اجرای سیستم اتصال به زمین برای حفظ عملکرد ایمن و قابل اعتماد شبکه برق و همچنین تضمین ایمنی دستگاه‌های برق و اپراتورها بسیار مهم است. اما مقاومت بافت زمین در مناطق مختلف متفاوت است، لذا جریان‌های مخرب به یک میزان در زمین انتقال نمی‌یابند. در مواقعی که مقدار مقاومت بافت زمین بالا باشد می‌توان اجرا و نگهداری چاه ارت را برای ایمن نگه داشتن شبکه در دستور کار قرار داد. با توجه به نفوذ آب در خاک‌های زیرزمینی، در صورتی که بتوان جریان مخرب را تا عمق خاصی از خاک هدایت نمود، این جریان از طریق لایه‌های هادی خاک به زمین منتقل شده و ایمنی شبکه، پست‌ها و دستگاه‌های برقی حفظ می‌شود. اجرا و نگهداری چاه ارت به ما کمک می‌کند تا بتوانیم ارت فالت را تا لایه‌های هادی بستر هدایت نماییم.
در چه پروژه‌هایی به اجرا و نگهداری چاه ارت نیاز داریم؟
اجرا و نگهداری چاه ارت علاوه بر این که شبکه برق و سایر تأسیسات الکتریکی را در برابر جریان‌های اتصال کوتاه و ارت فالت ایمن می‌کند، قادر است از تداخل‌های الکترومغناطیسی در سیستم‌های برق قدرت نیز جلوگیری نماید. اما عملکرد صحیح این سیستم نیازمند بستر خاکی مناسب برای هدایت جریان‌های خطا به زمین است. در مواقعی که مقاومت جریان در بستر خاکی و محل اتصال به زمین زیاد باشد، افزایش پتانسیل ارت (GPR) بسیار زیاد خواهد بود که این اتفاق یک تهدید جدی برای شبکه و اپراتور به شمار می‌آید. GPR بالا می‌تواند ضمن بازگشت به شبکه و تخریب کابل‌ها، سبب عملکرد نادرست تأسیسات برقی و ایجاد سیگنال‌های خطا در اپراتور یا تابلو‌های برق شود. اجرا و نگهداری چاه ارت سبب می‌شود در چنین مواقعی با کاهش مقاومت جریان در سیستم ارتینگ، تخلیه جریان‌های خطا به سرعت انجام پذیرد.
مسئله فوق از چند نظر حائز اهمیت است، نخست اینکه با گسترش شهر نشینی و توسعه شهر‌ها بسیاری از انبوه سازی‌ها و مجتمع‌های مسکونی و تجاری در مناطقی واقع شده که بستر خاک توانایی تخلیه جریان‌های مخرب در سطح زمین را ندارد. علاوه بر این، بسیاری از تأسیسات و پست‌های توزیع و انتقال برق نیز در زمین‌هایی با شرایط مذکور احداث شده‌اند. با توجه به پتانسیل بالای جریان در این سازه‌های معماری و مهندسی و ضرورت استفاده از سیستم اتصال به زمین ایمن و قابل اعتماد، اجرا و نگهداری چاه ارت اهمیت دو چندان پیدا می‌کند.
روش‌های جایگزین چاه ارت
از آنجایی که اجرای چاه ارت تمام ماجرا نیست و این سیستم اتصال به زمین نیاز به نگهداری و تست مداوم دارد، بسیاری از مهندسان برق قدرت تلاش کردند تا با ارائه روش‌های جایگزین از اجرا و نگهداری چاه ارت چشم پوشی کنند. مواردی مانند طراحی وسیع‌تر شبکه اتصال به زمین، اتصال شبکه اصلی ارت با یک شبکه زمینی فرعی خارجی، اتصال به فونداسیون‌های فولادی سازه‌ها، افزودن الکترود‌های بلند در بستر خاک و حتی برای برخی از ابر سازه‌ها ایجاد انفجار‌های مصنوعی برای تغییر بافت خاک بستر، همگی از روش‌هایی هستند که برای اجرای سیستم ارتینگ در خاک‌های با مقاومت بالا در نظر گرفته می‌شوند.
اما هرکدام از این روش‌ها برای موقعیت‌های جغرافیایی خاصی مناسب‌اند و نمی‌توان در همه جا از آن‌ها استفاده کرد؛ علاوه بر این اجرا و نگهداری چاه ارت با درنظر گرفتن تمامی مشکلات آن نسبت به بسیاری از روش‌های معرفی شده دیگر ایمن‌تر و ارزان‌تر می‌باشد. مگر در یکی از شرایط زیر که به لحاظ مهندسی امکان اجرا و نگهداری چاه ارت وجود ندارد و باید از روش‌های سطحی و جایگزین استفاده نمود.
