۶ سوال متدوال در زمینه ارتینگ

۱. زمین کردن چیست؟ و اصلا چرا باید به زمین وصل شویم؟

زمین الکتریکی یا "زمین کردن" در ابتدا به‌عنوان یک اقدام ایمنی جهت حفاظت از تماس غیر مستقیم افراد (به طور تصادفی) در برابر شوک الکتریکی بوجود آمد. به یخچال خود فکر کنید. یخچال جعبه فلزی است که روی پایه‌های لاستیکی ایستاده است و برق در داخل و خارج از آن جریان دارد. شما از آهن‌ربا استفاده می‌کنید تا آخرین نقاشی کودک خود را روی قسمت بیرونی فلزی آن قرار دهید. برقی که از طریق پریز و از طریق سیم به اجزای الکتریکی داخل یخچال منتقل می‌شود از بدنه‌ی فلزی آن عایق شده است.

اگر بنا به دلایلی برق با شاسی فلزی آن در تماس باشد، پایه‌های لاستیکی مانع از رفتن برق به هر جایی می‌شوند و منتظر می‌مانند تا کسی یخچال را لمس کند. هنگامی که کسی یخچال و یا فریزر را لمس کرد، برق از شاسی یخچال و فریزر و از طریق شخص بدشانس جریان می‌یابد، که احتمالاً باعث صدمه می‌شود.

زمین کردن برای محافظت از آن شخص استفاده می‌شود. با اتصال سیم به قاب فلزی یخچال و فریزر، اگر شاسی به هر دلیلی سهواً برق‌دار شود، برق ناخواسته از سیم عبور کرده و با خیال راحت وارد زمین می‌شود؛ و در این فرآیند، از وسیله حفاظتی مدار عبور کرده و باعث عمل کردن وسیله حفاظتی شده و در نتیجه برق قطع می‌شود. بدیهی است که این سیم باید به چیزی وصل شود (الکترود زمین).

عمل اتصال الکتریکی بدنه تجهیزات به زمین در اصطلاح اروپایی "زمین کردن" نامیده می‌شود و در اصطلاح آمریکایی "گراندینگ"

در حالی که اتصال به زمین ممکن است در ابتدا فقط به‌عنوان یک اقدام ایمنی در نظر گرفته شود، اما با پیشرفت‌های عصر حاضر در الکترونیک و فناوری، اتصال به زمین به بخشی اساسی و جدایی‌ناپذیر از صنعت برق امروزه تبدیل شده است. کامپیوترها، تلویزیون‌ها، اجاق‌های مایکروویو، چراغ‌های فلورسنت و بسیاری از دستگاه‌های برقی دیگر، "نویز الکتریکی" زیادی تولید می‌کنند که می‌تواند به تجهیزات آسیب برساند و باعث ناکارآمدتر شدن آن‌ها شود. زمین الکتریکی مناسب نه تنها این "نویز‌ها ناخواسته" را برطرف می‌کند، بلکه حتی باعث می‌شود وسیله‌های حفاظتی بهتر نیز کار کنند.

۲. الکترود زمین چیست؟

الکترود هر چیزی است که در زمین قرار می‌گیرد و برای تأمین اتصال الکتریکی به زمین استفاده می‌شود. رایج‌ترین الکترود، میله‌ی فولادی با روکش مس است. این میله یا راد در اصل یک شاخه به طول عموما ۳ متر از فولاد است که با روکش مسی پوشانده شده و به زمین کوبیده می‌شود. فرآیند نصب الکترود را "زمین کردن" می‌نامند. از الکترود‌های دیگر می‌توان به الکترود صفحه‌ای، الکترود مدفون در بتن، لوله‌های آب، الکترود زمین فونداسیون، الکترود زمین الکترولیتی را نام برد که فقط تعدادی از انواع الکترود‌های موجود هستند.

