در شرایط آب و هوایی متفاوت انجام شود. امروزه معمولا برای اندازه‌گیری مقاومت ویژه زمین، روش ونر به‌کار گرفته می‌شود که با استفاده از چهار میله (دو میله جریان و دو میله ولتاژ) انجام می‌گیرد. فاصله میله‌ها باید برابر a در نظر گرفته شود و هر یک از میله‌ها به اندازه 30 سانتی‌متر تا 50 سانتی‌متر متر در زمین کوبیده شوند؛ مقدار مقاومت ویژه خاک از طریق فرمول زیر محاسبه می‌شود: 

ρ = 2 × a × R   Ωm

خاک‌هایی که چندلایه نباشند، مقدار مقاومت ویژه مستقل از a (فاصله بین میله‌ها) است. اما در خاک‌هایی که دارای لایه‌های مختلف هستند، با افزایش فاصله بین میله‌ها، جریان تست از لایه‌های پایین‌تر خاک عبور می‌کند و مقدار اندازه‌گیری بسته به نوع خاک و مقاومت ویژه خاک در عمق l، افزایش یا کاهش می‌یابد. پس برای اینکه از مقدار مقاومت ویژه اندازه‌گیری شده مطمئن شویم، میله‌ها را به فاصله a = 0.75 × l از هم در زمین می‌کوبیم و مانند شکل زیر اندازه‌گیری را انجام می‌دهیم:

شکل 8: اندازه‌گیری مقاومت ویژه زمین

مقاومت سیستم ارتینگ

به علت مقاومت ذاتی بالایی که خاک دارد (10⁹ برابر مقاومت ویژه فلزات)، با عبور جریان از الکترود زمین، گرادیان ولتاژ در اطراف الکترود زمین به‌وجود می‌آید، که با بیشتر شدن فاصله از الکترود، گرادیان ولتاژ کاهش می‌یابد؛ و از فاصله‌ای فراتر نسبت به الکترود (که این فاصله معمولا برابر طول بزرگترین بعد الکترود است)، می‌توان از این گرادیان چشم‌پوشی کرد. از همان تجهیزاتی که برای اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک به‌کار گرفته می‌شود، می‌توان برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین استفاده کرد. برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین، یک میله ولتاژ و یک میله جریان کافی است. در روش‌های مختلف برای اندازه‌گیری مقاومت، فاصله میله‌ها از الکترود نیز متفاوت است. در زیر دو روش برای اندازه‌گیری مقاومت شرح داده شده است که روش اول خیلی دقیق مقدار مقاومت را به‌دست می‌دهد ولی روش دوم ساده‌تر است.

خرید ملزومات Deep Earthing

روش اول (براساس استاندارد سوئدی SS 487 0110: حفاظت روشنایی): دقت خطا در این روش به اندازه %2±  است. میله ولتاژ و میله جریان باید در یک راستا قرار گیرند. قابلیت اطمینان از مقدار مقاومت به‌دست آمده در این روش بستگی به موقعیت میله‌های ولتاژ و جریان دارد. در این روش اگر شرایط زیر در هنگام اندازه‌گیری در نظر گرفته شود، می‌توان از مقدار مقاومت به‌دست آمده مطمئن بود:  

- فاصله میله جریان از الکترود = a

- فاصله میله ولتاژ از الکترود = 0.5a تا 0.6a 

- اگر l≤4 متر آنگاه a≥40 متر و اگر l>4 متر آنگاه a≥10×l.

شکل 9: اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین به روش اول

روش دوم: در این روش معمولا میزان خطا از دو درصد بیشتر است؛ ولی از نظر عملی ساده‌تر از روش اول است. خلاصه این روش به شرح زیر است:

•  در این روش میله‌های ولتاژ و جریان باید زاویه‌ای قائم نسبت به الکترود داشته‌ باشند (مانند شکل 8).
• جهت اندازه‌گیری مقاومت تک الکترود و یا سیستم زمین، میله‌های ولتاژ و جریان حداقل 80 متر از الکترود فاصله داشته باشند. 
• برای اندازه‌گیری مقدار مقاومت سیستم ارتینگ، نیازی به استفاده از کلمپ نیست مگر اینکه بخواهیم مقاومت یک الکترود از شبکه زمین را به‌دست بیاوریم.
•  اگر سیستم ارتینگ به صورت چند الکترود موازی اجرا شده باشد، موقعیت میله‌های ولتاژ و جریان به همان صورت است و در صورت استفاده از کلمپ جهت اندازه‌گیری، کلمپ بر روی هادی اتصال زمین قرار می‌گیرد. 