- مناطقی که فاصله میان دکل‌ها و سایت اجرای پروژه بسیار زیاد است.
- سایت‌هایی که از لحاظ توپوگرافی پایین‌تر از سطح دریا قرار دارند.
- مناطقی که میزان پستی و بلندی‌های سایت احداث کم باشد.
- عدم امکان اجرا و نگهداری چاه ارت به سبب بافت سخت زمین، هزینه‌های بالا و یا شرایط دشوار حفاری
چه عواملی سبب افزایش ایمنی و کارایی سیستم اتصال به زمین عمقی (چاه ارت) می‌شود؟
الف. تأثیر آب بر مقدار مقاومت خاک
کلید کاهش مقاومت در سیستم ارت در تغییر مقاومت جریان خاک بستر در محل اتصال به زمین است. مقاومت خاک در طبیعت تحت تأثیر میزان آب، ویژگی‌های شیمیایی خاک و چگالی محلول الکترولیت مشخص می‌شود، زیرا این موارد قادر به افزایش یا کاهش هدایت یونی هستند. به طور معمول خاک مرطوب مقاومت جریان کمتری نسبت به خاک خشک دارد و همین مسئله عاملی است که مهندسان را به سمت اجرا و نگهداری چاه ارت سوق می‌دهد.
بر اساس آزمایش‌ها هنگامی که رطوبت خاک رس در حدود 2.5 درصد است، میزان مقاومت جریان آن 1400 اهم بر متر می‌باشد؛ اما هنگامی‌که این رطوبت تا میزان 10 درصد افزایش پیدا می‌کند، مقاومت جریان خاک تا 200 اهم بر متر کاهش می‌یابد. اگر مقاومت را در همین خاک با میزان رطوبت اشباع شده 25 درصد آزمایش کنیم، به مقاومت 15 اهم بر متر می‌رسیم. از آنجایی که اجرا و نگهداری چاه ارت امکان دسترسی و حفظ خاک مرطوب را میسر می‌کند، بنابراین یک روش مؤثر و ایمن برای انجام اتصال به زمین است.
ب. حفر چاه ارت سبب افزایش رطوبت خاک اطراف چاه می‌شود
آب در بستر زمین به صورت‌های هیدراتاسیون (شامل آب نگهدارنده، آب پلیکولار)، رطوبت گرانشی، جریان آب مویرگی، حالت جامد و بخارات آب وجود دارد. علاوه بر این بارش باران نیز سبب افزایش این رطوبت می‌شود. در دیاگرام زیر نشان داده شده است که در عمق h فشار سطحی اعمال شده بر دیواره چاه معادل P1 و فشار وارد شده بر یک مولکول آب زیر زمینی در همین عمق معادل P2 است. با توجه به این که فشار وارد شده بر دیواره چاه ارت معادل فشار اتمسفر است، بنابرای مقدار P2 از P1 بسیار بیشتر می‌باشد.
اختلاف فشار در عمق بستر و سطح دیواره چاه (P2 > P1) سبب می‌شود تا اشکال مختلف آب زیرزمینی به سمت دیواره چاه ارت حرکت کنند، در نتیجه رطوبت خاک اطراف چاه ارت افزایش می‌یابد. بدین ترتیب اجرا و نگهداری چاه ارت به خودی خود می‌تواند روی افزایش رطوبت خاک بستر و کاهش مقاومت آن تأثیرگذار باشد.
ج. پر کردن منافذ خاک با آب
همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است، خاک بستر مملو از منافذ و حفره‌هایی ایست که با مولکول‌های هوا پر شده‌اند (تصویر a و c). این منافذ قادرند رسانایی خاک را کاهش و مقاومت آن را افزایش دهند. اما همانگونه که گفته شد اجرا و نگهداری چاه ارت سبب می‌شود تا این منافذ با آب‌های زیرزمینی که رسانایی خوبی هم دارند پر شوند (تصویر b و d)، لذا جریان ساطع شده از الکترود‌های اتصال به زمین به خوبی در خاک انتقال می‌یابد.
د. مقاومت بسیار کم و رسانایی مناسب آب‌های زیر زمینی
خاک حاوی مواد معدنی مختلفی است و این مواد معدنی یون‌های مختلفی را در خود نگه می‌دارند. در حین حرکت آب‌های زیرزمینی به سمت چاه ارت، این یون‌ها در آب‌های زیرزمینی حل شده و رسانایی رطوبت خاک را افزایش می‌دهند.
