مقایسه بین الکترود زمین

چه نوع الکترودهایی برای اتصال به زمین وجود دارد؟


در مقاله پیش رو به بررسی انواع الکترود زمین می پردازیم و در انتها جدول مقایسه انواع مختلف الکترود زمین در مقابل برخی از ویژگی های مهم برای انتخاب الکترود مناسب آورده خواهد شد.

اتصال زمین به عنوان فرآیندی تعریف می شود که در آن اتصال الکتریکی یک شی ء فلزی به زمین توسط یک سیستم الکترود زمین، برقرار می شود. مطابق با نیازمندی استاندارد الکتریکی ملی آمریکا، الکترودهای اتصال به زمین باید تحت آزمایش قرار گیرند تا تضمین شود مقاومت آن‌ها در برابر زمین کمتر از ۲۵ اهم باشد. توجه داشته باشید که الکترودهای آلومینیومی برای استفاده در فرآیند اتصال به زمین مجاز نیستند. 

میله هدایت شده (به زمین)

میله هدایت شده (تک میله) استاندارد یا میله مس اندود از فولادی با طول ۸ تا ۱۰ فوت (حدود ۲.۵ تا ۳ متر) و پوشش ۵ تا ۱۰ میل (۱.۲۷ تا ۲.۵۴ میکرون) از پوشش مس تشکیل شده است. این میله به عنوان رایج ترین وسیله اتصال به زمین شناخته می شود. میله هدایت شده از اوایل شروع کاربرد الکتریسیته مورد کاربرد قرار گرفته است، به طوری که تاریخ آن حتی به زمان بنجامین فرانکلین¹ می رسد

 

میله هدایت شده (به زمین)

میله هدایت شده (به زمین)

معمولاً هزینه میله های هدایت شده بالا نیست، اما سادگی نصب آن‌ها به نوع خاک و زمینی وابسته است که بر روی آن نصب می شوند. معمولاً فولاد استفاده شده در تولید یک میله استاندارد نسبتاً نرم است. ممکن است در دو سر میله رشد اندازه میله را به شکل قارچ گونه مشاهده کنیم، به خاطر اینکه زمانی به میله نیرو وارد می شود و آن را به درون زمین هدایت می کنیم، با سنگ و صخره برخورد خواهد کرد. زمین های پر صخره مشکلاتی مانند رشد قارچ گونه سر میله را ایجاد می کنند، هدایت کردن میله ها به درون زمین دشوار خواهد شد.

از آنجا که میله های هدایت شده دارای طولی بین ۸ تا ۱۰ فوت (حدود ۲.۵ تا ۳ متر) هستند، معمولاً نردبانی برای دسترسی به بالای میله مورد استفاده قرار می گیرد که می‌تواند یک مشکل ایمنی به وجود آورد. در بسیاری از مواقع سقوط هایی برای افرادی رخ داده است که سعی کرده بودند این میله ها را از روی یک نردبان به درون زمین هدایت کنند.

 

کد الکتریکی ملی (NEC) مشخص کرده است که میله ها باید حداقل دارای طول ۸ فوت (حدود ۲.۵ متر) باشند و این ۸ فوت (حدود ۲.۵ متر) باید به طور مستقیم با خاک در ارتباط باشد. به طور معمول پیش از آنکه میله نصب شود، از یک بیل به منظور کندن زمین به میزان ۱۸ اینچ (حدود ۴۶ سانتی متر) استفاده می شود. بیشتر میله های استفاده شده توسط پیمانکاران صنعتی و تجاری دارای طول ۸ فوت (حدود ۲.۵ متر) هستند. در بسیاری از نمونه های صنعتی این مقدار به عنوان حداقل در نظر گرفته شده است.

 

یکی از سوء برداشت های رایج آن است که پوشش مسی بر روی یک میله استاندارد به دلایل الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد. اگرچه مس قطعاً یک ماده هدایت کننده است، اما هدف اصلی استفاده از آن فراهم کردن محافظت در مقابل فرسایش فولاد زیر است. دلیل اصلی بسیاری از مشکلات فرسایشی آن است که مس همیشه بهترین گزینه برای محافظت کردن میله نیست. توجه داشته باشید میله های گالوانیزه به منظور حل کردن نگرانی های مرتبط با قدرت محافظتی مس در مقابل فرسایش توسعه پیدا کرده اند و در بسیاری از موارد گزینه بهتری برای بالا بردن طول عمر میله اتصال به زمین و سیستم های مربوطه محسوب می شوند. به طور کلی، میله های گالوانیزه در همه محیط ها به استثنای محیط هایی با نمک بالا، به عنوان گزینه بهتری در نظر گرفته می شوند.

