مقاومت الکترود زمین

نوشته شده توسط الیکا الکتریک 1397/08/09 13:11:36 0 نظرات مطالب برقی,

 

مفهوم مقاومت الکترود زمین چیست؟

   زمانی که الکترود در خاک قرار می گیرد و از آن جریانی عبور می کند، خاک اطراف الکترود، جریان را از خود عبور می دهد و در اصل مقاومتی که اندازه گیری می شود، مقاومت توده خاک اطراف الکترود است. بنابراین مقاومت الکترود، مقاومت خاک چسبیده به الکترود زمین است تا بی نهایت؛ بر خلاف تصور بسیاری، این نادرست است که مقاومت مذکور برابر با مقاومت خود الکترود زمین در نظر گرفته شود. الکترود یک فلز است و مقاومت آن بسیار پایین است و در خاک نیز مقاومت آن تغییری نمی کند.

   اگر خاک همگن باشد، گرادیان ولتاژ حول آن شبیه لایه های نیم کروی شکل است، که هر نیم کره یک مقاومت و هر مقاومت آن متشکل از مقاومت های موازی فرض می شود. با بزرگتر شدن طول شعاع نیم کره، تعداد این مقاومت های موازی بیشتر شده و لذا مقاومت کوچکتر می شود. تا جایی که در بی نهایت مقدار Rn به سمت صفر میل می کند. بنابراین هر چه از الکترود دور شویم تأثیر خاک اطراف آن کمتر می شود. به دلیل گفته شده، توجه به خاک اطراف الکترود در کاهش مقاومت الکترود زمین نقش اساسی دارد.

 

عوامل کاهش مقاومت الکترود زمین

   کاهش مقاومت الکترود زمین به دو عامل اساسی زیر بستگی دارد:

1. اندازه و شکل الکترود زمین

2. مقاومت خاک منطقه که خود بستگی به عوامل زیر دارد:

الف) املاح خاک (ترکیب شیمیایی نمک های فلزی قابل حل در آب)

ب) درصد رطوبت خاک

ج) دمای خاک

د) اندازه دانه ها و توزیع دانه در خاک (دانه بندی خاک)

ه) تراکم خاک و فشار وارد بر آن

 

اندازه و شکل الکترود زمین

   شکل الکترود زمین در مقاومت آن موثر است. هرچه سطح تماس الکترود بیشتر باشد، بدلیل بزرگتر شدن حوزه مقاومتی اطراف آن، تعداد مقاومت های موازی بیشتر می شود و مقاومت الکترود زمین کاهش می یابد.

 

مقاومت خاک منطقه

   پیچیدگی سیستم اتصال زمین، عمدتاً تحت الشعاع مقاومت مخصوص خاک زمینی که سیستم اتصال زمین در آن اجرا می گردد، اتفاق می افتد. مقاومت خاک مخصوص به نوع خاک، لایه بندی، ساختار دانه بندی، رطوبت خاک و تغییرات فصلی بستگی دارد.

 

املاح خاک

   هدایت الکتریکی خاک، در گرو میزان املاح هادی موجود در محلول خاک می باشد و محلول ها بسته به غلظت نمک های فلزی موجود در آن، نسبت به عبور جریان الکتریکی از خود مقاومت نشان می دهند. هرچه غلظت این نمک ها بیشتر باشد، مقاومت مخصوص کمتر و هدایت الکتریکی بیشتر می شود. خاک ها از نظر درصد املاحشان با هم تفاوت دارند، بنابراین هدایت الکتریکی آنها متفاوت است.

 

رطوبت خاک

   هدایت الکتریسته در خاک ماهیت شیمیایی دارد و جریان توسط حرکت و جابه جایی یون ها ایجاد می شود. یک یون، کل اتم را شامل می شود و اتم های مواد جامد قادر به جابه جایی نیستند. پس خاک در حالت جامد قادر به هدایت جریان برق نیست، ولی هنگامی که مقداری آب جذب کند املاح خاک در این رطوبت حل و یونیزه شده و هدایت الکتریکی را بر عهده می گیرند. لذا هدایت الکتریکی با افزایش املاح و آب، افزایش می یابد. ولی هنگامی که مقدار این رطوبت بسیار زیاد شود، میزان هدایت کاهش خواهد یافت. زیرا آب و رطوبت بسیار زیاد موجود در خاک، بتدریج و به مرور زمان، املاح و حتی دانه های ریز را جابه جا می کند. در نتیجه هدایت خاک به دلیل فقر املاح، کم می شود. بنابراین رطوبت در حدود 15 الی 20 درصد برای هدایت الکتریکی خاک کافی است. خاک های سطحی یا زیرزمینی که به طور دائم در معرض رطوبت فراوان قرار دارند (مانند بستر جوی ها و رودخانه ها) دارای هدایت کمی هستند.