آیا اجرا و نگهداری چاه ارت بر روی محیط زیست منطقه و جریان‌های آب زیر زمینی اثر مخرب دارد؟
همان گونه که گفته شد اجرا و نگهداری چاه ارت می‌بایست در مناطقی صورت پذیرد که ارتفاع زمین بالاتر از سطح دریاست. با در نظر گرفتن این شرایط هنگام اجرای سیستم ارت عمقی با دو حالت مواجه می‌شویم؛ حالت نخست این است که مطابق تصویر زیر چاه ارت با سفره آب زیرزمینی برخورد نکند. در چنین حالتی مشابه مثال‌های پیشین، رطوبت خاک بستر به سمت چاه ارت کشیده شده و خاک اطراف آن را مرطوب می‌کنند. اما این کشش آن قدر زیاد نیست که روی خاک منطقه اطراف تأثیر بگذارد. بنابراین با دور شدن از چاه ارت از درصد اشباع رطوبت کاسته شده و یک ناحیه ایزوهوم تشکیل می‌شود. در واقع اجرا و نگهداری چاه ارت به شیوه صحیح حتی می‌تواند با جذب بیشتر آب از سطح زمین، از هدر رفت آب‌های سطحی نیز جلوگیری کند.
در حالت دوم، ممکن است چاه ارت با سفره آب زیر زمینی برخورد داشته باشد (مطابق تصویر زیر). در این حالت ارتفاع از سطح دریا اهمیت پیدا می‌کند، زیرا در مناطق پست ممکن است آب از چاه بیرون بزند. در صورتی که اجرا و نگهداری چاه ارت در منطقه‌ای با ارتفاع مناسب انجام شود، آب زیرزمینی از چاه ارت بالا می‌آید و به سبب عدم برداشت مجدداً در خاک اطراف نفوذ می‌کند. لذا ضمن تشکیل ناحیه اشباع بزرگتر، سبب افزایش کارایی سیستم ارت عمقی می‌شود.
نکات مهندسی مربوط به اجرا و نگهداری چاه ارت (سیستم ارت عمقی)
الف. اجرای چاه ارت
برای اجرای ارت عمقی ابتدا می‌بایست «فاصله ایمنی» را تعیین نمود. فاصله ایمنی، حداقل فاصله مجاز بین هادی‌های برق دار، شبکه توزیع و پست ارت است. تعیین این محاسبه توسط مهندسان و با توجه به ویژگی‌های سایت پروژه انجام می‌شود. سپس مواد، مصالح و هادی‌های مناسب با توجه به ویژگی‌های زمین، مشخصات شبکه توزیع و منابع خطای احتمالی انتخاب می‌شود. برای اجرا و نگهداری چاه ارت، ناحیه‌ای مربعی شکل با ابعاد 3.5 متری به عنوان پست ارت انتخاب می‌شود تا حفاری در این بخش انجام شود. برای این منظور باغچه‌ها و مناطق مرطوب سایت پروژه در اولویت قرار می‌گیرند.
به طور معمول عمق حفاری مناسب برای این نوع سیستم اتصال به زمین بین 4 تا 8 متر (بسته به نظر مهندسان پروژه) در نظر گرفته می‌شود. اما براساس دستورالعمل‌های استاندارد شدیداً توصیه شده است تا حد امکان از انجام ارت عمقی بیش از 6 متر خودداری شود، مگر در شرایطی که امکان اجرای راه حل‌های جایگزین وجود نداشته باشد. قطر چاه ارت نیز بین 0.8 متر الی یک متر متغیر است.
ب. قرار دادن هادی‌های اتصال به زمین
پس از حفر چاه ارت، یک صفحه مسی (در برخی موارد از صفحه گالوانیزه هم استفاده می‌شود)، که از طریق جوش کدولد یا جوش آرگون به هادی ارت متصل شده است، در عمق چاه تعبیه می‌گردد. برای این کار ابتدا یک محلول الکترولیت مانند آب و نمک در عمق چاه ریخته می‌شود تا به طور کامل عمق چاه را بپوشاند. پس از این که محلول الکترولیت جذب شد، روی آن را تا ارتفاع 20 سانتی‌متر با مخلوطی از پودر زغال چوب، شن و نمک می‌پوشانیم. سپس هادی ارت به همراه صفحه مسی جوش داده شده به آن را به صورت عمودی در عمق چاه ارت قرار می‌دهیم. برای مهار ارت عمقی و جلوگیری از تاب خوردن آن می‌توان کابل ارت را به دور لوله‌ای پیچید و به کمک دوغاب کاهش دهنده مقاومت (مخلوط پودر زغال چوب، شن و نمک به همراه آب و ژل کاهنده) آن را مهار نمود.
