مقایسه انواع مختلف الکترود زمین

چکیده:

چه نوع الکترود‌هایی برای اتصال به زمین وجود دارد؟


اتصال زمین به عنوان فرآیندی تعریف می‌شود که در آن اتصال الکتریکی یک شی ء. فلزی به زمین توسط یک سیستم الکترود زمین، برقرار می‌شود. 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 رایج‌ترین وسیله اتصال به زمین شناخته می‌شود. میله هدایت شده از اوایل شروع کاربرد الکتریسیته مورد کاربرد قرار گرفته است، به طوری که تاریخ آن حتی به زمان بنجامین فرانکلین می‌رسد

میله هدایت شده (به زمین)

معمولاً هزینه میله‌های هدایت شده بالا نیست، اما سادگی نصب آن‌ها به نوع خاک و زمینی وابسته است که بر روی آن نصب می‌شوند. 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 می‌شود و آن را به درون زمین هدایت می‌کنیم، با سنگ و صخره برخورد خواهد کرد. زمین‌های پر صخره مشکلاتی مانند رشد قارچ گونه سر میله را ایجاد می‌کنند، هدایت کردن میله‌ها به درون زمین دشوار خواهد شد.

از آنجا که میله‌های 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 می‌گیرد که می‌تواند یک مشکل ایمنی به وجود آورد. در بسیاری از مواقع سقوط‌هایی برای افرادی رخ داده است که سعی کرده بودند این میله‌ها را از روی یک نردبان به درون زمین هدایت کنند.

کد الکتریکی ملی (NEC) مشخص کرده است که میله‌ها 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 می‌شود. بیشتر میله‌های استفاده شده توسط پیمانکاران صنعتی و تجاری دارای طول ۸ فوت (حدود ۲.۵ متر) هستند. در بسیاری از نمونه‌های صنعتی این مقدار به عنوان حداقل در نظر گرفته شده است.

یکی از سوء برداشت‌های رایج آن است که پوشش مسی بر روی یک میله استاندارد به دلایل الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. 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 میله‌های گالوانیزه به منظور حل کردن نگرانی‌های 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 سیستم‌های مربوطه محسوب می‌شوند. به طور کلی، میله‌های گالوانیزه در همه محیط‌ها به استثنای محیط‌هایی با نمک بالا، به عنوان گزینه بهتری در نظر گرفته می‌شوند.

یکی از معایب دیگر میله‌های مس اندود آن است که مس و فولاد دو ماده غیر مشابه هستند. زمانی که یک جریان الکتریکی وارد می‌کنیم، الکترولیز رخ خواهد داد علاوه براین، وارد کردن میله به درون خاک می‌تواند به پوشش مسی آسیب رسانده و عناصر فاسد کننده در خاک می‌توانند 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 میله‌ها تأثیر گذاشته و به طور متوسط طول عمری تا ۱۵ سال در شرایط خاک مناسب برای آن‌ها فراهم می‌کنند. میله‌های هدایت شده دارای مساحت سطحی بسیار کوچکی هستند که معمولاً همیشه برای برقراری تماس با خاک مناسب نخواهد بود. این موضوع به ویژه در خاک‌های پر صخره صحت دارد، زیرا میله تنها با لبه‌های سنگ‌های اطراف تماس پیدا خواهد کرد.

یکی از مثال‌های خوب موردی است که در آن میله توسط مرمر‌های بزرگ احاطه می‌شود. 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 می‌یابد، هدایت کاهش می‌باید و توانایی میله برای کنترل کردن خرابی‌های جریان بالا محدود می‌شود.

میله‌های پیشرفته

میله‌های پیشرفته گونه‌های مهندسی شده میله استاندارد هستند که چندین بهبود کلیدی در آن‌ها پیاده سازی می‌شود. با توجه به آنکه این میله‌ها مقاومت فیزیکی پایین تری از خود نشان می‌دهند، در نتیجه میتوان به سرعت آن‌ها را در محیط‌های مناسب‌تر نصب کرد. طراحی مدولار این میله‌ها می‌تواند حوادث را در زمان نصب کاهش دهد. مساحت سطحی بزرگ‌تر می‌تواند هدایت الکتریکی بین خاک و الکترود را بهبود بخشد.

میله‌های پیشرفته

 

میله‌های پیشرفته معمولاً با استفاده از یک سوراخ کن ضربه‌ای استاندارد به درون زمین هدایت می‌شوند. این اقدام به مقدار قابل توجهی زمان نصب را کاهش می‌دهد. معمولاً نوک میله‌های پیشرفته از کربید ساخته شده و مشابه با یک مته سنگ بری عمل می‌کند و در نتیجه میله می‌تواند با راحتی بیشتری از درون صخره عبور کند. میله‌های پیشرفته دارای ماهیت مدولار هستند و با طول پنج فوت (حدود ۱.۵ متر) طراحی می‌شوند. این میله‌ها 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 می‌شود. میله‌های پیشرفته در طبقه بندی مشابه‌ای با یک میله استاندارد قرار گرفته و مقررات و نیازمندی‌های یکسانی را دارد.

