راهنمای جامع سیستمهای ارتینگ: مفاهیم، انواع، اجرا، محاسبات و ابزارها
سیستم ارتینگ (اتصال زمین) یکی از بنیادیترین و حیاتیترین ارکان ایمنی در هر سیستم الکتریکی، از منازل مسکونی گرفته تا بزرگترین نیروگاهها و صنایع پیچیده، به شمار میرود. این سیستم نه تنها جان انسانها را در برابر خطرات ناشی از برقگرفتگی و صاعقه حفظ میکند، بلکه از تجهیزات حساس الکتریکی و الکترونیکی نیز در برابر ولتاژهای اضافی و نویزهای مخرب محافظت مینماید. در این راهنمای جامع، به صورت تشریحی و حرفهای، تمامی جنبههای سیستمهای ارتینگ را بررسی خواهیم کرد؛ از مفاهیم پایه و انواع مختلف آن گرفته تا جزئیات نحوه اجرا، روشهای دقیق اندازهگیری و محاسبات فنی، و معرفی ابزارهای ضروری برای هر مهندس برق و علاقهمند.
مفاهیم پایه سیستم ارتینگ
سیستم ارت (اتصال زمین) چیست؟ تعریف جامع و اهمیت حیاتی
سیستم ارت یا اتصال زمین (Earthing/Grounding System)، یک شبکه ایمنی است که تمامی بدنههای فلزی تجهیزات الکتریکی (که در حالت عادی نباید برقدار باشند) را از طریق یک هادی با مقاومت بسیار پایین به زمین متصل میکند. هدف اصلی این سیستم، هدایت امن و سریع جریانهای ناخواسته و خطرناک (مانند جریانهای ناشی از اتصال کوتاه به بدنه یا صاعقه) به زمین است تا از جان انسانها و تجهیزات الکتریکی محافظت شود.
اهمیت حیاتی: سیستم ارتینگ، ستون فقرات ایمنی در هر تأسیسات الکتریکی مدرن است. نقص در این سیستم میتواند به برقگرفتگیهای مرگبار، آسیبهای جدی به تجهیزات گرانقیمت، و اختلال در عملکرد سیستمهای حساس منجر شود. سرمایهگذاری در یک سیستم ارتینگ صحیح، سرمایهگذاری در جان و مال است.
اهداف اصلی و کارکردهای چندگانه سیستم ارتینگ
سیستم ارتینگ تنها برای یک هدف طراحی نشده است؛ بلکه مجموعهای از کارکردهای حیاتی را در یک سیستم الکتریکی ایفا میکند:
- حفاظت از جان افراد در برابر برقگرفتگی: مهمترین هدف. در صورت اتصال فاز به بدنه فلزی یک دستگاه، سیستم ارت، جریان خطا را به سرعت به زمین منتقل کرده و باعث قطع سریع کلیدهای حفاظتی (مانند کلید محافظ جان یا فیوز) میشود. این فرآیند، از برقگرفتگی فردی که ممکن است با بدنه دستگاه تماس پیدا کند، جلوگیری میکند.
- حفاظت از تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی: ارتینگ، ولتاژهای اضافی و ناگهانی (مانند ولتاژهای ناشی از صاعقه یا خطاهای شدید در شبکه) را به زمین هدایت میکند و از آسیب دیدن دستگاههای حساس، کامپیوترها، سرورها و مدارهای کنترلی جلوگیری مینماید.
- ثبات و پایداری سیستم الکتریکی: ارتینگ یک نقطه مرجع ولتاژ (ولتاژ صفر مطلق) را برای سیستم فراهم میکند. این نقطه مرجع، به پایداری ولتاژ در بخشهای مختلف شبکه و عملکرد صحیح دستگاههای الکترونیکی که به یک مرجع ولتاژ ثابت نیاز دارند، کمک میکند.
- کاهش نویز و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI/RFI): در سیستمهای حساس مخابراتی، پزشکی و صنعتی که از تجهیزات الکترونیکی پیچیده استفاده میکنند، ارتینگ صحیح میتواند نویزهای الکترومغناطیسی را به زمین هدایت کرده و کیفیت سیگنالها و عملکرد تجهیزات را بهبود بخشد.
- حفاظت ساختمان و سازهها در برابر صاعقه: سیستم صاعقهگیر (Lightning Protection System) که انرژی عظیم صاعقه را جذب میکند، باید به یک سیستم ارتینگ با مقاومت پایین متصل شود تا این انرژی به صورت امن به زمین منتقل شده و از آسیب به سازه ساختمان و تجهیزات داخل آن جلوگیری شود.
پارامترهای کلیدی در طراحی و ارزیابی سیستم ارتینگ
برای طراحی، اجرا و ارزیابی یک سیستم ارتینگ موثر و ایمن، درک و محاسبه چندین پارامتر فنی ضروری است:
- مقاومت مخصوص خاک (Soil Resistivity - ρ): این پارامتر نشاندهنده توانایی خاک در هدایت جریان الکتریکی است و بر حسب اهم-متر (Ω·m) اندازهگیری میشود. هرچه مقاومت مخصوص خاک کمتر باشد، خاک رسانایی بهتری دارد و دستیابی به مقاومت ارت مطلوب آسانتر است. این مهمترین فاکتور در طراحی اولیه است.
- مقاومت سیستم ارت (Ground Resistance - $R_G$): این مقاومت بین الکترود ارت (یا شبکه ارت) و نقطه مرجع زمین دوردست است و بر حسب اهم (Ω) اندازهگیری میشود. هدف همواره، دستیابی به حداقل مقاومت ممکن (معمولاً کمتر از 2 یا 5 اهم بسته به کاربرد) است.
- جریان اتصال کوتاه (Short Circuit Current - $I_{SC}$): حداکثر جریانی که در صورت بروز خطای فاز به زمین، از طریق سیستم ارت عبور خواهد کرد. این جریان برای تعیین سطح مقطع هادیهای ارت و پایداری حرارتی آنها ضروری است.
- ولتاژ تماس مجاز (Permissible Touch Voltage - $E_{touch}$): حداکثر ولتاژی که یک فرد میتواند در زمان بروز خطا (هنگام تماس با بدنه فلزی برقدار) بدون آسیب جدی تحمل کند. این ولتاژ به مقاومت بدن انسان و زمان قطع خطا بستگی دارد.
- ولتاژ گام مجاز (Permissible Step Voltage - $E_{step}$): حداکثر ولتاژی که میتواند بین دو پای یک فرد (با فرض گام 1 متری) در زمان بروز خطا در سطح زمین ایجاد شود و فرد را دچار شوک نکند.
انواع سیستمهای ارتینگ: انتخاب بهترین روش
انتخاب نوع سیستم ارتینگ به عوامل متعددی از جمله نوع تأسیسات، مقاومت مخصوص خاک، فضای موجود و بودجه بستگی دارد. در ادامه به معرفی متداولترین انواع سیستمهای ارتینگ میپردازیم:
۱. سیستم ارت الکترود میلهای (Rod Grounding System)
سیستم ارت میلهای یکی از سادهترین و پرکاربردترین روشها برای ایجاد اتصال زمین است. این روش شامل کوبیدن یک یا چند میله فلزی (معمولاً از جنس مس یا فولاد با روکش مس) به صورت عمودی در زمین است.
نمایش شماتیک سیستم ارت الکترود میلهای
مزایای سیستم ارت میلهای:
- نصب آسان و سریع: به خصوص در خاکهای نرم و عمیق، کوبیدن میله نسبتاً ساده است.
- هزینه کم: در مقایسه با سایر روشها، اجرای سیستم میلهای اقتصادیتر است.
- نیاز به فضای کم: برای نصب به فضای افقی زیادی نیاز ندارد.
- عمق قابل تنظیم: با کوبیدن میلههای بیشتر یا اتصال چند میله به هم، میتوان به عمق بیشتری دست یافت.
معایب سیستم ارت میلهای:
- محدودیت در کاهش مقاومت: در خاکهای با مقاومت مخصوص بالا، دستیابی به مقاومتهای بسیار پایین (مانند زیر 1 اهم) با یک میله دشوار است و نیاز به تعداد زیادی میله یا روشهای ترکیبی دارد.
- نیاز به خاک مناسب: در خاکهای سنگی یا بسیار فشرده، کوبیدن میله دشوار یا غیرممکن است.
- تأثیرپذیری از تغییرات فصلی: در خاکهایی که لایههای سطحی آنها در فصول خشک، رطوبت خود را از دست میدهند، مقاومت میله ارت ممکن است افزایش یابد.
۲. سیستم ارت صفحهای (Plate Grounding System)
در این روش، از صفحات فلزی بزرگ (معمولاً از جنس مس یا فولاد با روکش مس) با ابعاد مشخص (مثلاً 60×60 سانتیمتر یا 90×90 سانتیمتر) استفاده میشود که در عمق مناسبی از زمین دفن میشوند.
نمایش شماتیک سیستم ارت صفحهای
مزایای سیستم ارت صفحهای:
- سطح تماس زیاد با خاک: به دلیل ابعاد بزرگ صفحه، سطح تماس با خاک بیشتر است که منجر به مقاومت کمتر میشود.
- مقاومت کمتر: در شرایط یکسان خاک، معمولاً مقاومت کمتری نسبت به یک میله ارت تنها ارائه میدهد.
- مناسب برای مناطق با مقاومت خاک بالا: در چنین مناطقی، دفن یک صفحه میتواند مؤثرتر از کوبیدن چندین میله باشد.
- پایداری در برابر تغییرات فصلی: به دلیل دفن در عمق بیشتر، کمتر تحت تأثیر خشکی سطحی خاک قرار میگیرد.
معایب سیستم ارت صفحهای:
- هزینه بالا: تهیه صفحه و حفاری چاهی به ابعاد بزرگ، هزینه بیشتری دارد.
- نیاز به حفاری گسترده: حفر چاهی به عمق و ابعاد مناسب برای دفن صفحه، زمانبر و دشوار است.
- دشواری در نصب: جابجایی و دفن صفحات بزرگ ممکن است به تجهیزات خاص نیاز داشته باشد.
۳. سیستم ارت شبکهای (Grid Grounding System)
سیستم ارت شبکهای شامل شبکهای از هادیهای افقی (معمولاً کابل مسی بدون روکش) است که به صورت مش (چاه و شبکه) یا الگوهای هندسی دیگر در عمق کمتری از زمین (معمولاً 0.5 تا 1 متر) دفن میشوند. این شبکهها اغلب با میلههای ارت عمودی ترکیب میشوند تا کارایی بهتری داشته باشند.