 

دمای خاک

   با افزایش درجه حرارت از صفر درجه، هدایت افزایش می یابد به طوری که با افزایش یک درجه سانتیگراد، هدایت الکتریکی تقریباً دو درصد افزایش می یابد. در خاک های خشک یا یخ زده به دلیل جابه جا نشدن یون ها مقاومت خاک بالا است. در زمان اجرای الکترود باید با در نظر گرفتن آب و هوای منطقه به عمق موثر آن توجه لازم شود تا امکان یخ زدن سطح خاک در زمستان و خشک شدن آن در تابستان وجود نداشته باشد.

 

اندازه دانه ها و توزیع دانه در خاک (دانه بندی خاک)

   دانه بندی خاک در هدایت الکتریکی خاک موثر است. خاک از دانه هایی با اندازه های مختلف تشکیل شده است. هر چه دانه های خاک درشت تر باشند، فاصله های خالی بیشتری بین آنها به وجود می آید و چون هوا، عایق مقاومت الکتریکی خاک افزایش می یابد. هرچه دانه بندی خاک ریزتر باشد سطح موثر ارتباط دانه های آن با هم بیشتر می شود، بنابراین مقاومت مخصوص خاک کاهش و هدایت الکتریکی افزایش می یابد.

 

تراکم خاک و فشار وارد بر آن

   دانه بندی خاک، در خاک های دست نخورده، به هم فشرده تر است. فشردگی خاک به معنی چسبیدن بیشتر ذرات به یکدیگر و ایجاد مسیر بهتر برای هدایت می باشد. در حالیکه در خاک های دستی فاصله بین دانه های خاک زیادتر است و در نتیجه سطح موثر آنها با هم، کاهش و مقاومت خاک افزایش می یابد. بنابراین اجرای سیستم اتصال زمین، در زمین دست نخورده بسیار حائز اهمیت است. به همین دلیل است که در هنگام نصب الکترود میله ای آن را مستقیماً باید از سطح خاک کوبید و حفر چاه برای آن غلط است. در هنگام اجرای الکترودهایی همچون تسمه ای و صفحه ای هم که چاره ای جز حفاری نیست باید الکترولیت اطرف الکترود به خوبی کوبیده و متراکم شود.

 

 

                                                                                         جدول 1. مقاومت خاک بر حسب نوع خاک

 

نوع خاک

مقاومت خاک (اهم متر)

زمین باتلاقی

5 تا 40

گل و خاک رس

20 تا 200

ماسه

200 تا 2500

سنگ ریزه

2000 تا 3000

خرده سنگ

کمتر از 1000

شن

2000 تا 3000

گرانیت

50000

زمین سنگلاخ

30000

 

 

لازم بذکر است که این جداول صرفاً جهت مقایسه و اطلاع عمومی است و این اعداد نه در طراحی و نه در نظارت نباید به کار رود و حتماً در صورت لزوم باید اندازه گیری انجام گردد.

 

چگونگی کاهش مقاومت خاک توسط مواد کوبنده

اغلب خاک، به خودی خود برای اجرای یک سیستم زمین خوب جوابگو نیست و باید خواص الکتریکی آن، با استفاده از مواد مناسبی تقویت شود. این مواد الکترولیت، بکفیل یا مواد کاهنده نامیده می شوند. مواد کاهش دهنده مقاومت زمین، دارای مقاومت مخصوص بسیار کمی می باشند. با ریختن این مواد اطراف الکترود، بدلیل چسبندگی بیشتر آنها نسبت به خاک محل سطح تماس افزایش می یابد و به علت مقاومت مخصوص کم و سطح تماس بیشتر، مقاومت الکترود کاهش می یابد. همچنین تأثیر عمل آوری خاک به روش های شیمیایی در کاهش تغییرات فصلی مقاومت الکترود موثر است.