در آب و هوای شدید شمال و جنوب کره زمین، یخ زدگی به عنوان یک نگرانی بزرگ محسوب می‌شود. زمانی که یخبندان در هر زمستان شروع می‌شود، اشیای زیر خاک معمولاً بالا آمده و از زمین خارج می‌شوند. میله‌های اتصال به زمین به طور ویژه نسبت به این موضوع آسیب‌پذیر هستند. بعضی اوقات صفحات متحرک به انتهای میله‌ها جوش داده می‌شوند تا اینکه از خارج شدن آن‌ها به دلیل یخ زدگی جلوگیری شود. با وجود این، باید حفره‌ای در درون زمین ایجاد شود تا صفحات متحرک در درون خاک جای گیرند که خود می‌تواند هزینه‌های نصب را افزایش دهد. میله‌های 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 می‌شود. 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

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 می‌کند، 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 می‌شود 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 می‌شود، برای صفحات اتصال به زمین نیز مشکل ساز خواهند بود.

اتصال زمین یوفر یا الکترود‌های محصور شده در بتن

در گذشته، زمین‌های یوفر الکترود‌های مسی بودند که در درون یک حصار بتنی اطراف انبار‌های مهمات قرار می‌گرفتند.

امروزه زمین‌های یوفر به شکل زیر تعریف می‌شوند: هر الکترود محصور شده در بتن مانند میلگرد در فونداسیون ساختمان که برای اتصال به زمین استفاده می‌شود یا یک سیم یا مش سیمی که در بتن قرار دارد را زمین یوفر می‌گویند.

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 می‌دهند. با وجود این، ناحیه اثر افزایش پیدا نمی‌کند 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 می‌دهد، جریان الکتریکی باید از طریق بتن به درون زمین هدایت شود. بتن با توجه به ماهیت خود مقدار زیادی آب را حفظ می‌کند و در نتیجه با عبور کردن جریان الکتریکی از درون بتن، دما افزایش پیدا می‌کند. 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 می‌کنند و در نتیجه مقدار مقاومت الکترود نسبت به زمین به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا می‌کند.

 

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. رایج‌ترین آن‌ها محصولات بتن اصلاح شده هستند که مواد رسانا را در درون مخلوط سیمان یکپارچه سازی می‌کنند. 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 می‌دهند. مهم‌ترین بهبود به دست آمده در این محصولات جدید آن است که حرارت جمع شده در زمان شرایط خرابی را کاهش می‌دهند 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 نگرانی‌های مهم مرتبط با بتن‌های تقویت شده، استفاده کردن از کربن در مخلوط است. کربن و مس دارای خصوصیات متفاوتی بوده و در طول زمان یکدیگر را فرسایش می‌دهند. بسیاری از این محصولات ادعا می‌کنند 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
‌
می‌توان از زمین‌های یوفر یا فونداسیون‌های 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 هادی‌های زمین و میلگرد دفن شده در بتن وجود داشته باشد.

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 می‌کند. عیب اولیه در مدت شرایط خرابی رخ می‌دهد. 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 عیب‌های دیگر زمین یوفر، آن است که در شرایط عادی نمی‌توان 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 نیازمندی‌های بالا را برآورده کند و در ساختمان‌های بلند معمولاً مورد استفاده قرار می‌گیرد. توجه داشته باشید بسیاری از مالکان این ساختمان‌ها در حال ممنوع کردن این رویه هستند و تأکید می‌کنند مستاجر‌ها باید سیم‌های زمین را به محل‌های سرویس ثانویه در کف متصل کنند. مالکان خود از قبل سیم‌ها را از محل سرویس‌های ثانویه به محل‌های سرویس اولیه رسانده و سیستم‌های اتصال به زمین را در این محل‌ها نصب کردند. هدف پیشگیری از جاری شدن جریان‌های نشتی است که می‌توانند در عملیات تجهیزات الکترونیک حساس مداخله کنند.

لوله‌های آب

لوله‌های 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 عایق‌های پلاستیکی در خط لوله‌ها 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، لوله‌ها 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 لوله‌های آب باید به زمین متصل شوند، حتی اگر لوله‌ها 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 نمک‌های طبیعی زمین و خشک کننده‌هایی پر می‌شود که رطوبت هوا را جذب می‌کنند. رطوبت با نمک‌ها ترکیب شده و یک محلول الکترولیت تشکیل می‌دهد که به طور مداوم به درون مواد پرسازی اطراف نفوذ کرده و آن‌ها را مرطوب نگه داشته و محتوای یونی بالایی فراهم می‌کند.

الکترود الکترولیتی

الکترود الکترولیتی داخل یک حفره نصب شده و با مواد خاص رسانا پر می‌شود. این ماده ویژه از الکترود در مقابل فرسایش محافظت کرده و هدایت پذیری آن را بهبود می‌بخشد. محلول الکترولیت و ماده پرسازی همراه با هم اتصالی قوی بین الکترود و خاک اطراف فراهم می‌کنند که تأثیرات دما، محیط و فرسایش در آن وجود ندارد. این الکترود فعال به عنوان تنها الکترود فعالی در نظر گرفته می‌شود که همراه با گذشت زمان بهبود پیدا می‌کند. در گونه‌های 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 ویژگی‌های مهم، که ممکن است در انتخاب الکترود مناسب کمک کند مقایسه شده است.

* تخلیه الکتریکی جریان‌های زیاد می‌تواند به فونداسیون آسیب برساند. زمانی که آب در داخل بتن به بخار تبدیل می‌شود.

** 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 می‌تواند تحمل کند.