نمایش شماتیک سیستم ارت شبکهای (مش)
مزایای سیستم ارت شبکهای:
- توزیع یکنواخت پتانسیل: به دلیل گسترش سطح تماس با خاک، ولتاژهای تماس و گام در سطح زمین را به طور مؤثری کاهش میدهد که برای ایمنی افراد در اطراف پستهای برق و محوطههای وسیع بسیار مهم است.
- کاهش ولتاژ گام و تماس: این ویژگی، آن را برای مکانهایی با جریانهای خطای بالا و نیاز به ایمنی حداکثری، ایدهآل میکند.
- مناسب برای مناطق وسیع: در نیروگاهها، پستهای برق، و تأسیسات بزرگ که نیاز به پوشش گسترده دارند، کاربرد دارد.
- مقاومت بسیار پایین: در صورت طراحی صحیح، میتواند به مقاومتهای بسیار پایینی دست یابد.
معایب سیستم ارت شبکهای:
- هزینه بالای اجرا: به دلیل نیاز به حجم زیادی از هادی مسی و حفاری گسترده، هزینه بالایی دارد.
- نیاز به فضای زیاد: برای اجرای شبکه، به مساحت وسیعی از زمین نیاز است.
- دشواری در طراحی و اجرا: طراحی بهینه یک شبکه ارت، پیچیده است و نیاز به محاسبات دقیق و دانش تخصصی دارد.
نحوه اجرا و نصب سیستمهای ارتینگ: گام به گام
اجرای صحیح سیستم ارتینگ نیازمند رعایت دقیق اصول مهندسی و استانداردهای مربوطه است. در ادامه به مراحل کلی اجرای دو سیستم ارت متداول (میلهای و صفحهای) و نکات مهم اجرایی اشاره میشود:
مراحل اجرای سیستم ارت میلهای (چاه ارت میلهای)
-
۱. مطالعات اولیه و طراحی:
- بررسی مقاومت مخصوص خاک: با استفاده از روش ونر در چندین نقطه از محل پروژه، مقاومت مخصوص خاک در اعماق مختلف اندازهگیری میشود. این مهمترین گام برای طراحی بهینه است.
- تعیین عمق نصب: بر اساس نتایج مقاومت مخصوص خاک و استانداردهای مربوطه، عمق مناسب برای کوبیدن میله (معمولاً حداقل 2.5 تا 3 متر) تعیین میشود.
- محاسبه تعداد میلههای مورد نیاز: بر اساس مقاومت هدف و مقاومت یک میله تنها، تعداد میلههای لازم محاسبه میگردد.
- انتخاب نوع و ابعاد میله: جنس (مس یا فولاد با روکش مس) و ابعاد میله (قطر و طول) بر اساس طراحی انتخاب میشود.
-
۲. حفاری و آمادهسازی چاه:
- حفر چاه: چاهی به قطر حدود 80 سانتیمتر و عمق تعیین شده (مثلاً 3 متر) حفر میشود.
- بررسی رطوبت خاک: در صورت لزوم، بستر چاه مرطوب میشود تا رسانایی خاک افزایش یابد.
- آمادهسازی بستر نصب: کف چاه با لایهای از نمک، زغال، یا بنتونیت (مواد کاهنده مقاومت) به ضخامت حدود 20 تا 30 سانتیمتر پر میشود.
-
۳. نصب میله و اتصالات:
- کوبیدن میله: میله ارت به صورت عمودی در مرکز چاه و در داخل لایه بنتونیت کوبیده میشود تا کاملاً در عمق تعیین شده فرو رود.
- اتصال هادی مسی: کابل مسی (هادی ارت) با سطح مقطع مناسب، با استفاده از بستها یا جوش احتراقی (کادولد) به سر میله ارت متصل میشود. اتصال باید کاملاً محکم و با مقاومت الکتریکی ناچیز باشد.
- پر کردن اطراف میله: اطراف میله با مخلوطی از بنتونیت و خاک (یا صرفاً بنتونیت، بسته به طراحی) پر میشود تا مقاومت ارت کاهش یابد و رطوبت پایدار بماند. سپس بقیه چاه با خاک معمولی پر میشود.
-
۴. نصب جعبه تست و بازرسی:
- در بالای چاه ارت، یک جعبه پلاستیکی یا بتنی (جعبه تست) نصب میشود. این جعبه امکان دسترسی به نقطه اتصال هادی ارت به میله را برای تستهای دورهای و قطع موقت سیستم ارت فراهم میکند.
-
۵. تست و راهاندازی:
- پس از اتمام نصب و قبل از اتصال به سیستم، مقاومت نهایی چاه ارت با دستگاه ارتسنج اندازهگیری میشود تا از رسیدن به مقاومت هدف اطمینان حاصل شود.
- در صورت لزوم، اصلاحات لازم (مانند اضافه کردن مواد کاهنده مقاومت یا کوبیدن میلههای بیشتر) انجام میشود.
مراحل اجرای سیستم ارت صفحهای (چاه ارت صفحهای)
اجرای سیستم ارت صفحهای، به دلیل نیاز به حفاری بزرگتر، پیچیدهتر از سیستم میلهای است اما در برخی شرایط خاک یا نیاز به مقاومتهای پایینتر، گزینه مناسبتری است.
-
۱. طراحی و محاسبات:
- تعیین ابعاد و جنس صفحه: بر اساس مقاومت مخصوص خاک و مقاومت هدف، ابعاد (مثلاً 90x90 سانتیمتر) و جنس صفحه (مس خالص، فولاد روکش مس) مشخص میشود.
- محاسبه عمق نصب: صفحهارت باید در عمقی دفن شود که دسترسی به لایههای مرطوب و پایدار خاک را تضمین کند (معمولاً حداقل 2.5 تا 3 متر).
- طراحی اتصالات: نقشه محل اتصال هادی ارت به صفحه و سایر هادیهای سیستم (در صورت وجود) مشخص میشود.
-
۲. حفاری چاه و آمادهسازی:
- حفر چاه: چاهی با ابعاد مناسب برای قرارگیری صفحه (مثلاً 1.5x1.5 متر برای صفحه 90x90) و عمق تعیین شده حفر میشود.
- آمادهسازی بستر: کف چاه با لایهای از بنتونیت، زغال، یا ترکیب این مواد به ضخامت 30-40 سانتیمتر پوشانده میشود.
-
۳. نصب صفحه و اتصالات:
- قرار دادن صفحه: صفحه ارت به صورت عمودی (رایجتر) یا افقی در مرکز چاه و روی لایه بنتونیت قرار میگیرد.
- اتصال هادیهای مسی: کابل مسی با سطح مقطع مناسب، به صفحه ارت متصل میشود. برای اتصالات دائمی و مقاوم در برابر خوردگی، استفاده از جوش احتراقی (Cadweld) به شدت توصیه میشود.
- پر کردن اطراف صفحه: اطراف صفحه به صورت لایهلایه با بنتونیت یا مخلوط بنتونیت و خاک مرطوب پر میشود تا مقاومت بهینه حاصل شود. این لایه باید حداقل 20 تا 30 سانتیمتر در اطراف صفحه باشد. سپس بقیه چاه با خاک معمولی پر میشود.
-
۴. نصب جعبه تست و تست نهایی:
- مانند سیستم میلهای، جعبه تست در بالای چاه نصب میشود.
- تست نهایی مقاومت ارت انجام میشود تا از مطابقت با مقاومت هدف اطمینان حاصل شود.
نکات مهم و حیاتی در اجرای سیستمهای ارتینگ
رعایت اصول ایمنی: اجرای سیستم ارتینگ، به خصوص عملیات حفاری و کار با هادیهای برق، نیاز به رعایت کامل اصول ایمنی دارد. استفاده از تجهیزات ایمنی فردی (کلاه، دستکش، کفش ایمنی) و نظارت متخصص الزامی است.
- استفاده از مصالح استاندارد و مقاوم در برابر خوردگی: تمامی هادیها (مس)، الکترودها و اتصالات باید از مواد با کیفیت و مقاوم در برابر خوردگی باشند تا عمر طولانی و عملکرد پایدار سیستم را تضمین کنند.
- رعایت حداقل فاصله بین الکترودها (در سیستمهای چندگانه): اگر از چندین میله یا صفحه به صورت موازی استفاده میکنید، حداقل فاصله بین آنها (معمولاً 2 برابر طول الکترود) باید رعایت شود تا اثر متقابل (Mutual Coupling) کاهش یابد و مقاومت کلی سیستم به طور مؤثری کاهش یابد.
- اطمینان از اتصالات محکم و مقاوم: تمامی اتصالات (بین هادی ارت و الکترود، و بین هادی ارت و سیستم الکتریکی) باید بسیار محکم، دارای مقاومت الکتریکی ناچیز و مقاوم در برابر خوردگی باشند. جوش احتراقی بهترین روش است.
- استفاده از مواد کاهنده مقاومت (GEM/Bentonite): در خاکهایی با مقاومت مخصوص بالا، استفاده از مواد کاهنده مقاومت (مانند بنتونیت یا ترکیبات ژئوماتریس) اطراف الکترودها ضروری است.
- نصب جعبه تست و بازرسی مناسب: این جعبهها امکان دسترسی آسان برای بازرسی بصری و تست دورهای مقاومت ارت را فراهم میکنند.
- حفظ رطوبت خاک: در مناطقی که خاک خشک میشود، میتوان با تعبیه سیستمهای رطوبترسانی یا استفاده از مواد جاذب رطوبت، پایداری مقاومت ارت را حفظ کرد.
- اتصال به سازه فلزی (در صورت امکان): در برخی موارد، میتوان سازه فلزی ساختمان را نیز به شبکه ارت اصلی متصل کرد تا مقاومت کلی سیستم بهبود یابد، اما این کار باید با محاسبات دقیق مهندسی و رعایت استانداردها انجام شود.
توصیه حرفهای: برای طراحی و اجرای سیستم ارتینگ، حتماً از مهندسین برق متخصص و شرکتهای دارای صلاحیت در این زمینه کمک بگیرید. اشتباهات در این مرحله میتواند عواقب جبرانناپذیری داشته باشد.
محاسبات کلیدی در طراحی سیستم ارتینگ
محاسبات دقیق، ستون فقرات طراحی یک سیستم ارتینگ ایمن و کارآمد هستند. این فرمولها به مهندسین کمک میکنند تا مقاومتهای مورد انتظار را تخمین زده و ابعاد و تعداد الکترودهای لازم را تعیین کنند. درک این اصول برای هر متخصص برق ضروری است.