 

یکی از معایب دیگر میله های مس اندود آن است که مس و فولاد دو ماده غیر مشابه هستند. زمانی که یک جریان الکتریکی وارد می کنیم، الکترولیز رخ خواهد داد علاوه براین، وارد کردن میله به درون خاک می‌تواند به پوشش مسی آسیب رسانده و عناصر فاسد کننده در خاک می توانند به فولاد لخت آسیب رسانده و در نتیجه عمرمتوسط میله کاهش پیدا خواهد کرد. محیط، بالا رفتن عمر، دما و رطوبت نیز به سادگی بر روی میله ها تأثیر گذاشته و به طور متوسط طول عمری تا ۱۵ سال در شرایط خاک مناسب برای آن‌ها فراهم می کنند. میله های هدایت شده دارای مساحت سطحی بسیار کوچکی هستند که معمولاً همیشه برای برقراری تماس با خاک مناسب نخواهد بود. این موضوع به ویژه در خاک های پر صخره صحت دارد، زیرا میله تنها با لبه های سنگ های اطراف تماس پیدا خواهد کرد.

 

یکی از مثال های خوب موردی است که در آن میله توسط مرمرهای بزرگ احاطه می شود. تماس واقعی بین مرمرها و میله بسیار کوچک خواهد بود. با توجه به تماس سطحی کوچکی که با خاک اطراف وجود دارد، مقاومت در مقابل زمینه افزایش می یابد، هدایت کاهش می باید و توانایی میله برای کنترل کردن خرابی های جریان بالا محدود می شود.

میله های پیشرفته

میله های پیشرفته گونه های مهندسی شده میله استاندارد هستند که چندین بهبود کلیدی در آن‌ها پیاده سازی می شود. با توجه به آنکه این میله ها مقاومت فیزیکی پایین تری از خود نشان می دهند، در نتیجه میتوان به سرعت آن‌ها را در محیط های مناسب تر نصب کرد. طراحی مدولار این میله ها می‌تواند حوادث را در زمان نصب کاهش دهد. مساحت سطحی بزرگ تر می‌تواند هدایت الکتریکی بین خاک و الکترود را بهبود بخشد.

 

 

میله های پیشرفته

میله های پیشرفته

میله های پیشرفته معمولاً با استفاده از یک سوراخ کن ضربه ای استاندارد به درون زمین هدایت می شوند. این اقدام به مقدار قابل توجهی زمان نصب را کاهش می دهد. معمولاً نوک میله های پیشرفته از کربید ساخته شده و مشابه با یک مته سنگ بری عمل می کند و در نتیجه میله می‌تواند با راحتی بیشتری از درون صخره عبور کند. میله های پیشرفته دارای ماهیت مدولار هستند و با طول پنج فوت (حدود ۱.۵ متر) طراحی می شوند. این میله ها دارای اتصالات دائمی و غیر قابل بازگشت بوده و در نتیجه اپراتور می‌تواند به شکل ایمن آن‌ها را بر روی زمین نصب کند. به طور معمول، یک بیل برای کندن زمین پیش از شروع عملیات نصب استفاده می شود. میله های پیشرفته در طبقه بندی مشابه ای با یک میله استاندارد قرار گرفته و مقررات و نیازمندی های یکسانی را دارد.

 

در آب و هوای شدید شمال و جنوب کره زمین، یخ زدگی به عنوان یک نگرانی بزرگ محسوب می شود. زمانی که یخبندان در هر زمستان شروع می شود، اشیای زیر خاک معمولاً بالا آمده و از زمین خارج می شوند. میله های اتصال به زمین به طور ویژه نسبت به این موضوع آسیب‌پذیر هستند. بعضی اوقات صفحات متحرک به انتهای میله ها جوش داده می شوند تا اینکه از خارج شدن آن‌ها به دلیل یخ زدگی جلوگیری شود. با وجود این، باید حفره ای در درون زمین ایجاد شود تا صفحات متحرک در درون خاک جای گیرند که خود می‌تواند هزینه های نصب را افزایش دهد. میله های پیشرفته دارای مشکلات مرتبط با یخ زدگی زمین نیستند و به سادگی میتوان آن‌ها را در آب و هوای شدید نصب کرد.

صفحات زمین

معمولاً از صفحات نازک مس است که برای اتصال زمین استفاده می شود. در صورتی که جنس صفحه از مواد آهنی بود ضخامت آن باید ۰.۲۰ اینچ (۵.۰۸ میلی متر) و اگر  مواد غیر آهنی (مس) بود ضخامت باید ۰.۰۶۰ اینچ (۱.۵۲۴ میلی متر) باشد.