شکل 10: اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین به روش دوم

با توجه به طراحی سیستم ارتینگ و مقدار مقاومت مورد نیاز، و در صورت بدست آوردن مقاومت ویژه خاک، می‌توان از فرمول زیر برای تخمین زدن طول سیم موردنیاز استفاده کرد:

l = ρ / R

l: طول الکترود در خاک

ρ: مقاومت ویژه خاک

R: مقاومت الکترود

یکی دیگر از مزیت‌هایی که ارتینگ عمیق نسبت به الکترود افقی دارد این است که مقدار مقاومت به دست آمده در سیستم ارتینگ عمیق، نصف مقدار الکترود افقی است. مقدار مقاومت الکترود افقی از فرمول زیر محاسبه می‌شود:

R = 2 × ρ / l

در بعضی از پروژه‌ها برای رسیدن به مقدار مقاومت مطلوب و همچنین محدودیت‌هایی که در هنگام اجرا با آن‌ها روبه‌رو می‌شویم، لازم است چند الکترود اجرا کرده و آنها را به صورت موازی به هم متصل کرد. برای اینکه الکترودهای اجرا شده به روش ارتینگ عمیق، نسبت به هم کمترین تاثیرگذاری را داشته باشند (حوزه مقاومتی الکترودها تداخلی با هم نداشته باشند)، حتما فاصله الکترودها نسبت به هم 1.5 برابر طول الکترودها (l) باشد. و مقدار مقاومت این نوع سیستم برابر است با:

R_RES = k × R_m

که R_m مقدار مقاومت تک الکترود است. مقدار k هم از جدول زیر به‌دست می‌آید:

برق‌یار مشاور شما در موضوع سیستم‌های ارتینگ

از نظر اقتصادی، ارتینگ عمیق نیز به صرفه‌تر است چون میزان مواد مصرفی به‌کار رفته در این نوع اجرا خیلی کمتر از دیگر روش‌هاست. 

شکل 11: اتصالات موازی

خوردگی

عمر یک سیستم ارتینگ بستگی به مقاومت الکترود آن در برابر خوردگی دارد. خوردگی به این صورت است که الکترولیت موجود در خاک این امکان را فراهم می‌کند که یون‌های فلزات از آند به کاتد حرکت کنند. در آند، اتم‌های فلزی در الکترولیت خاک حل شده و یون‌های مثبت ساخته می‌شوند (اکسیداسیون) و در کاتد این یون‌ها خنثی شده و بر روی فلز قرار می‌گیرند. در خوردگی گالوانیکی، که بر اثر اتصال دو فلز به یکدیگر به‌وجود می‌آید، سرعت خوردگی بستگی به اختلاف ولتاژ این دو فلز دارد. فلزی که به عنوان فلز نجیب شناخته نمی‌شود، پتانسیل الکتروشیمیایی بالاتری نسبت به فلز نجیب دارد و به‌همین خاطر فلزی که نقش آند را ایفا می‌کند، خورده می‌شود. همچنین ارتباط مستقیمی بین میزان خوردگی و مقاومت ویژه خاک وجود دارد. سرعت خوردگی بستگی به ترکیبات خاک دارد. از فاکتورهای تاثیرگذار می‌توان میزان ph خاک، دما، میزان اکسید خاک، میزان رطوبت خاک و مقاومت ویژه را نام برد. این فاکتورها بر روی سرعت خوردگی تاثیر دارند. I_C را می‌توان با آمپرمتر به‌دست آورد یا از فرمول زیر محاسبه کرد:

I_C = U_g / R_C

U_g: ولتاژ گالوانیکی   

R_C: مقاومت بین دو فلز (بین دو الکترود)

در بعضی موارد می‌توان R_C را با همان تجهیزاتی که مقاومت الکترود زمین را اندازه‌گیری می‌کنیم، بدست بیاوریم. واحد سرعت خوردگی اغلب µm/year در نظر گرفته می‌شود که میزان خوردگی لایه بیرونی فلز را در یک سال مشخص می‌کند. جدول زیر میزان خوردگی را بر اساس مقاومت ویژه خاک نشان می‌دهد. 

منبع: ELPRESS Company