۱. محاسبه مقاومت الکترود میلهای تکی
این فرمول، مقاومت یک میله ارت تکی را با توجه به مقاومت مخصوص خاک، طول و شعاع میله محاسبه میکند. این یک فرمول تقریبی برای طراحی اولیه است و نتایج عملی ممکن است کمی متفاوت باشند.
$$R = \frac{\rho}{2 \pi L} \left[ \ln \left( \frac{4L}{a} \right) - 1 \right]$$
در این فرمول:
- $R$: مقاومت الکترود (بر حسب اهم - Ω)
- $\rho$: مقاومت مخصوص خاک (بر حسب اهم-متر - Ω·m)
- $L$: طول الکترود میلهای (بر حسب متر)
- $a$: شعاع الکترود میلهای (بر حسب متر)
- $\pi$: عدد پی (تقریباً 3.14159)
نکته مهم: این فرمول برای یک میله تنها در خاک همگن و ایدهآل است. در عمل، مقاومت مخصوص خاک در اعماق مختلف متفاوت است و این فرمول باید با اندازهگیریهای عملی و نرمافزارهای تخصصی تکمیل شود.
۲. محاسبه مقاومت الکترود صفحهای تکی
فرمول زیر مقاومت یک صفحه ارت تکی را در خاک همگن محاسبه میکند. این فرمول نیز یک تقریب است.
$$R = \frac{\rho}{4r}$$
در این فرمول:
- $R$: مقاومت الکترود (بر حسب اهم - Ω)
- $\rho$: مقاومت مخصوص خاک (بر حسب اهم-متر - Ω·m)
- $r$: شعاع معادل صفحه (بر حسب متر). برای یک صفحه مربعی با ضلع $S$، $r$ تقریباً برابر $0.564 \times S$ است.
۳. محاسبه مقاومت شبکه ارت (Grid Grounding)
محاسبه مقاومت یک شبکه ارت پیچیدهتر است و فرمولهای مختلفی برای آن وجود دارد که یکی از متداولترین آنها فرمول رودلف (Rudolph) است. این فرمول تقریبی برای شبکههای گسترده به کار میرود.
$$R_g = \rho \left[ \frac{1}{L_c} + \frac{1}{\sqrt{20 A}} \left( 1 + \frac{1}{1 + \frac{h \sqrt{20}}{\sqrt{A}}} \right) \right]$$
در این فرمول:
- $R_g$: مقاومت شبکه ارت (بر حسب اهم - Ω)
- $\rho$: مقاومت مخصوص خاک (بر حسب اهم-متر - Ω·m)
- $L_c$: طول کل هادیهای شبکه (بر حسب متر)
- $A$: مساحت پوشش داده شده توسط شبکه (بر حسب متر مربع)
- $h$: عمق دفن شبکه (بر حسب متر)
توجه مهم: این فرمولها، تقریبهای سادهسازی شدهای هستند. برای طراحی دقیق و بهینه سیستمهای ارتینگ پیچیده (مانند پستهای برق)، از نرمافزارهای تخصصی شبیهسازی مانند CDEGS، ETAP، یا SAP2000 استفاده میشود که مدلهای دقیقتر خاک و هندسه الکترودها را در نظر میگیرند.
۴. محاسبه سطح مقطع هادی ارت (سیم ارت)
سطح مقطع هادی ارت باید به اندازهای باشد که بتواند حداکثر جریان اتصال کوتاه (خطا) را برای مدت زمان عمل کردن وسایل حفاظتی، بدون گرم شدن بیش از حد و آسیب دیدن، به زمین منتقل کند.
$$A = \frac{I \sqrt{t}}{K}$$
در این فرمول:
- $A$: سطح مقطع هادی ارت (بر حسب میلیمتر مربع - mm²)
- $I$: جریان اتصال کوتاه (بر حسب آمپر - A). این حداکثر جریانی است که در صورت بروز خطای فاز به زمین، از طریق هادی ارت عبور خواهد کرد.
- $t$: زمان عملکرد حفاظت (بر حسب ثانیه - s). این مدت زمانی است که طول میکشد تا وسیله حفاظتی (فیوز یا کلید) در صورت بروز خطای اتصال کوتاه، برق را قطع کند (مثلاً 0.1 تا 1 ثانیه).
- $K$: ضریب ثابت ماده هادی. این ضریب به نوع ماده هادی (مس یا آلومینیوم) و دمای نهایی مجاز آن بستگی دارد. مقادیر آن از جداول استانداردهای مربوطه (مانند IEC 60364-5-54) استخراج میشود.
- برای مس: $K$ معمولاً حدود 143 (برای دمای اولیه 30 درجه سانتیگراد و نهایی 250 درجه سانتیگراد) است.
- برای آلومینیوم: $K$ معمولاً حدود 90 است.
اهمیت محاسبه دقیق: انتخاب صحیح سطح مقطع هادی ارت برای ایمنی سیستم و حفاظت جان افراد و تجهیزات حیاتی است. هادی ارت باید قادر باشد جریان خطای بسیار بالا را بدون ذوب شدن یا قطع شدن، به زمین منتقل کند.
ابزارها و محاسبهگرهای سیستم ارتینگ
برای طراحی، اجرا و نگهداری سیستمهای ارتینگ، علاوه بر دانش نظری، به ابزارها و دستگاههای تخصصی نیز نیاز است. همچنین، محاسبهگرهای آنلاین میتوانند به تخمین اولیه پارامترهای کلیدی کمک کنند.
۱. ابزارهای ضروری برای اندازهگیری و اجرای سیستم ارت
| ابزار | کاربرد اصلی | توضیحات تکمیلی |
|---|---|---|
| ارتسنج (Earth Tester / Megger) | اندازهگیری مقاومت سیستم ارت و مقاومت مخصوص خاک | مهمترین دستگاه برای ارزیابی عملکرد سیستم ارت. انواع مختلفی دارد (سهنقطهای، چهارنقطهای، کلمپی). |
| بنتونیت (Bentonite) یا GEM | کاهش مقاومت خاک اطراف الکترود ارت | مادهای پودری با خاصیت جذب رطوبت بالا که برای بهبود رسانایی خاک در چاههای ارت استفاده میشود. |
| الکترودهای میلهای (میل ارت) | الکترودهای اصلی برای انتقال جریان به زمین | معمولاً از جنس مس خالص یا فولاد با روکش مس (کاپر باند) در اندازههای مختلف. |
| صفحات ارت (صفحات مسی) | الکترودهای اصلی برای ایجاد سطح تماس بزرگ با زمین | صفحات مسی با ابعاد استاندارد که در عمقهای مناسب دفن میشوند. |
| کابل مسی (هادی ارت) | هادی انتقال جریان از تجهیزات به الکترود ارت | باید دارای سطح مقطع مناسب برای تحمل جریانهای خطا باشد. |
| کلمپ و اتصالات ارت | اتصال مطمئن هادیها به الکترودها و تجهیزات | باید از جنس مقاوم در برابر خوردگی و دارای حداقل مقاومت باشند (مانند اتصالات جوش احتراقی). |
| چکش هیدرولیک یا برقی (برای کوبیدن میله) | برای کوبیدن میلههای ارت در خاک سخت | استفاده از نیروی ضربه برای فرو بردن میله در عمقهای زیاد. |
| دستگاه جوش احتراقی (Cadweld) | ایجاد اتصالات دائمی و با مقاومت بسیار پایین | برای جوش دادن کابل به میله یا صفحه ارت، بهترین نوع اتصال از نظر دوام و رسانایی. |
۲. محاسبهگر مقاومت الکترود میلهای
این محاسبهگر به شما کمک میکند تا مقاومت تقریبی یک میله ارت تکی را بر اساس مشخصات خاک و میله تخمین بزنید.
۳. محاسبهگر مقاومت شبکه ارت
این ابزار به شما امکان میدهد تا مقاومت تقریبی یک شبکه ارت را بر اساس ابعاد و مشخصات خاک تخمین بزنید.
دقت محاسبات: محاسبهگرهای آنلاین فقط برای تخمینهای اولیه کاربرد دارند. برای طراحی و تأیید نهایی، حتماً با مهندس برق متخصص مشورت کنید.
استانداردها و مقررات سیستم ارتینگ
رعایت استانداردهای ملی و بینالمللی در طراحی، اجرا و نگهداری سیستمهای ارتینگ، تضمینکننده ایمنی، قابلیت اطمینان و انطباق قانونی است. این استانداردها، چارچوبی برای عملکرد صحیح سیستم در شرایط عادی و خطا فراهم میکنند.
مهمترین استانداردهای بینالمللی و ملی برای طراحی و اجرای سیستم ارتینگ
| استاندارد | سازمان صادرکننده | تمرکز اصلی | اهمیت و کاربرد |
|---|---|---|---|
| IEEE Std 80 | IEEE (موسسه مهندسان برق و الکترونیک) | راهنمای ایمنی در ارتینگ پستهای برق AC | مرجع اصلی برای طراحی ارتینگ پستهای ولتاژ بالا جهت کنترل ولتاژهای تماس و گام. |
| IEEE Std 142 (IEEE Green Book) | IEEE | توصیههای ارتینگ برای سیستمهای قدرت صنعتی و تجاری | راهنمایی جامع برای طراحی، نصب و تست سیستمهای ارت در کارخانجات، ساختمانهای تجاری و اداری بزرگ. |
| IEC 60364 Series | IEC (کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک) | تأسیسات الکتریکی ولتاژ پایین | مجموعهای جامع از استانداردها برای ایمنی الکتریکی در ساختمانها، شامل بخشهای مفصل در مورد ارتینگ و حفاظت در برابر شوک الکتریکی. مبنای بسیاری از کدهای ملی. |
| NFPA 70 (National Electrical Code - NEC) | NFPA (انجمن ملی حفاظت از آتش) - آمریکا | مقررات ملی برق در ایالات متحده | قوانین و الزامات جامع برای نصب ایمن سیمکشی و تجهیزات الکتریکی، شامل بخشهای مفصل در مورد ارتینگ. |
| BS 7430 | BSI (موسسه استاندارد بریتانیا) | کد عملی برای ارتینگ حفاظتی تأسیسات الکتریکی و سیستمهای صاعقهگیر | یکی از استانداردهای مرجع در بریتانیا و کشورهای تحت نفوذ آن برای طراحی و اجرای سیستمهای ارت. |
| مقررات ملی ساختمان، مبحث ۱۳ | وزارت راه و شهرسازی - ایران | طرح و اجرای تأسیسات برقی ساختمانها | الزامیترین سند قانونی و فنی برای طراحی، اجرا، بازرسی و تست سیستمهای ارتینگ در تمام ساختمانها در ایران. |
نکته کلیدی: همواره باید به جدیدترین نسخه استانداردهای ملی و محلی مربوط به پروژه خود رجوع کنید. در حالی که استانداردهای بینالمللی مبنای علمی و فنی را فراهم میکنند، مقررات ملی جنبه قانونی و اجرایی دارند و رعایت آنها الزامی است.