صفحات زمین

صفحات زمین

همان طور که نشان داده شده است، صفحات اتصال به زمین باید حداقل ۳۰ اینچ (۷۶.۲ سانتی متر) زیر سطح زمین قرار داده شوند. اگرچه معمولاً مساحت سطح صفحات اتصال به زمین به مقدار قابل توجهی نسبت به یک میله هدایت شده افزایش پیدا می کند، ناحیه اثر نسبتاً کوچک خواهد بود. ناحیه اثر یک صفحه اتصال به زمین می‌تواند به کوچکی ۱۷ اینچ (۴۳.۱۸ سانتی متر) باشد. این ناحیه اثر بسیار کوچک، معمولاً باعث می شود تا صفحات، مقاومت بالاتری نسبت به الکترودهایی با وزن مشابه داشته باشند. شرایط محیطی مانند فرسایش، بالا رفتن عمر، دما و رطوبت که به خرابی میله هدایت شده منجر می شود، برای صفحات اتصال به زمین نیز مشکل ساز خواهند بود.

اتصال زمین یوفر یا الکترودهای محصور شده در بتن  

در گذشته، زمین های یوفر الکترودهای مسی بودند که در درون یک حصار بتنی اطراف انبارهای مهمات قرار می گرفتند.

امروزه زمین های یوفر به شکل زیر تعریف می شوند: هر الکترود محصور شده در بتن مانند میلگرد در فونداسیون ساختمان که برای اتصال به زمین استفاده می شود یا یک سیم یا مش سیمی که در بتن قرار دارد را زمین  یوفر می گویند.

الکترود محصور شده در بتن

استاندارد الکتریکی ملی آمریکا مشخص کرده است که در الکترودهای محصور شده در بتن باید از یک سیم مسی (AWG، شماره ۴) استفاده کرد که حداقل دارای طول ۲۰ فوت (۶ متر) بوده و توسط حداقل ۲ اینچ (۵ سانتی متر) بتن محصور شود. مزایای این الکترودها آن است که به مقدار قابل توجهی مساحت سطحی و درجه تماس با خاک اطراف را افزایش می دهند. با وجود این، ناحیه اثر افزایش پیدا نمی کند و در نتیجه مقاومت در برابر زمین اندکی نسبت به سیم بدون بتن کمتر خواهد بود.

الکترودهای محصور شده در بتن دارای تعدادی معایب مهم هم هستند. زمانی که یک خطای الکتریکی رخ می دهد، جریان الکتریکی باید از طریق بتن به درون زمین هدایت شود. بتن با توجه به ماهیت خود مقدار زیادی آب را حفظ می کند و در نتیجه با عبور کردن جریان الکتریکی از درون بتن، دما افزایش پیدا می کند. در صورتی که مساحت الکترود به مقدار کافی برای کل جریان عبوری کافی نباشد، ممکن است آب به نقطه جوش خود رسیده و به سرعت به بخار تبدیل شود. بسیاری از الکترودها در نتیجه روبرو شدن با خطاهای الکتریکی نسبتاً کوچک تخریب شده اند. زمانی که بتن ترک خورده و از هادی جدا شود، قطعات بتن به عنوان یک محافظ عمل کرده و از برقراری تماس بین سیم مسی و خاک اطراف جلوگیری می کنند و در نتیجه مقدار مقاومت الکترود نسبت به زمین به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا می کند.

الکترود محصور شده در بتن

الکترود محصور شده در بتن

در حال حاضر محصولات جدید زیادی در بازار وجود دارند که برای بهبود الکترودهای محبوس شده در بتن طراحی شده اند. رایج ترین آن‌ها محصولات بتن اصلاح شده هستند که مواد رسانا را در درون مخلوط سیمان یکپارچه سازی می کنند. مزایای این محصولات آن است که توانایی خوبی در کاهش مقاومت بتن دارند و در نتیجه مقاومت الکترود محصور شده را نسبت به زمین کاهش می دهند. مهم ترین بهبود به دست آمده در این محصولات جدید آن است که حرارت جمع شده در زمان شرایط خرابی را کاهش می دهند که خود می‌تواند احتمال تخریب شدن الکترود توسط بخار را کاهش دهد. با وجود این، تعدادی معایب نیز وجود دارند. دوباره، این محصولات ناحیه اثر را افزایش نداده و در نتیجه مقاومت الکترود محصور شده نسبت به زمین تنها اندکی نسبت به یک سیم لخت یا میله هدایت شده در زمین بهتر خواهد بود. همچنین یکی از نگرانی های مهم مرتبط با بتن های تقویت شده، استفاده کردن از کربن در مخلوط است. کربن و مس دارای خصوصیات متفاوتی بوده و در طول زمان یکدیگر را فرسایش می دهند. بسیاری از این محصولات ادعا می کنند دارای مواد بافری هستند که به منظور کاهش فرسایش مس به دلیل حضور کربن در مخلوط طراحی شده اند. با وجود این، تعداد کمی تحقیقات مفید برای آزمودن این ادعاها انجام شده اند.