 

انواع الکترولیت

الکترولیت های رایج عبارتند از:

1. الکترولیت های پایه رسی (مانند بنتونیت)

2. الکترولیت های پایه بتونی (مانند مارکونیت و GEM)

3. الکترولیت های پایه پلیمری (مانند Anhydrous)

4. الکترولیت های نمک و ذغال (منسوخ شده)

 

الکترولیت های پایه رسی

بنتونیت

این ماده نوعی خاک رس است و در دو نوع بنتونیت سدیم و بنتونیت کلسیم وجود دارد. بنتونیت سدیم رس به رنگ قهوه ای زیتونی کم رنگی است و در سیستم اتصال زمین استفاده می شود. در حال حاضر استفاده از آن، در زمین های خشک و زمین های سنگی و سنگلاخی توصیه می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است.

1. مقاومت ویژه بنتونیت به دلیل جاذب رطوبت بودن، داشتن املاح موجود در خاک و ریزدانه بودن بسیار پایین است و در حدود 3 تا 5 اهم متر می باشد. مقاومت بنتونیت سدیم در 300 درصد رطوبت (وزن آب به وزن بنتونیت) گاهی به حدود 2.5 اهم متر می رسد که به دلیل تشکیل الکترولیت ناشی از افزودن آب است.

2. ماده ای طبیعی و کمی قلیایی (PH حدود 8 تا 8.5) می باشد.

3. قابلیت جذب آب تا 5 برابر وزن اولیه و افزایش حجم تا 13 برابر حجم خشک اولیه را دارد. همچنین این ماده وقتی با آب مخلوط می گردد به صورت لزج و غلیظ درآمده و نه تنها شکل خود را نگه می دارد بلکه در صورت تماس با هر سطحی به آن می چسبد و در نتیجه می تواند هم مشکل تراکم خاک و هم چسبندگی و اتصال لازم را حل کند.

4. به لحاظ فراوانی و قیمت مناسب بنتونیت سدیم، استفاده از این ماده جهت ایجاد اتصال زمین به عنوان یک روش موثر و نوین متداول تر شده است.

5. فاقد خاصیت خورندگی بوده و خواص آن برای سالیان متمادی ثابت می ماند.

6. آبی که به صورت شیمیایی در بنتونیت نگهداری می شود اجازه می دهد تا اکسید کلسیم (CaO)، اکسید منیزیم (MgO) و دیگر نمک های معدنی موجود در آن یونیزه شده و با PH حدود 8 تا 8.5 تشکیل یک الکترولیت خوب را بدهد.

 

 

                                                                                                               

                                                                                                    بنتونیت                                                                                        

 

توجه شود در این دوغاب، بنتونیت باید به نسبت یک به سه با آب ترکیب شود. اگر بیش از حد به آن آب اضافه شود؛ پس از زمانی کوتاه و با از دست رفتن رطوبت اضافه، شاهد کاهش یافتن حجم الکترولیت و در نتیجه ترک خوردن توده بنتونیت و سرانجام افزایش مقاومت سیستم اتصال زمین خواهیم بود.

در بازار گاهی عنوان بنتونیت اکتیو شنیده می شود. آنچه به این نام خوانده شده در واقع بعد از انجام دادن 1700-1800 درجه حرارت برای خشک کردن و اضافه کردن 5 درصد کربنات سدیم حاصل می شود.

 

مزایای استفاده از بنتونیت اکتیو نسبت به ذغال و نمک

1. به دلیل خاصیت خورندگی بسیار بالای نمک، پس از مدت کوتاهی الکترودها و اتصالات مربوطه به طور کامل از بین رفته و باید با صرف هزینه های اضافی، اقدام به تعویض الکترودها شود.

2. بر اثر بارندگی های سالیانه، پس از مدتی نمک شسته شده و به لایه های زیرین زمین منتقل می شود و مقاومت زمین مجدداً افزایش می یابد. ضمناً تأثیر نامناسبی بر سفره های آب زیرزمینی نیز دارد.

3. بنتونیت فاقد مواد شیمیایی خطرناک بوده و با محیط زیست کاملاً سازگار می باشد.

4. به دلیل خاصیت جذب آب بالای بنتونیت، تا مدت طولانی رطوبت را در خود نگه می دارد. از این رو، برای زمین های خشک و کویری بسیار مناسب است.