حداکثر مقاومت مجاز سیستم ارت برای کاربردهای مختلف (بر اساس استانداردها)
مقاومت سیستم ارت باید به اندازهای پایین باشد که در زمان بروز خطا، ولتاژهای خطرناک (تماس و گام) به سطوح ایمن کاهش یابند و وسایل حفاظتی به درستی عمل کنند. مقادیر زیر، حداکثر مقاومتهای مجاز رایج در استانداردها برای کاربردهای مختلف هستند:
| نوع کاربرد / تأسیسات | حداکثر مقاومت مجاز (Ω) | توضیحات و اهمیت |
|---|---|---|
| ساختمانهای مسکونی و تجاری عادی | کمتر از 5 اهم | هدف اصلی، حفاظت از جان ساکنین و کاربران در برابر برقگرفتگیهای احتمالی. |
| تجهیزات صنعتی و ماشینآلات سنگین | کمتر از 2 اهم | به دلیل وجود جریانهای خطای بالاتر و اهمیت تداوم کار، مقاومت پایینتر برای ایمنی پرسنل و حفاظت از ماشینآلات ضروری است. |
| مراکز مخابراتی (BTS, دکلهای مخابراتی) | کمتر از 1 اهم | برای جلوگیری از نویز در سیستمهای ارتباطی و حفاظت از تجهیزات حساس مخابراتی که به مرجع ولتاژ پایدار نیاز دارند. |
| پستهای برق و نیروگاهها | کمتر از 0.5 اهم | به دلیل جریانهای اتصال کوتاه بسیار بالا، مقاومت بسیار پایین برای کنترل ولتاژهای تماس و گام و ایمنی پرسنل الزامی است. |
| تجهیزات الکترونیک حساس (سرور، دیتاسنتر، اتاق کنترل) | کمتر از 0.5 اهم | کوچکترین نوسانات ولتاژ میتواند باعث اختلال در این تجهیزات شود. ارتینگ بسیار مؤثر، نویز را به حداقل میرساند. |
| سیستمهای حفاظت از صاعقه (Lightning Protection System) | کمتر از 10 اهم | برای تخلیه سریع جریانهای عظیم صاعقه به زمین. (اگرچه مقادیر پایینتر همیشه ایمنی بیشتری فراهم میکند.) |
ملاحظه مهم: دستیابی به این مقاومتها در تمام انواع خاک ممکن نیست و در برخی شرایط (مانند خاک بسیار سنگی یا ماسهای) ممکن است نیاز به طراحیهای پیچیده (مانند استفاده از چندین الکترود، مواد کاهنده مقاومت، یا سیستمهای شیمیایی) و هزینههای بالاتر باشد. همواره طراحی و تست نهایی توسط متخصصان صورت گیرد.
الزامات استاندارد برای اتصالات در سیستم ارتینگ: چرا کیفیت اتصال مهم است؟
کیفیت اتصالات در سیستم ارتینگ به اندازهی خود الکترود ارت و هادیهای آن اهمیت دارد. یک اتصال ضعیف میتواند مقاومت کل سیستم را به شدت افزایش دهد و هدف اصلی ارتینگ (ایمنی و حفاظت) را بیاثر کند. استانداردها بر روی الزامات زیر برای اتصالات تأکید دارند:
- استفاده از اتصالات استاندارد و تأیید شده: از بستها، کلمپها و کانکتورهایی استفاده شود که توسط سازمانهای استاندارد (مانند UL, IEC) تأیید شده باشند و برای استفاده در سیستمهای ارت طراحی شده باشند. این شامل استفاده از روشهای جوش احتراقی (Cadweld) برای اتصالات دائمی و زیرزمینی میشود.
- مقاومت در برابر خوردگی: اتصالات باید از موادی ساخته شوند که در برابر خوردگی گالوانیک (بین فلزات مختلف) و خوردگی ناشی از مواد شیمیایی موجود در خاک مقاوم باشند. خوردگی، مقاومت اتصال را به مرور زمان افزایش میدهد.
- تحمل جریان اتصال کوتاه: اتصالات باید قادر به تحمل جریانهای بسیار بالای اتصال کوتاه (خطا) برای مدت زمان معینی (تا زمانی که وسایل حفاظتی عمل کنند) بدون ذوب شدن، قطع شدن، یا از دست دادن ویژگیهای مکانیکی خود باشند.
- کمترین مقاومت الکتریکی (مقاومت تماسی): هدف اصلی یک اتصال خوب، داشتن مقاومت الکتریکی بسیار ناچیز است. هرچه مقاومت تماس کمتر باشد، مسیر امنتری برای جریان خطا فراهم میشود.
- اتصالات مکانیکی مستحکم: اتصالات باید از نظر مکانیکی به اندازهای محکم باشند که در اثر عوامل محیطی (مانند جابجایی خاک، لرزش) یا نیروهای مکانیکی (مانند کشش) شل نشوند، جدا نگردند، یا قطع نشوند.
- قابلیت بازرسی و تعمیر (در صورت امکان): اگرچه بسیاری از اتصالات زیرزمینی دائمی هستند، اما در نقاطی که نیاز به بازرسی دورهای است (مانند محل اتصال به میله ارت در جعبه تست)، باید قابلیت باز شدن و بررسی را داشته باشند.
اهمیت حیاتی کیفیت اتصال: یک سیستم ارت با الکترودهای عالی و کابلهای با کیفیت، اما با اتصالات ضعیف، مانند یک زنجیر با حلقههای ضعیف است. ضعیفترین حلقه (اتصال) میتواند کارایی کل سیستم را به خطر بیندازد. مقاومت بالای یک اتصال میتواند در زمان خطا، باعث افزایش ولتاژ خطرناک در محل اتصال و حتی قطع شدن مسیر ارت شود، که هر دو به شدت خطرناک هستند.
سؤالات متداول سیستمهای ارتینگ (اتصال زمین): راهنمای جامع و پاسخهای تخصصی
مفاهیم پایه سیستم ارتینگ
سیستم ارت (اتصال زمین) چیست و چرا وجود آن در سیستمهای الکتریکی ضروری است؟
سیستم ارت یا اتصال زمین (Earthing/Grounding System)، یک سیستم حیاتی و ایمنی در تأسیسات الکتریکی است که هدف اصلی آن، ایجاد یک مسیر امن و کممقاومت برای تخلیه جریانهای الکتریکی ناخواسته و اضافی به زمین است. این سیستم به عنوان یک سپر حفاظتی عمل میکند و از تجهیزات الکتریکی و مهمتر از آن، جان انسانها در برابر خطرات ناشی از جریانهای خطا محافظت میکند.
چرا به سیستم ارت نیاز داریم؟ اهداف اصلی:
- حفاظت از جان افراد در برابر برقگرفتگی: در صورت بروز عیب در عایقبندی تجهیزات برقی (مثلاً اتصال فاز به بدنه فلزی دستگاه)، ارت، جریان خطا را به سرعت به زمین منتقل میکند. این عمل باعث فعال شدن سریع وسایل حفاظتی (مانند فیوز یا کلید محافظ جان) و قطع برق میشود، در نتیجه از برقگرفتگی افراد در تماس با بدنه دستگاه جلوگیری میکند.
- محافظت از تجهیزات الکتریکی در برابر اضافه ولتاژ: سیستم ارت، ولتاژهای اضافی ناشی از صاعقه یا خطاهای شبکه را به زمین هدایت کرده و از آسیب دیدن دستگاههای حساس الکترونیکی جلوگیری میکند.
- ثبات و پایداری سیستم الکتریکی: ارت، یک نقطه مرجع ولتاژ (ولتاژ صفر) را برای سیستم فراهم میکند که به پایداری ولتاژ در نقاط مختلف شبکه و عملکرد صحیح مدارهای کنترلی کمک میکند.
- حفاظت در برابر صاعقه: سیستم صاعقهگیر که به سیستم ارت متصل است، انرژی عظیم صاعقه را به زمین منتقل کرده و از آسیب به سازهها و تجهیزات داخل ساختمان جلوگیری میکند.
- کاهش نویز و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI/RFI): در سیستمهای حساس الکترونیکی و مخابراتی، ارت مناسب میتواند نویزهای الکترومغناطیسی را به زمین هدایت کرده و کیفیت سیگنالها را بهبود بخشد.
اهمیت حیاتی: سیستم ارت، برخلاف تصور رایج که تنها یک سیم اضافی است، در واقع شریان حیاتی ایمنی در هر سیستم الکتریکی مدرن به شمار میرود. یک سیستم ارت ضعیف یا معیوب میتواند عواقب جبرانناپذیری برای جان افراد و تجهیزات داشته باشد.
تفاوت اساسی بین سیم ارت (Ground) و سیم نول (Neutral) چیست؟
سیم ارت و سیم نول، هر دو به زمین متصل هستند، اما نقشها و عملکردهای کاملاً متفاوتی در سیستم الکتریکی دارند و هرگز نباید جایگزین یکدیگر شوند. اشتباه در تمایز و استفاده از آنها میتواند خطرات جدی ایمنی ایجاد کند:
سیم نول (Neutral Wire / N):
- نقش اصلی: هادی برگشت جریان در یک مدار الکتریکی است که جریان فعال مصرفی را از بار به سمت منبع (ترانسفورماتور یا ژنراتور) بازمیگرداند.
- وضعیت جریان: در شرایط عادی کارکرد سیستم، سیم نول همواره حامل جریان الکتریکی (معمولاً جریانهای نامی بار) است.
- اتصال به زمین: سیم نول در نقطه مشخصی از سیستم (معمولاً در پست برق ترانسفورماتور یا ورودی اصلی ساختمان) به زمین متصل میشود تا ولتاژ آن نزدیک به صفر ولت باقی بماند و یک نقطه مرجع برای سیستم ایجاد کند.