اتصال زمین یوفر یا فونداسیون ساختمان

می توان از زمین های یوفر یا فونداسیون های ساختمان استفاده کرد، در صورتی که بتن با زمین تماس مستقیم داشته باشد، یعنی میلگرد دارای حداقل قطر ۰.۵ اینچ (۱.۲۷ سانتی متر) بوده و اتصال فلزی مستقیمی بین هادی های زمین و میلگرد دفن شده در بتن وجود داشته باشد.

 

اتصال زمین یوفر

اتصال زمین یوفر

این مفهوم مبتنی بر قابلیت هدایت پذیری بتن و مساحت سطحی بزرگ است که معمولاً سیستم اتصال زمینی با قابلیت کنترل جریان‌های بزرگ فراهم می کند. عیب اولیه در مدت شرایط خرابی رخ می دهد. در صورتی که جریان تخلیه در مقایسه با سطح سیستم میلگرد بسیار بزرگ باشد و رطوبت در بتن گرم شده و به سرعت گسترش پیدا کند، بتن اطراف ترک برداشته و کل واحد فونداسیون ساختمان را تهدید خواهد کرد. یکی از عیب های دیگر زمین یوفر، آن است که در شرایط عادی نمی توان آن‌ها را آزمایش کرد، زیرا جدا کردن دال بتنی، به منظور آزمایش کردن مقاومت نسبت به زمین تقریباً غیر ممکن است.

 

علاوه براین، چارچوب فلزی یک ساختمان را میتوان به عنوان یک نقطه اتصال به زمین مورد استفاده قرار داد، در صورتی که فونداسیون ساختمان نیازمندی های بالا را برآورده کند و در ساختمان‌های بلند معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد. توجه داشته باشید بسیاری از مالکان این ساختمان‌ها در حال ممنوع کردن این رویه هستند و تأکید می کنند مستاجرها باید سیم های زمین را به محل های سرویس ثانویه در کف متصل کنند. مالکان خود از قبل سیم ها را از محل سرویس های ثانویه به محل های سرویس اولیه رسانده و سیستم های اتصال به زمین را در این محل ها نصب کردند. هدف پیشگیری از جاری شدن جریان‌های نشتی است که می توانند در عملیات تجهیزات الکترونیک حساس مداخله کنند.

 

لوله های آب

لوله های آب در طول زمان به شکل گسترده به عنوان یک الکترود اتصال به زمین مورد استفاده قرار گرفته اند. اتصالات لوله آب قابل آزمایش نیستند و به دلیل کاربرد پوشش تار و اتصالات پلاستیکی، قابل اطمینان نخواهند بود. دپارتمان‌های آب شهری شروع به نصب عایق های پلاستیکی در خط لوله ها کرده اند تا از جاری شدن جریان جلوگیری شده و اثرات فرسایشی الکترولیز کاهش پیدا کنند. استاندارد الکتریکی ملی آمریکا مشخص کرده است در زمان استفاده از لوله آب به عنوان الکترود باید الکترودهای اضافی نصب شوند. چندین نیازمندی دیگر شامل موارد زیر نیز وجود دارد:

- ۱۰ فوت (۳ متر) لوله آب در تماس مستقیم با زمین باشد؛

- مفاصل باید از لحاظ الکتریکی پیوسته باشند؛

- کنتورهای آب برای مسیر اتصال به زمین قابل اطمینان نیستند؛

- در اطراف مفاصل، لوله ها یا کنتورهای آب عایق کننده باید از کابل جهت اتصال دو سمت عایق کننده استفاده کرد؛

- اتصال اولیه به لوله آب باید در سمت خیابانی کنتور آب باشد؛

 

کد الکتریکی ملی مشخص کرده است که لوله های آب باید به زمین متصل شوند، حتی اگر لوله ها به عنوان بخشی از سیستم اتصال به زمین مورد استفاده قرار نگیرند؛

 

الکترود الکترولیتی

الکترود الکترولیتی به شکل ویژه برای بر طرف کردن معایب دیگر الکترودهای اتصال به زمین طراحی شد. این الکترود اتصال به زمین فعال از یک شفت مسی خالی تشکیل شده است که با نمک های طبیعی زمین و خشک کننده هایی پر می شود که رطوبت هوا را جذب می کنند. رطوبت با نمک ها ترکیب شده و یک محلول الکترولیت تشکیل می دهد که به طور مداوم به درون مواد پرسازی اطراف نفوذ کرده و آن‌ها را مرطوب نگه داشته و محتوای یونی بالایی فراهم می کند.