5. استفاده از بنتونیت از نظر اقتصادی بسیار مقرون به صرفه است زیرا علاوه بر قیمت پایین و کیفیت مناسب، حجم و عمق شبکه سیستم اتصال زمین را کاهش می دهد.

6. خاصیت تبادل یونی در بنتونیت زیاد است.

7. نتایج حاصله از اندازه گیری های مستمر نشان می دهد، مقاومت الکترود زمین در سیستم های اتصال زمین اجرایی با خاک بنتونیت در مقایسه با مخلوط سنتی خاک رس، زغال و نمک در زمین های رسی به میزان 65 درصد، در خاک های سنتی به میزان 68 درصد، در زمین های سنگلاخی به میزان 88 درصد و در مناطق سنگی به میزان 95 درصد کمتر بوده و مقاومت کلیه زمین های نصب شده با بنتونیت و الکترود صفحه ای کمتر از 4 اهم می باشد.

 

الکترولیت های پایه بتونی

بتن

بتن، مخلوطی از شن، ماسه، سیمان و آب است. مقاومت مخصوص آن تقریباً بین 30 تا 90 اهم متر است. این مقاومت مخصوص، متعلق به بتن معمولی است. در بتن هادی، به همراه شن معمولی از دانه های ذغالی استفاده می شود.

 

GEM

ماده ای بتنی و کربن دار است که برای سیستم های اتصال زمین استفاده می شود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. پس از سفت شدن قابلیت حل شدن ان در آب بسیار ناچیز است.

2. مقاومت مخصوص این ماده 0.12  تا 0.18 اهم متر است.

3. دارای نقطه ذوب 3500 درجه سانتیگراد است.

4. پودر بی بو و خاکستری رنگی است.

5. تجزیه نمی شود و بر اثر مرور زمان فرسایش نمی یابد.

 

لوم (LOM)

یکی از روش های کاهش مقاومت زمین استفاده از لوم می باشد. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. خاصیت جذب رطوبت تا چندین برابر بنتونیت دارد.

2. به دلیل داشتن نمک های خنثی اثر خورندگی بر روی الکترود میله ای وجود ندارد.

3. به دلیل وجود نمک های خنثی در آن، شرایط الکترولیتی و یونی مناسبی دارد.

 

مارکونیت

مارکونیت ذاتاً یک بتن رسانا با ترکیبات کربن دار است. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. بلوری شکل می باشد و حاوی مقدار کمی سولفور و کلرید است.

2. در هنگام ترکیب مارکونیت با بتن، مقاومت مخصوص آن به 0.1 اهم متر می رسد.

3. زمانی که به صورت خمیری باشد، کمی باعث خوردگی فلزات آهن و مس می شود ولی هنگامی که سفت می شود نه تنها خوردگی متوقف می گردد بلکه به عنوان یک لایه محافظ، از الکترود زمین در مقابل مواد شیمیایی دیگر محافظت می کند.

4. رطوبت خود را به راحتی و در شرایط آب و هوایی خشک حفظ می کند.

5. عمر این ماده بیش از 20 سال می باشد.

 

سیمان هادی

مشخصات شیمیایی و فیزیکی این ماده به شرح زیر است:

1. خاصیت جذب رطوبت تا چندین برابر بنتونیت را دارد.

2. 0.98 درصد کربن ترکیب شده با سیمان است.

 

الکترولیت های پایه پلیمری

یکی از جدیدترین روش های کاهش مقاومت الکترود زمین، استفاده از پلیمرهای جاذب رطوبت می باشد. پلیمرها در دو نوع مصنوعی و طبیعی موجود می باشند و هرچه در برابر فعالیت های میکروارگانیمی موجود در آب از خود مقاومت بیشتری نشان دهند برای سیستم زمین مناسب ترند. از پلیمرهای پرکاربرد می توان به Anhydrous – maliec – acid اشاره نمود. مشخصات شیمیایی و فیزیکی این مواد به شرح زیر است:

1. به شرایط آب و هوایی و درجه حرارت جوی و محیطی وابستگی کمی دارند.

2. جاذب رطوبت اند.

3. خاصیت خوردگی ندارند.

4. در ترکیب با آب،حالت ژله ای به خود می گیرند و نمی توانند تکیه گاه مستحکمی برای الکترود باشند. بنابراین، برای استحکام بخشیدن به پلیمر ان را با یک اندود پلاستیکی مخلوط می کند.

 

 

 

 

ارسال نظر