- هدف: تکمیل مدار الکتریکی و فراهم کردن مسیر بازگشت برای جریانهای مصرفی.
سیم ارت (Ground/Earth Wire / PE):
- نقش اصلی: یک هادی حفاظتی است که بدنه فلزی تجهیزات الکتریکی را به زمین متصل میکند. هدف آن، فراهم کردن مسیری با مقاومت بسیار پایین برای تخلیه جریانهای خطای احتمالی (مانند اتصال فاز به بدنه) به زمین است.
- وضعیت جریان: در شرایط عادی کارکرد سیستم، سیم ارت نباید حامل هیچ جریانی باشد. جریان تنها در صورت بروز خطا (مثل نشت جریان یا اتصال کوتاه) از طریق آن به زمین تخلیه میشود.
- اتصال به زمین: سیم ارت به یک الکترود یا شبکه ارتینگ در زمین متصل میشود.
- هدف: حفاظت از ایمنی افراد و تجهیزات با هدایت سریع جریانهای خطا به زمین و فعال کردن وسایل حفاظتی.
هشدار جدی: هرگز سیم نول را جایگزین سیم ارت نکنید. در صورت جایگزینی نول با ارت، در شرایط عادی نیز بدنه فلزی دستگاهها میتواند برقدار شود (زیرا نول حامل جریان است) که منجر به برقگرفتگیهای خطرناک میشود. سیم نول یک سیم کاری است، در حالی که سیم ارت یک سیم حفاظتی و ایمنی است.
چرا مقاومت سیستم ارت باید کمتر از 2 اهم باشد و این مقدار چگونه تعیین میشود؟
مقاومت سیستم ارت، که به آن مقاومت زمین (Earth Resistance) نیز گفته میشود، یکی از حیاتیترین پارامترها در طراحی و عملکرد صحیح سیستم ارتینگ است. مقدار 2 اهم (یا کمتر) برای بسیاری از کاربردهای صنعتی و حساس، یک هدف مهندسی و استاندارد محسوب میشود و دلایل متعددی برای این الزام وجود دارد:
دلایل اهمیت مقاومت ارت پایین (کمتر از 2 اهم):
- تخلیه سریعتر جریانهای خطا: هرچه مقاومت سیستم ارت کمتر باشد، جریان خطا (مانند جریان ناشی از اتصال کوتاه یا نشت جریان به بدنه) با سرعت و سهولت بیشتری به زمین منتقل میشود. این تخلیه سریع، از افزایش ولتاژ خطرناک روی بدنههای فلزی جلوگیری میکند.
- کاهش ولتاژ تماس و گام به سطح ایمن: در صورت بروز خطا، جریان خطا از طریق سیستم ارت به زمین تخلیه میشود. اگر مقاومت ارت بالا باشد، افت ولتاژ در مسیر ارت نیز زیاد خواهد بود (V=IR)، که منجر به ایجاد ولتاژهای بالا (ولتاژ تماس: ولتاژ بین فرد و بدنه دستگاه؛ ولتاژ گام: ولتاژ بین دو پای فرد روی زمین) در اطراف محل خطا میشود. مقاومت پایین ارت تضمین میکند که این ولتاژها به سطحی ایمن برای انسان کاهش یابد.
- عملکرد صحیح تجهیزات حفاظتی: بسیاری از کلیدهای حفاظتی (مانند فیوزها، کلیدهای مینیاتوری و رلههای ارت فالت) برای عمل کردن صحیح و قطع سریع برق در زمان خطا، به یک مسیر با مقاومت پایین به زمین نیاز دارند تا جریان خطای کافی برای تحریک آنها عبور کند. اگر مقاومت ارت بالا باشد، ممکن است جریان خطا به حد کافی برای عمل کردن این تجهیزات نرسد و خطر برقگرفتگی باقی بماند.
- رعایت استانداردهای بینالمللی و ملی: بسیاری از استانداردها و مقررات ایمنی برق (مانند NFPA 70 / NEC در آمریکا، IEC 60364 در اروپا، و استانداردهای ملی در ایران) مقادیر حداکثر مجاز برای مقاومت ارت را بر اساس نوع کاربرد و سطح ولتاژ تعیین میکنند. برای مثال، برای سیستمهای حفاظت از صاعقه یا مراکز داده، این مقدار میتواند حتی کمتر از 1 اهم باشد.
- کاهش نویز و پایداری سیستمهای حساس: برای تجهیزات الکترونیکی حساس، یک سیستم ارت با مقاومت بسیار پایین، یک نقطه مرجع ولتاژ پایدار را فراهم میکند و به کاهش نویزهای الکترومغناطیسی و تداخلات کمک میکند.
نحوه تعیین مقدار مقاومت: مقدار دقیق مقاومت مورد نیاز سیستم ارت به عوامل متعددی از جمله نوع تأسیسات (مسکونی، صنعتی، مخابراتی)، سطح ولتاژ، نوع خاک، و توصیههای استانداردهای مربوطه بستگی دارد. به طور کلی، هر چه سیستم پیچیدهتر و حساستر باشد، مقاومت ارت مورد نیاز نیز باید کمتر باشد. این مقدار باید توسط مهندسین برق و با توجه به محاسبات و اندازهگیریهای اولیه مقاومت مخصوص خاک تعیین شود.
اجرا، نصب و طراحی سیستم ارتینگ
چه نوع خاکی برای اجرای سیستم ارت مناسب است و چرا مقاومت مخصوص خاک مهم است؟
نوع خاک و ویژگیهای آن، عامل بسیار مهمی در طراحی و کارایی سیستم ارتینگ است. خاک به عنوان واسطهای برای انتقال جریان خطا به زمین عمل میکند و هرچه مقاومت آن کمتر باشد، تخلیه جریان بهتر انجام میشود.
ویژگیهای خاک مناسب برای سیستم ارت:
- رطوبت کافی: خاک مرطوب، رسانایی الکتریکی بالاتری دارد. رطوبت حداقل 15% برای عملکرد بهینه سیستم ارت ضروری است. خاکهای خشک، ماسهای یا سنگی، مقاومت بسیار بالایی دارند.
- مقاومت مخصوص پایین: این مهمترین ویژگی است. مقاومت مخصوص خاک (Earth Resistivity) نشاندهنده توانایی خاک در هدایت جریان الکتریکی است. هرچه این مقدار کمتر باشد (کمتر از 100 اهم-متر ایدهآل است)، جریان خطا راحتتر از طریق الکترود ارت به زمین منتقل میشود.
- pH مناسب (اسیدیته/قلیایی بودن): خاک با pH نزدیک به خنثی (بین 6.5 تا 7.5) برای عمر الکترودهای ارت مناسبتر است. خاکهای بسیار اسیدی یا قلیایی میتوانند باعث خوردگی سریعتر الکترودها شوند.
- میزان نمک و مواد معدنی محلول: وجود املاح و مواد معدنی در خاک، رسانایی آن را افزایش میدهد. خاکهای رسی و لومی معمولاً دارای املاح مناسبتری هستند.
- عدم وجود مواد خورنده: خاک نباید حاوی مواد شیمیایی یا ترکیبات آلی باشد که باعث خوردگی سریعتر الکترودهای ارت (مس، فولاد) شوند.
اهمیت مقاومت مخصوص خاک: قبل از طراحی و اجرای هر سیستم ارت، اندازهگیری مقاومت مخصوص خاک در عمقهای مختلف ضروری است. این اندازهگیری به مهندس کمک میکند تا بهترین مکان برای نصب الکترود، نوع و تعداد الکترودها و همچنین نیاز به استفاده از مواد کاهنده مقاومت (مانند بنتونیت) را تعیین کند. بدون این اندازهگیری، طراحی سیستم ارت ممکن است کارآمد نباشد یا استانداردهای لازم را برآورده نکند.
حداقل عمق دفن الکترود ارت چقدر باید باشد و چه عواملی بر آن تأثیر میگذارند؟
حداقل عمق دفن الکترودهای ارت (مانند میله ارت یا صفحه ارت) یک عامل کلیدی در دستیابی به مقاومت ارت مطلوب و پایداری سیستم است. این عمق به عوامل مختلفی بستگی دارد:
عمقهای رایج دفن الکترود ارت:
- برای الکترود میلهای (میل ارت): حداقل 2.5 متر. این عمق تضمین میکند که بخش عمدهای از میله در لایههای مرطوبتر و پایدارتر خاک قرار گیرد که تغییرات فصلی رطوبت کمتر بر مقاومت آن تأثیر میگذارند. در خاکهای با مقاومت بالا، ممکن است نیاز به دفن میلههای بلندتر یا کوبیدن چندین میله به صورت موازی باشد.
- برای صفحه ارت: حداقل 2 متر از سطح زمین. صفحه ارت باید به صورت عمودی یا افقی در عمقی دفن شود که رطوبت خاک در آن پایدار باشد و از یخزدگی در زمستان محافظت شود.
- برای شبکه ارت (مش): حداقل 0.5 تا 1 متر. شبکههای ارت معمولاً در زیر سطح زمین و در عمقی دفن میشوند که هم از آسیبهای فیزیکی محافظت شوند و هم به لایههای نسبتاً رسانا دسترسی داشته باشند. این شبکهها بیشتر در پستهای برق و تأسیسات بزرگ استفاده میشوند.
عوامل مؤثر بر عمق دفن:
- مقاومت مخصوص خاک: هرچه مقاومت مخصوص خاک در عمقهای بالاتر، بیشتر باشد، نیاز به عمق دفن بیشتر برای رسیدن به لایههای رساناتر است.
- تغییرات فصلی رطوبت: الکترود باید در عمقی دفن شود که رطوبت خاک در آن کمتر تحت تأثیر خشکسالی فصلی قرار گیرد.
- حفاظت در برابر یخزدگی: در مناطق سردسیر، عمق دفن باید بیشتر از عمق یخزدگی خاک باشد تا مقاومت ارت در زمستان افزایش نیابد.
- استانداردهای محلی: مقررات و استانداردهای ملی یا محلی ممکن است حداقل عمقهای مشخصی را تعیین کنند.
- نوع کاربرد: برای تأسیسات حساستر، عمق دفن ممکن است برای دستیابی به مقاومت کمتر و پایداری بیشتر، افزایش یابد.