ج. پر کردن چاه ارت
آخرین گام از اجرا و نگهداری چاه ارت، شامل پر کردن چاه، قرار دادن دریچه بازبینی و نصب اتصالات سطح زمین می‌شود. برای این منظور، چاه ارت را به کمک مخلوط پودر زغال چوب، شن و نمک تا ارتفاع بالای صفحه مسی پر می‌کنیم و یک لوله پولیکای منفذ دار را روی آن قرار می‌دهیم. از این لوله برای آب دادن خاک اطراف صفحه مسی استفاده می‌شود. پس از آن مابقی چاه ارت را با استفاده از خاک رس، خاک نرم یا خاک مخلوط با شن پر می‌کنیم، اما در در فاصله 20 سانتی‌متری از سطح زمین مخلوط سنگ ریزه و شن قرار می‌دهیم تا امکان نفوذ آب باران به سادگی میسر شود.
پس از قرار دادن جعبه ارت در بالای چاه، هادی را به تأسیسات ارت در سطح زمین متصل می‌نماییم. سرهم بندی تأسیسات ارت در سطح زمین شامل ارت راد (Earth ROD) یا صفحه‌های ارت (Earth bar) می‌شود که در محل جعبه ارت قرار می‌گیرند. سرهم بندی هادی‌های ارت هم می‌تواند به صورت جوش کدولد یا آرگون باشد و هم می‌تواند از طریق گیره‌های اتصال ارت انجام شود.
لوازم مورد نیاز برای اجرا و نگهداری چاه ارت
| صفحه مسی | قطر 3 یا 5 میلیمتر
ابعاد این صفحه برای مناطق مرطوب 40*40 ابعاد این صفحه برای نیمه مرطوب 50*50 ابعاد این صفحه برای خشک 70*70 |
| سیم مسی بدون روکش | قطر بین 50 الی 95 |
| مواد کاهنده و ژل کاهنده | مخلوط پودر زغال چوب، شن و نمک
بنتونیت سایر مواد تولید شده دارای تاییدیه |
| لوله پولیکا | لوله‌های منفذ دار |
| ترکیب‌های مناسبی از خاک | خاک رس
خاک سرند شده سنگ ریزه شن و غیره |
| جعبه ارت | |
| تجهیزات مناسب برای اتصالات | جوش کدولد یا آرگون
گیره‌های اتصال ارت کابشو |
صفحه‌های اتصال زمینی برای سرهم بندی هادی های ارت به کمک کابشو
آخرین و مهم‌ترین مرحله از اجرا و نگهداری ارت
احداث چاه ارت به خودی و خود اتمام پروژه محسوب نمی‌شود بلکه پیش از بهره برداری می‌بایست آن را به دقت تست و ارزیابی نمود. بهترین راه برای ارزیابی کارآمد بودن چاه ارت، بررسی مقاومت آن است که به کمک دستگاه ارت سنج یا magger انجام می‌شود. به کمک این دستگاه مقاومت سیستم اتصال به زمین را برای جریان‌های مختلف تست می‌کنند تا نتایج حاصله بر اساس جداول تأیید شده استاندارد سنجیده شوند. به طور معمول در اختلاف ولتاژ زیر دو ولت می‌بایست مقاومت چاه ارت تا فاصله 15 متری از هادی‌ها کمتر از یک اهم باشد.
این ارزیابی‌ها در فواصل دوره‌ای منظم نیز باید انجام شود، زیرا ممکن است در صورت خشک شدن چاه ارت مقاومت آن افزایش پیدا کند. در این حالت به منظور نگهداری از چاه ارت، آبیاری آن در دستور کار قرار می‌گیرد تا با افزایش رطوبت خاک، مقاومت بستر اتصال به زمین در محد مطلوب حفظ گردد. باید توجه داشت که صرف نظر از نوع خاک بستر و بافت زمین، هرچه جریان‌های خطا بیشتر و ولتاژ آن بالاتر باشد احتمال خشک شدن چاه ارت بیشتر می‌شود، لذا به منظور اجرا و نگهداری اصولی چاه ارت، می‌بایست تمام جوانب را در نظر گرفت.
746 بازدید
الهه زینالی