هر الکترود مزایا و معایب مربوط به خود را دارد. مثلا راد فولادی با روکش مسی، قیمت پایینی دارد، اما کوبیدن آن در خاک معمولا وقت‌گیر و مشکل است. همچنین نسبت به بعضی از الکترود‌ها دارای خاصیت الکتریکی ضعیف‌تری است. از سوی دیگر، راد‌های الکترولیتی هزینه‌ی بالایی را جهت نصب لازم دارند، ولی تماس بهتری را با خاک برای ما فراهم می‌کنند.

۳. مقاومت زمین چیست؟

متداول‌ترین معیار عملکردی یا مشخصات مورد استفاده در مورد الکترود زمین، مقاومت در برابر زمین یا معمولاً "مقاومت زمین" نامیده می‌شود. در دنیای برق، مقاومت چیزی است که مخالف جریان برق باشد. تا حالا شما چیزی راجع به "ابر رساناها" که در یک دهه گذشته در اخبار زیاد بحث شده است، شنیده‌اید؟ دانشمندان با داشتن هادی‌های فوق العاده سعی در تولید ماده‌ای با مقاومت صفر در برابر جریان الکتریکی را دارند. آن‌ها هنوز در سطح عملی موفق به این کار نشده‌اند.

معلوم است که تمام مواد شناخته شده دارای مقداری مقاومت الکتریکی (حتی مس) هستند؛ بنابراین به همین ترتیب می‌توانید در نظر بگیرید که خاک، سنگ و ماسه مقاومت‌های مختلفی دارند و بر اساس ترکیب خاص خاک، مقاومت در برابر جریان الکتریکی در قسمتی که شما بوسیله‌ی الکترود به زمین وصل شده‌اید می‌تواند بسیار متفاوت باشد. در حقیقت، مقاومت خاک (در هر متر مکعب) می‌تواند از مکانی تا مکانی دیگر بعضا تا هزاران اهم متفاوت باشد (اهم یک واحد اندازه‌گیری است که برای مقاومت مورد استفاده قرار می‌گیرد) و این مورد می‌تواند تفاوت زیادی در میزان کارآمد بودن زمین شما ایجاد کند.

مقاومت در برابر زمین (یا مقاومت زمین) اندازه مقاومت واقعی الکترود‌ها در سیستم زمینی است که احداث کرده‌ایم. این اندازه‌گیری برای اطمینان از این مطلب است که مقاومت تک الکترود‌ها ۲۵ اهم و یا کمتر به‌دست بیاید. هر چند شرکت‌های مخابراتی معمولاً برای حفظ الزامات معتبر در مورد ضمانت، به مقدار ۵ اهم یا کمتر نیاز دارند.

۴. مقاومت ویژه خاک چیست؟

ما می‌توانیم مقاومت الکتریکی تقریباً هر چیزی، از جمله خاک را اندازه‌گیری کنیم. درک مقاومت در برابر جریان الکتریکی که خاک در اختیار شما قرار می‌دهد، مهندسان را قادر می‌سازد تا سیستم‌های زمینی را طراحی و اجرا کنند که معیار‌های مهندسی را رعایت کند. تفاوت مقاومت و مقاومت ویژه نسبتاً ساده است.

مقاومت ویژه مقاومتی است که بر حسب وزن یا حجم قرار تعریف می‌شود، مانند "مقاومت یک کیلوگرم مس" یا "مقاومت یک گالن آب". در مورد خاک، می‌خواهیم یک حجم خاص را اندازه بگیریم، به طور معمول "متر مربع". بنابراین، مقاومت خاک بر حسب "اهم متر" تعریف می‌شود.

۵. تفاوت مقاومت الکترود زمین و مقاومت ویژه خاک چیست؟

مقاومت ویژه خاک مقدار مقاومت خود زمین است. مقاومت الکترود زمین اندازه‌گیری مقاومت الکترود‌های (فلزی) قرار داده شده در زمین در برابر زمین است.