 

 

الکترود الکترولیتی

الکترود الکترولیتی

الکترود الکترولیتی داخل یک حفره نصب شده و با مواد خاص رسانا پر می شود. این ماده ویژه از الکترود در مقابل فرسایش محافظت کرده و هدایت پذیری آن را بهبود می بخشد. محلول الکترولیت و ماده پرسازی همراه با هم اتصالی قوی بین الکترود و خاک اطراف فراهم می کنند که تأثیرات دما، محیط و فرسایش در آن وجود ندارد. این الکترود فعال به عنوان تنها الکترود فعالی در نظر گرفته می شود که همراه با گذشت زمان بهبود پیدا می کند. در گونه های الکترود دیگر، با تغییر فصل و گذشت زمان مقدار مقاومت در مقابل زمین سریع افزایش پیدا میکند. عیب این الکترودها هزینه نصب و هزینه خود الکترود است.

 

جدول مقایسه الکترودهای زمین

در جدول زیر انواع مختلف الکترود زمین و برخی از ویژگی های مهم، که ممکن است در انتخاب الکترود مناسب کمک کند مقایسه شده است.

 

       انواع الکترود ویژگی میله هدایت شده(یک میله) میله های پیشرفته  صفحه زمین الکترودهای محصور شده در بتن فونداسیون ساختمان لوله های آب  الکترود الکترولیتی 
مقاومت به زمین (RTG) ضعیف متوسط ضعیف متوسط بالاتر از متوسط ضعیف و متوسط** عالی
مقاومت در برابر خوردگی ضعیف خوب ضعیف خوب* خوب* متغیر بالا
افزایش در RTGدر آب و هوای سرد تحت تاثیر زیاد تحت تاثیر کم تحت تاثیر زیاد تحت تاثیر کم تحت تاثیر کم تحت تاثیر متوسط تحت تاثیر متوسط
افزایش در RTGدر طول زمان بدتر می شود معمولاً تاثیر ندارد به شدت افزایش می یابد معمولاً تاثیر ندارد معمولاً تاثیر ندارد معمولاً تاثیر ندارد بهبود می یابد
الکترودAmpacity ضعیف متوسط متوسط متوسط* بالاتر از متوسط* ضعیف و عالی**  عالی
هزینه نصب متوسط عالی پایین تر از متوسط پایین تر از متوسط متوسط متوسط ضعیف
طول عمر ضعیف بین ۵ تا ۱۰ سال متوسط بین ۱۵ تا ۲۰ سال ضعیف بین ۵ تا ۱۰ سال متوسط بین ۱۵ تا ۲۰ سال* بالاتر از متوسط بین ۲۰ تا۳۰ سال* پایین تر از متوسط بین ۱۰ تا ۱۵ سال * عالیبین ۳۰ تا ۵۰ سال

 


* تخلیه الکتریکی جریان های زیاد می تواند به فونداسیون آسیب برساند. زمانی که آب در داخل بتن به بخار تبدیل می شود.

** بستگی به بخشی دارد که از لحاظ گستردگی، لخت بودن، فلزی بودن و از لحاظ الکتریکی با سیستم آب پیوستگی دارد.

Ampacity : حداکثر مقدار جریان الکتریکی که یک الکترود قبل از فرسودگی می تواند تحمل کند.

۱. بنجامین فرانکلین:
متولد۱۷ ژانویه۱۷۰۶، درگذشته ۱۷ آوریل  ۱۷۹۰است. فرانکلین یک دانشمند، نویسنده برجسته و چاپخانه‌دار، طنزنویس، نظریه‌پرداز سیاسی، سیاستمدار، رئیس پست، مخترع، فیزیکدان، فعال مدنی و دیپلمات بود. به عنوان یک دانشمند، او یکی از چهره‌های بزرگ در روشنگری آمریکا و تاریخ فیزیک برای کشف‌هایی که کرده بود و نظریه‌هایش در موردبرق است. میله برق گیر، عینک دو کانونی، اجاق گاز فرانکلین، کیلومتر شمار اتومبیل، و شیشه آرمونیکا از اختراعات او هستند.