اهمیت طراحی صحیح: تعیین عمق دفن و نوع الکترود باید بر اساس اندازهگیریهای مقاومت مخصوص خاک و محاسبات مهندسی توسط یک متخصص برق انجام شود. نادیده گرفتن این عوامل میتواند منجر به عملکرد نامناسب سیستم ارت و به خطر افتادن ایمنی شود.
آیا میتوان از لولههای آب فلزی یا اسکلت فلزی ساختمان به عنوان سیستم ارت استفاده کرد؟
استفاده از لولههای آب فلزی یا اسکلت فلزی ساختمان به عنوان تنها سیستم ارتینگ، در گذشته رایج بوده اما در استانداردهای مدرن و نوین به شدت توصیه نمیشود و در بسیاری از موارد ممنوع است. دلایل متعددی برای این عدم توصیه وجود دارد که به خطر افتادن ایمنی و کارایی سیستم مربوط میشود:
محدودیتها و خطرات استفاده از لولههای آب فلزی به عنوان ارت:
- امکان تعویض لولهها با لولههای پلاستیکی: امروزه بسیاری از لولهکشیهای جدید از مواد پلاستیکی (PVC, PEX) ساخته میشوند که عایق الکتریکی هستند و هیچ مسیر امنی به زمین فراهم نمیکنند. حتی اگر لولهها در حال حاضر فلزی باشند، ممکن است در آینده نزدیک تعویض شوند.
- اتصالات لولهها ممکن است با واشر عایق شده باشند: اتصالات و شیرآلات در سیستم لولهکشی ممکن است از واشرهای پلاستیکی یا مواد عایق دیگر استفاده کنند که رسانایی الکتریکی مسیر را قطع میکنند.
- احتمال قطع شدن لولهها در تعمیرات: در حین تعمیرات لولهکشی، ممکن است بخشی از لوله جدا شود و مسیر ارت را قطع کند، بدون اینکه کسی متوجه آن شود. این وضعیت میتواند منجر به برقدار شدن بدنهها شود.
- افزایش مقاومت اتصالات با گذر زمان: اتصالات فلزی لولهها ممکن است در اثر خوردگی یا شل شدن، مقاومت الکتریکی بالایی پیدا کنند و مسیر ارت را ناکارآمد سازند.
- مسیر نامشخص و مقاومت بالا: مقاومت سیستم لولهکشی به زمین قابل پیشبینی نیست و معمولاً مقاومت بالاتری نسبت به یک سیستم ارت طراحی شده دارد.
محدودیتها و خطرات استفاده از اسکلت فلزی ساختمان به عنوان ارت (به تنهایی):
- در حالی که اسکلت فلزی میتواند به عنوان یک تقویتکننده (electrode extender) در کنار یک سیستم ارت اصلی استفاده شود، اما به تنهایی کافی نیست.
- اتصالات بین قطعات فلزی سازه ممکن است مقاومت بالایی داشته باشند (به دلیل رنگ، زنگزدگی، یا کیفیت پایین جوش).
- مسیر اتصال اسکلت به زمین ممکن است به دلیل وجود فونداسیونهای بتنی عایق، مقاومت بالایی داشته باشد.
توصیه اکید: همواره یک سیستم ارت مستقل و اختصاصی با الکترودهای طراحیشده (میله، صفحه، یا شبکه) و سیمکشی مناسب ایجاد کنید. در برخی استانداردها، میتوان اسکلت فلزی ساختمان را به سیستم ارت اصلی (ایجاد شده با الکترودهای استاندارد) متصل کرد تا مقاومت کلی ارت کاهش یابد، اما هرگز نباید آن را جایگزین سیستم ارت اصلی دانست. ایمنی در برق شوخیبردار نیست.
نگهداری، بازرسی و تست سیستم ارت
چگونه میتوان مقاومت سیستم ارت را اندازهگیری کرد؟ روشها و ابزارهای لازم چیست؟
اندازهگیری مقاومت سیستم ارت (مقاومت زمین) یک فرآیند حیاتی برای اطمینان از عملکرد صحیح و ایمنی سیستم است. این اندازهگیری باید توسط افراد متخصص و با استفاده از دستگاههای استاندارد انجام شود. روشهای متداول عبارتند از:
۱. روش سهنقطهای (Fall-of-Potential Method / 3-Point Method):
- شرح: این رایجترین و دقیقترین روش برای اندازهگیری مقاومت یک الکترود ارت یا شبکه ارت است. در این روش، یک دستگاه ارتسنج (Earth Tester) استفاده میشود.
- نحوه اجرا:
- الکترود ارت مورد آزمایش (EUT) را از سیستم جدا کنید.
- دو میله کمکی (پراب) را در فواصل مشخصی از EUT به زمین میکوبند. یکی (C2 یا P2) برای تزریق جریان و دیگری (P1) برای اندازهگیری ولتاژ.
- دستگاه ارتسنج جریان کوچکی را به زمین از طریق EUT و میله C2 تزریق میکند و افت ولتاژ بین EUT و میله P1 را اندازهگیری میکند.
- دستگاه بر اساس قانون اهم (R=V/I) مقاومت ارت را محاسبه و نمایش میدهد.
- مزایا: دقت بالا، استانداردترین روش.
- معایب: نیاز به فضای کافی برای کوبیدن میلههای کمکی، تحت تأثیر تداخلات الکتریکی و شرایط خاک (به خصوص در محیطهای شهری).
۲. روش کلمپی (Clamp-on Earth Resistance Tester Method):
- شرح: این روش سریعتر و راحتتر است و نیازی به کوبیدن میلههای کمکی یا قطع کردن سیستم ارت ندارد.
- نحوه اجرا: کلمپ ارتسنج را دور کابل ارتینگ (مخصوصاً در سیستمهای چند ارت موازی) قرار میدهند. دستگاه همزمان یک ولتاژ را القا کرده و جریان برگشتی را اندازهگیری میکند تا مقاومت را محاسبه کند.
- مزایا: بسیار سریع، عدم نیاز به قطع سیستم، مناسب برای اندازهگیریهای روتین در سیستمهای پیچیده.
- معایب: دقت کمتر نسبت به روش سهنقطهای (به خصوص در سیستمهای تک ارت)، نمیتواند مقاومت یک الکترود تنها را به دقت اندازهگیری کند مگر اینکه سیستم کاملاً جدا باشد.
۳. روش چهارنقطهای (Wenner Method / 4-Point Method):
- شرح: این روش برای اندازهگیری مقاومت مخصوص خاک (Soil Resistivity) استفاده میشود، نه مقاومت الکترود ارت. مقاومت مخصوص خاک یک فاکتور کلیدی در طراحی سیستم ارت است.
- نحوه اجرا: چهار میله به صورت خطی و با فاصله مساوی در زمین کوبیده میشوند. جریان از طریق دو میله بیرونی و ولتاژ از طریق دو میله داخلی اندازهگیری میشود.
- کاربرد: قبل از طراحی و نصب سیستم ارت جدید برای تعیین بهترین مکان و عمق دفن.
نکته مهم: برای انجام تستهای دقیق، باید شرایط محیطی (مثل رطوبت خاک) و عدم وجود جریانهای سرگردان در زمین را در نظر گرفت. همیشه از تجهیزات کالیبره شده و توسط افراد آموزشدیده برای انجام این تستها استفاده کنید.
هر چند وقت یکبار باید سیستم ارت را بازرسی و تست کرد؟ اهمیت این بازرسیها چیست؟
سیستم ارت، برخلاف بسیاری از سیستمها، به مرور زمان و به دلیل عوامل محیطی (مانند تغییرات رطوبت خاک، خوردگی الکترودها، شل شدن اتصالات) میتواند دچار کاهش کارایی یا خرابی شود. بنابراین، بازرسی و تست دورهای آن برای حفظ ایمنی و عملکرد صحیح، کاملاً ضروری است.
برنامه زمانی پیشنهادی برای بازرسی و تست سیستم ارت:
- ساختمانهای مسکونی و تجاری عادی: حداقل سالی یکبار. این بازرسی شامل بررسی بصری اتصالات، کابلها، و در صورت امکان، اندازهگیری مقاومت ارت است.
- مراکز صنعتی و کارگاهها: هر 6 ماه یکبار. به دلیل وجود ماشینآلات سنگین، بارهای بالا، و احتمال بیشتر بروز خطا، نیاز به بازرسی و تستهای منظمتر است.
- مراکز حساس (مانند بیمارستانها، دیتاسنترها، مراکز مخابراتی): هر 3 ماه یکبار یا حتی ماهانه. پایداری و ایمنی در این مراکز حیاتی است و کوچکترین اختلال در سیستم ارت میتواند عواقب فاجعهباری داشته باشد.
- پس از هر تغییر در سیستم یا حادثه:
- پس از هرگونه تغییر عمده در سیمکشی یا اضافه شدن تجهیزات جدید.
- پس از هر حادثه طبیعی مانند صاعقه، سیل، یا زلزله که میتواند به سیستم ارت آسیب برساند.
- پس از هر رویداد خطای جدی (مانند اتصال کوتاه شدید) که باعث عملکرد کلیدهای حفاظتی شده است.
اهمیت بازرسیها و تستهای دورهای:
- حفظ ایمنی جان افراد: مهمترین دلیل، اطمینان از عملکرد صحیح سیستم در زمان خطا و جلوگیری از برقگرفتگیهای مرگبار است.
- محافظت از تجهیزات و کاهش خسارات: یک سیستم ارت سالم، از دستگاههای الکتریکی گرانقیمت در برابر اضافه ولتاژ و جریانهای خطا محافظت میکند.
- پایداری عملیاتی: در صنایع و مراکز حساس، سیستم ارت پایدار، عملکرد مداوم و بدون اختلال تجهیزات را تضمین میکند.
- رعایت الزامات قانونی و استانداردها: بسیاری از بیمهنامهها و مقررات صنعتی، بازرسیهای دورهای ارت را الزامی میدانند.
- شناسایی مشکلات قبل از حاد شدن: بازرسیهای منظم کمک میکند تا مشکلات کوچک (مانند خوردگی یا اتصالات شل) قبل از اینکه به خطرات جدی تبدیل شوند، شناسایی و برطرف گردند.
مسئولیت مهم: بازرسی، تست و نگهداری سیستم ارت باید توسط افراد متخصص و دارای گواهینامه معتبر انجام شود. ثبت دقیق نتایج تستها و انجام اقدامات اصلاحی ضروری است.