۶. چه معیار‌های دیگری جهت عملکرد الکتریکی صحیح برای الکترود‌های زمین وجود دارد؟

علاوه بر مقاومت الکترود زمین، سایر فاکتور‌های تعیین شده در انتخاب الکترود‌ها عبارتند از: قدرت تحمل جریان عبوری از الکترود، مقاومت در برابر خوردگی، طول عمر بالا، مقاوم در برابر تغییرات دمایی و البته مقدار مقاومت مطلوب در طول زمان.

تغییرات دمایی فصول سال می‌تواند تغییرات چشمگیری در مقاومت ویژه خاک ایجاد کند و از این طریق مقاومت الکترود زمین را تحت تأثیر قرار دهد. این امر به ویژه در مناطقی که لایه‌ای از خاک منجمد می‌شود بیشتر احساس می‌شود.

۷. چرا احتیاج به مهندس برق برای طراحی سیستم زمین داریم؟

پاسخ کوتاه به این سوال ساده است: پول! چرا یک مهندس معمار نقشه‌هایی را برای ساختمان شما تهیه کرده است؟ زیرا قبل از شروع ساخت باید برنامه‌ای داشته باشید. آیا می‌توانید یک شرکت ساختمانی را که در یک پروژه بدون نقشه و بدون اطلاع از اینکه قصد ساخت یک آسمان خراش یا یک آپارتمان را دارد، تصور کنید؟

به طور مثال در بسیاری از پروژه‌ها جهت دستیابی به مقدار مقاومت ۵ اهم برای سیستم زمین مورد نیاز، سیستم زمین می‌تواند به سادگی چند راد (میله) کوبیده شده باشد و یا به اندازه‌ای پیچیده باشد که متشکل از الکترود‌های الکترولیتی عمیق ۱۵ متری با شعاعی عظیم که ده‌ها متر از محل دور می‌شوند را شامل شوند. حفر زمین یکی از پر هزینه‌ترین کار‌ها در ساخت یک پروژه است. مهندس طراح برق قبل از استفاده از پروژه، سیستم ارتینگ مورد نظر را تضمین می‌کند و به مقدار مقاومت مورد نظر خواهید رسید.


۸. افزایش پتانسیل زمین چیست؟

افزایش پتانسیل زمین (Ground Potential Rise یا GPR) پدیده‌ای است که وقتی مقدار زیادی از جریان الکتریکی وارد زمین می‌شود اتفاق می‌افتد. این اتفاق در مورد صاعقه، خطای خط انتقال برق (ولتاژ بالا) و در پست‌های برق اتفاق می‌افتد. این برق (جریان الکتریکی) باید به جایی برود، و دقیقاً مانند سنگریزه‌ای که درون استخر آب می‌افتد، برق از نقطه برخورد به زمین درست مانند موج‌های موجود در استخر آب دور می‌شود. می‌توانید تصور کنید که هرچه به نقطه برخورد نزدیکتر باشید، جریان الکتریکی بیشتری را نیز در معرض خود قرار می‌دهید. GPR معمولاً با واحد ولت اندازه‌گیری می‌شود.

با عبور جریان الکتریکی از سطح زمین، برق با اشیاء مختلفی از جمله تجهیزات و هر پرسنلی که در راه خود ایستاده‌اند، در تماس خواهد بود. در مسیر عبور جریان، احتمال آسیب دیدگی به پرسنل و آسیب دیدن تجهیزات وجود دارد. GPR پدیده‌ی بسیار مهمی است و نباید به سادگی با آن برخورد کرد. مهندسان برق می‌توانند از برنامه‌های کامپیوتری ویژه‌ای برای شبیه سازی پدیده Ground Potential Rise در کامپیوتر استفاده کنند و سیستم‌های زمین کارآمد را طراحی کنند تا از افراد و تجهیزات در برابر این ولتاژ‌های مخرب محافظت کنند.