علائم خرابی یا عملکرد نادرست سیستم ارت چیست و چگونه میتوان آنها را تشخیص داد؟
تشخیص به موقع خرابی سیستم ارت میتواند از حوادث و خسارات جدی جلوگیری کند. اگرچه برخی از این علائم ممکن است دلایل دیگری هم داشته باشند، اما در صورت مشاهده، حتماً باید سیستم ارت را بررسی کنید:
نشانههای کلیدی خرابی سیستم ارت:
- افزایش مقاومت ارت در تستهای دورهای: این واضحترین و علمیترین نشانه است. اگر مقاومت اندازهگیری شده در طول زمان از حد مجاز (که در طراحی اولیه تعیین شده) افزایش یابد، به معنای افت کیفیت سیستم ارت است.
- برقگرفتگی خفیف یا احساس گزگز هنگام تماس با بدنه تجهیزات فلزی: این یک نشانه بسیار خطرناک است. اگر هنگام لمس بدنه فلزی یخچال، ماشین لباسشویی، یا هر دستگاه دیگری، احساس برقگرفتگی یا سوزش میکنید، به احتمال زیاد سیستم ارت دستگاه یا ساختمان مشکل دارد و ولتاژ خطا به درستی تخلیه نمیشود.
- عملکرد نامنظم یا خرابی مکرر تجهیزات الکترونیکی حساس: نوسانات ولتاژ، نویزهای الکترومغناطیسی و تداخلات، در غیاب یک ارتینگ موثر، بیشتر میشوند و میتوانند باعث عملکرد نادرست، ریست شدن، یا خرابی زودرس کامپیوترها، سرورها، و دستگاههای حساس کنترلی شوند.
- قطع مکرر و بیدلیل کلیدهای حفاظتی (فیوز، کلید مینیاتوری، محافظ جان): اگر کلیدهای حفاظتی بدون دلیل مشخصی (مانند اتصال کوتاه آشکار یا اضافه بار) قطع میشوند، ممکن است ناشی از نشت جریانهای کوچک به زمین باشد که سیستم ارت ضعیف قادر به تخلیه موثر آنها نیست.
- خوردگی یا آسیب فیزیکی قابل مشاهده در اتصالات ارت: بازرسی بصری اتصالات سیم ارت به الکترود، و همچنین در نقاط اتصال به تجهیزات، بسیار مهم است. خوردگی، زنگزدگی، یا شل شدن اتصالات میتواند مقاومت مسیر ارت را به شدت افزایش دهد.
- تغییر رنگ یا بوی سوختگی در پریزها یا کلیدها: این موارد معمولاً ناشی از مشکلات سیمکشی یا گرم شدن بیش از حد هستند، اما در برخی موارد میتوانند به سیستم ارت ضعیف نیز مرتبط باشند که باعث عدم تخلیه صحیح جریانها میشود.
اقدام فوری ضروری: در صورت مشاهده هر یک از این علائم، به خصوص احساس برقگرفتگی، فوراً از تماس با دستگاه مربوطه خودداری کرده و برق بخش مربوطه (یا کل ساختمان) را قطع کنید. سپس در اسرع وقت با یک متخصص برق یا شرکت مجری سیستم ارت تماس بگیرید تا سیستم به طور کامل بازرسی، عیبیابی و تعمیر شود. نادیده گرفتن این علائم میتواند منجر به حوادث مرگبار شود.
استانداردها و مقررات سیستم ارتینگ
مهمترین استانداردهای بینالمللی و ملی برای طراحی و اجرای سیستم ارت کدامند؟
رعایت استانداردها در طراحی و اجرای سیستم ارتینگ برای اطمینان از ایمنی، کارایی و انطباق با قوانین بسیار مهم است. چندین استاندارد مهم بینالمللی و ملی وجود دارند که اصول و الزامات سیستمهای ارت را تعریف میکنند:
استانداردهای مهم بینالمللی و ملی سیستم ارت:
- IEEE Std 80: "IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding"
- تمرکز: این استاندارد عمدتاً بر طراحی سیستمهای ارتینگ برای پستهای برق جریان متناوب (AC Substation) تمرکز دارد. هدف آن، حفاظت از افراد در برابر ولتاژهای خطرناک (تماس و گام) در اطراف پستها در زمان بروز خطاهای زمین است.
- اهمیت: مرجع اصلی برای مهندسین قدرت در طراحی ارتینگ پستهای بزرگ و پیچیده.
- IEEE Std 142: "IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and Commercial Power Systems" (IEEE Green Book)
- تمرکز: توصیههایی جامع برای طراحی، نصب و تست سیستمهای ارتینگ در تأسیسات صنعتی و تجاری ارائه میدهد. این استاندارد به انواع مختلف سیستمهای ارت، روشهای اندازهگیری و محاسبات میپردازد.
- اهمیت: یک راهنمای عملی برای مهندسین برق در طراحی ارتینگ کارخانجات، ساختمانهای اداری و تجاری بزرگ.
- IEC 60364 Series: "Low-voltage electrical installations"
- تمرکز: این سری از استانداردهای IEC (کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک) به طور جامع به طراحی و اجرای تأسیسات الکتریکی ولتاژ پایین (تا 1000 ولت AC و 1500 ولت DC) میپردازد و شامل بخشهای مفصلی درباره ارتینگ و حفاظت در برابر شوک الکتریکی است.
- اهمیت: این استاندارد مبنای بسیاری از مقررات و آییننامههای ملی در کشورهای مختلف جهان (به خصوص در اروپا و آسیا) است.
- NFPA 70: "National Electrical Code" (NEC) - آمریکا
- تمرکز: مجموعه قوانین و مقررات برای نصب ایمن سیمکشی و تجهیزات الکتریکی در ایالات متحده. بخشهای مفصلی درباره الزامات ارتینگ برای انواع مختلف تأسیسات دارد.
- اهمیت: استاندارد ملی برق در آمریکا و مبنای بسیاری از کدهای محلی و منطقهای.
- BS 7430: "Code of practice for protective earthing of electrical installations and lightning protection systems" - بریتانیا
- تمرکز: یک کد عملی جامع برای ارتینگ حفاظتی تأسیسات الکتریکی و سیستمهای حفاظت از صاعقه در بریتانیا.
- اهمیت: یکی از استانداردهای مرجع در کشورهای تحت نفوذ استاندارد بریتانیا.
- مقررات ملی ساختمان، مبحث ۱۳ (طرح و اجرای تأسیسات برقی ساختمانها) - ایران:
- تمرکز: این مبحث از مقررات ملی ساختمان ایران، الزامات کامل و جامعی را برای طراحی، اجرا، بازرسی و تست سیستمهای ارتینگ در ساختمانها ارائه میدهد.
- اهمیت: رعایت این مبحث برای تمام پروژههای ساختمانی در ایران الزامی است و مسئولیت قانونی دارد.
نکته مهم: در هر پروژه، باید به استانداردها و مقررات ملی و محلی مربوط به آن منطقه یا کشور توجه ویژه داشت. در حالی که استانداردهای بینالمللی مبنای علمی و فنی را فراهم میکنند، مقررات ملی جنبه قانونی و اجرایی دارند.
الزامات استاندارد برای اتصالات در سیستم ارتینگ چیست؟ چرا کیفیت اتصال مهم است؟
کیفیت اتصالات در سیستم ارتینگ به اندازه خود الکترود ارت و هادیهای آن اهمیت دارد. یک اتصال ضعیف میتواند مقاومت کل سیستم را به شدت افزایش دهد و هدف اصلی ارتینگ (ایمنی و حفاظت) را بیاثر کند. استانداردها بر روی الزامات زیر برای اتصالات تأکید دارند:
الزامات اصلی برای اتصالات در سیستم ارتینگ:
- استفاده از اتصالات استاندارد و تأیید شده: از بستها، کلمپها و کانکتورهایی استفاده شود که توسط سازمانهای استاندارد (مانند UL, IEC) تأیید شده باشند و برای استفاده در سیستمهای ارت طراحی شده باشند.
- مقاومت در برابر خوردگی: اتصالات باید از موادی ساخته شوند که در برابر خوردگی (مانند خوردگی گالوانیک بین فلزات مختلف یا خوردگی ناشی از مواد شیمیایی خاک) مقاوم باشند. استفاده از روشهای جوش احتراقی (Cadweld) برای اتصالات زیرزمینی به دلیل مقاومت بالا در برابر خوردگی بسیار توصیه میشود.
- تحمل جریان اتصال کوتاه: اتصالات باید قادر به تحمل جریانهای بسیار بالای اتصال کوتاه (خطا) برای مدت زمان معینی (تا زمانی که وسایل حفاظتی عمل کنند) بدون ذوب شدن یا قطع شدن باشند.
- کمترین مقاومت الکتریکی (مقاومت تماسی): هدف اصلی یک اتصال خوب، داشتن مقاومت الکتریکی بسیار ناچیز است. هرچه مقاومت اتصال کمتر باشد، جریان خطا راحتتر عبور میکند.
- اتصالات مکانیکی مستحکم: اتصالات باید از نظر مکانیکی به اندازهای محکم باشند که در اثر عوامل محیطی (مانند جابجایی خاک، لرزش) یا نیروهای مکانیکی (مانند کشش) شل نشوند یا قطع نگردند.
- قابلیت بازرسی و تعمیر (در صورت امکان): اگرچه بسیاری از اتصالات زیرزمینی دائمی هستند، اما در نقاطی که نیاز به بازرسی دورهای است (مانند محل اتصال به میله ارت در چاهک بازرسی)، باید قابلیت باز شدن و بررسی را داشته باشند.
اهمیت کیفیت اتصال: یک سیستم ارت با الکترودهای عالی و کابلهای با کیفیت، اما با اتصالات ضعیف، مانند یک زنجیر با حلقههای ضعیف است. ضعیفترین حلقه (اتصال) میتواند کارایی کل سیستم را به خطر بیندازد. مقاومت بالای یک اتصال میتواند در زمان خطا، باعث افزایش ولتاژ خطرناک در محل اتصال و حتی قطع شدن مسیر ارت شود.
حداکثر مقاومت مجاز سیستم ارت برای کاربردهای مختلف چقدر است؟
حداکثر مقاومت مجاز سیستم ارت (مقاومت زمین) بر اساس نوع کاربرد، حساسیت تجهیزات، و استانداردهای مربوطه متفاوت است. این مقادیر برای تضمین ایمنی افراد و عملکرد صحیح تجهیزات تعیین میشوند. این مقادیر، نمونههایی از حدود رایج و استاندارد هستند، اما همواره باید به مقررات ملی و محلی رجوع کرد:
مقادیر استاندارد مقاومت ارت برای کاربردهای مختلف:
- ساختمانهای مسکونی و تجاری عادی: کمتر از 5 اهم (Ω)
- این مقدار برای اکثر ساختمانهای عمومی، اداری و مسکونی به عنوان یک مقدار ایمن و قابل قبول در نظر گرفته میشود. هدف اصلی حفاظت جان ساکنین در برابر شوک الکتریکی است.
- تجهیزات صنعتی: کمتر از 2 اهم (Ω)
- به دلیل وجود بارهای بزرگ، موتورهای قوی، و احتمال بالاتر بروز جریانهای خطا، مقاومت ارت پایینتر برای این محیطها ضروری است تا ایمنی کارکنان و محافظت از ماشینآلات صنعتی گرانقیمت تضمین شود.
- مراکز مخابراتی: کمتر از 1 اهم (Ω)
- برای جلوگیری از تداخلات الکترومغناطیسی و نویز، و همچنین حفاظت از تجهیزات حساس مخابراتی که به ولتاژهای مرجع بسیار پایدار نیاز دارند.
- پستهای برق: کمتر از 0.5 اهم (Ω)
- در این محیطها، جریانهای اتصال کوتاه میتوانند بسیار بالا باشند. مقاومت بسیار پایین ارت برای محدود کردن ولتاژ تماس و گام به سطوح ایمن و عملکرد سریع سیستمهای حفاظتی حیاتی است.
- تجهیزات الکترونیک حساس: کمتر از 0.5 اهم (Ω)
- حتی نوسانات ولتاژ کوچک نیز میتواند باعث اختلال در عملکرد این تجهیزات شود. ارتینگ بسیار موثر، نویز را کاهش داده و یک مرجع ولتاژ پایدار را فراهم میکند.
- سیستمهای حفاظت از صاعقه: کمتر از 10 اهم (Ω)
- اگرچه این مقدار ممکن است بالاتر به نظر برسد، اما هدف اصلی در سیستم صاعقهگیر، فراهم کردن مسیری برای تخلیه سریع جریانهای عظیم صاعقه است. با این حال، مقاومت کمتر، ایمنی بالاتری را فراهم میکند.
توجه مهم: این مقادیر میتوانند بر اساس استانداردهای ملی هر کشور (مانند مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان در ایران) یا حتی الزامات خاص شرکتهای برق منطقهای، متفاوت باشند. همواره باید به جدیدترین نسخههای این استانداردها و مقررات مربوط به حوزه فعالیت خود مراجعه کنید. در مناطق با خاک رسانا، دستیابی به مقاومتهای پایینتر آسانتر است، در حالی که در خاکهای سنگی یا ماسهای، ممکن است نیاز به طراحیهای پیچیدهتر و استفاده از مواد کاهنده مقاومت باشد.
فرمولها و محاسبات کلیدی سیستم ارت
چگونه مقاومت مخصوص خاک (Soil Resistivity) را با استفاده از روش ونر (Wenner Method) محاسبه کنیم؟
مقاومت مخصوص خاک ($\rho$) یک فاکتور اساسی در طراحی سیستم ارتینگ است که نشان میدهد خاک چقدر در برابر عبور جریان مقاومت میکند. روش ونر (Wenner Four-Point Method) یکی از دقیقترین و رایجترین روشها برای اندازهگیری این پارامتر است.
فرمول محاسبه مقاومت مخصوص خاک (روش ونر):
$$\rho = 2 \pi a R$$
در این فرمول:
- $\rho$: مقاومت مخصوص خاک (با واحد اهم-متر یا Ω·m). این همان مقداری است که به دنبال محاسبه آن هستیم.
- $\pi$: عدد پی (تقریباً 3.14159).
- $a$: فاصله یکنواخت بین الکترودها (با واحد متر). در روش ونر، چهار الکترود (میله) به صورت خطی و با فواصل مساوی در زمین کوبیده میشوند. این فاصله ($a$) در تمام طول اندازهگیری ثابت است.
- $R$: مقاومت اندازهگیری شده توسط دستگاه ارتسنج (با واحد اهم یا Ω). این مقداری است که ارتسنج در حین تزریق جریان از طریق دو میله بیرونی و اندازهگیری ولتاژ از طریق دو میله داخلی، نمایش میدهد.
نحوه اجرای روش ونر:
- چهار میله (الکترود) فلزی کوچک را به صورت خطی و در یک راستا، با فواصل مساوی ($a$) در زمین بکوبید.
- دو میله بیرونی را به پایانههای تزریق جریان دستگاه ارتسنج (C1 و C2) متصل کنید.
- دو میله داخلی را به پایانههای اندازهگیری ولتاژ دستگاه ارتسنج (P1 و P2) متصل کنید.
- دستگاه را روشن کرده و مقدار مقاومت ($R$) را بخوانید.
- مقدار $R$ اندازهگیری شده و فاصله $a$ را در فرمول $\rho = 2 \pi a R$ جایگذاری کنید تا مقاومت مخصوص خاک محاسبه شود.
اهمیت: اندازهگیری مقاومت مخصوص خاک در اعماق مختلف، برای طراحی بهینه سیستم ارت (تعیین تعداد، نوع، و عمق الکترودها) ضروری است. این اندازهگیری باید در چندین نقطه و در فواصل مختلف $a$ انجام شود تا تصویری دقیق از ویژگیهای خاک در محل پروژه به دست آید.
فرمول محاسبه تقریبی تعداد میلههای ارت مورد نیاز برای رسیدن به مقاومت هدف چیست؟
پس از اندازهگیری مقاومت مخصوص خاک، مرحله بعدی طراحی، تعیین تعداد الکترودهای مورد نیاز (مانند میلههای ارت) برای رسیدن به مقاومت هدف سیستم است. این فرمول یک تخمین اولیه ارائه میدهد و باید توسط مهندسین برق با استفاده از نرمافزارها و استانداردهای دقیقتر تأیید شود.
فرمول تقریبی محاسبه تعداد میلههای ارت:
$$N = \frac{R_1}{R_T} \times \eta$$
در این فرمول:
- $N$: تعداد میلههای ارت مورد نیاز (به صورت تقریبی).
- $R_1$: مقاومت یک میله ارت تنها (با واحد اهم یا Ω). این مقدار باید با کوبیدن یک میله در محل و اندازهگیری مقاومت آن (با روش سهنقطهای) به دست آید.
- $R_T$: مقاومت ارت هدف (با واحد اهم یا Ω). این همان مقاومت نهایی است که سیستم ارت باید داشته باشد (مثلاً 2 اهم برای صنعت یا 5 اهم برای مسکونی).
- $\eta$: ضریب تأثیر متقابل (Mutual Coupling Factor) (معمولاً بین 0.7 تا 0.9). این ضریب نشاندهنده این است که با افزایش تعداد میلهها، مقاومت کلی سیستم به صورت خطی کاهش نمییابد، زیرا میدانهای الکتریکی میلهها با هم تداخل پیدا میکنند. هرچه میلهها به هم نزدیکتر باشند، $\eta$ بزرگتر است. برای طراحیهای اولیه، میتوان از 0.8 استفاده کرد.
توجه مهم: این فرمول یک تخمین ساده است. در عمل، طراحی شبکههای ارت چند میلهای پیچیدهتر است و نیاز به در نظر گرفتن فاصله بین میلهها، آرایش هندسی (خطی، مثلثی، مربعی) و عمق دفن دارد. نرمافزارهای تخصصی مانند CDEGS یا ETAP برای طراحی دقیق و بهینه سیستمهای ارت پیچیده استفاده میشوند.
چطور سطح مقطع هادی ارت (سیم ارت) را محاسبه کنیم؟ اهمیت این محاسبه چیست؟
سطح مقطع هادی ارت (سیم ارت) باید به اندازهای باشد که بتواند جریان اتصال کوتاه (خطا) را برای مدت زمان لازم (تا عمل کردن وسایل حفاظتی) بدون گرم شدن بیش از حد و آسیب دیدن، به زمین منتقل کند. انتخاب سطح مقطع نامناسب میتواند منجر به ذوب شدن سیم و از بین رفتن مسیر ایمنی شود. این محاسبه بر اساس استانداردهای (مانند IEC 60364) انجام میشود.
فرمول محاسبه سطح مقطع هادی ارت:
$$A = \frac{I \sqrt{t}}{k}$$
در این فرمول:
- $A$: سطح مقطع هادی ارت (با واحد میلیمتر مربع یا mm²). این همان مقداری است که به دنبال محاسبه آن هستیم.
- $I$: جریان اتصال کوتاه (با واحد آمپر یا A). این حداکثر جریانی است که در صورت بروز خطای فاز به زمین، از طریق هادی ارت عبور خواهد کرد. این مقدار باید از محاسبات اتصال کوتاه سیستم تعیین شود.
- $t$: زمان عملکرد حفاظت (با واحد ثانیه یا s). این مدت زمانی است که طول میکشد تا وسیله حفاظتی (فیوز یا کلید) در صورت بروز خطای اتصال کوتاه، برق را قطع کند. این زمان معمولاً بسیار کوتاه (مثلاً 0.1 تا 1 ثانیه) است.
- $k$: ضریب ثابت ماده هادی (بدون واحد). این ضریب به نوع ماده هادی (مس یا آلومینیوم) و دمای نهایی مجاز آن بستگی دارد.
- برای مس: k معمولاً حدود 143 (برای دمای نهایی 250 درجه سانتیگراد) یا 226 (برای دمای نهایی 700 درجه سانتیگراد، برای مدت زمان کوتاه) است.
- برای آلومینیوم: k معمولاً حدود 90 (برای دمای نهایی 200 درجه سانتیگراد) است.
- نکته: مقدار دقیق $k$ باید از جداول استانداردهای مربوطه (مثلاً IEC 60364-5-54) استخراج شود.
اهمیت این محاسبه: انتخاب صحیح سطح مقطع هادی ارت برای ایمنی سیستم و حفاظت جان افراد و تجهیزات حیاتی است. هادی ارت باید قادر باشد جریان خطای بسیار بالا را بدون آسیب رساندن به خود (ذوب شدن) یا ایجاد افت ولتاژ زیاد، به زمین منتقل کند. این محاسبه باید توسط مهندس برق انجام شود و معمولاً حداقل سطح مقطعهای استاندارد نیز باید رعایت گردند (مثلاً 16 میلیمتر مربع برای مس در بسیاری از موارد).