اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین

یكی از شرط‌های اصلی تضمین ایمنی در مورد تاسیسات برقی مسكونی و صنعتی، وجود الكترود زمین است. اگر الکترود زمین وجود نداشته باشد، ممکن است افراد استفاده کننده از تاسیسات برقی در معرض خطر جانی قرار بگیرند و خود تاسیسات و وسایل برقی  آسیب ببیند. با این وجود، الکترود زمین به تنهایی برای تضمین امنیت کامل کافی نیست. فقط بازرسی‌های منظم می‌توانند ثابت کند که تاسیسات برقی به درستی کار می‌‌کنند. بسته به نوع اتصال نقطه خنثی منبع تغذیه برق، نوع تاسیسات (مسکونی، صنعتی، محیط شهری، محیط روستایی و غیره) و امکان قطع منبع تغذیه، روش‌های زیادی برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین در دسترس است.

چرا اجرای سیستم ارتینگ ضروری است؟

ارتینگ به معنی برقراری اتصال الکتریکی بین یک نقطه معین در شبکه برق، تاسیسات یا وسایل برقی با الکترود زمین است. الکترود زمین یک قطعه رساناست که در تماس الکتریکی با زمین است.
در سیستم ارتینگ، الکترود زمین از طریق هادی اتصال زمین به تاسیسات برقی متصل می‌شود. در تاسیسات برقی تمامی وسایلی که دارای بدنه فلزی هستند به سیستم ارتینگ از طریق هادی حفاظتی (PE) وصل می‌شوند. در این حالت اگر به طور تصادفی و یا به مرور زمان بر اثر خطای عایقی وسیله برقی، بدنه‌ی آن برقدار شود، در صورت تماس فرد با آن هیچ خطری متوجه او نخواهد شد چون جریان خطا از به‌وسیله هادی حفاظتی و از طریق الکترود زمین جریان می‌یابد. در صورت عدم وجود سیستم زمین، در صورت تماس فرد با بدنه وسیله معیوب، باعث برق‌گرفتگی او شده و جریان خطا از طریق بدن فرد جریان می‌یابد و بسته به شرایط ممکن است باعث فوت شخص گردد.
بنابراين سیستم ارتینگ مسیری مطمئن و ایمن را برای جريان‌های نشتی فراهم می‌کند و اگر وسیله‌ی حفاظتی مناسب در مدار نصب شده باشد باعث قطع کردن منبع تغذیه می‌شود. در نتیجه سیستم ارتینگ باعث ایمن نگه داشتن افراد و حفاظت از تاسیسات برقی و اموال در برابر جریان‌های خطا یا جریان‌های صاعقه می‌شود. سیستم ارتینگ همیشه باید در کنار وسایل حفاظتی مناسب که مدار را قطع می‌کنند وصل شود.

تصویر 1: وقوع جریان خطا

در تصویر 1 اگر عایق وسیله برقی معیوب باشد، جریان خطا از طریق هادی حفاظتی (PE) به زمین جریان می‌یابد. در صورت رسیدن جریان خطا به آستانه خطرناک کلید جریان باقیمانده (RCD) مدار را قطع می‌کند.

چرا باید مقدار مقاومت الکترود زمین را اندازه‌گیری کنیم؟

قبل از شروع هر اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین، اولین چیزی که باید بدانید این است که حداکثر مقدار قابل قبول برای الکترود زمین موجود چه مقدار می‌باشد. این مورد یکی از جنجالی‌ترین مباحث ارتینگ است.

مقدار مقاومت مجاز الکترود زمین بستگی به موارد زیادی دارد من جمله:

  • قوانین کشور مربوطه
  • نوع سیستم ارتینگ اجرا شده (سیستم نیروی برق)
  • نوع الکترود زمین (انواع سیستم اتصال زمین: 1- سیستم اتصال زمین ایمنی 2- سیستم اتصال زمین حفاظت سیستم 3- سیستم اتصال زمین عملیاتی 4- سیستم اتصال زمین صاعقه‌گیر)
  • الزامات خاص محیط‌های ویژه
  • الزامات تولید کننده دستگاه برقی

و ...

بنابراین قبل از هر اندازه‌گیری باید بدانیم محدوده مجاز مقاومت الکترود زمین چقدر می‌باشد، فارغ از این اینکه در اصل، پایش مقاومت و بررسی نرخ افزایش احتمالی در ادوار مختلف اصل ماجراست. برای آگاهی بیشتر باید به عرض برسانم بر اساس مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان، مقدار مقاومت الکترود زمین حفاظتی به تنهایی مهم نمی‌باشد و اصل بر این است که کل مقاومت الکتریکی نقطه خنثی یا هادی خنثای یک سیستم TN نسبت به جرم کلی زمین از دو اهم تجاوز نکند که خود این مقدار دو اهم هم با توجه به شرایط موجود، روز به روز بر مهم نبودن آن (مقدار 2 اهم) تاکید می‌شود.

اجازه دهید به عنوان نمونه الزامات الکترود زمین سیستم TT نصب شده در مناطق مسکونی در کشور فرانسه را بررسی کنیم:

برای ایمن نگه داشتن افراد، تاسیسات برقی باید مجهز به وسایل حافظتی مناسب باشند تا هنگام وقوع جریان خطا، مانع از رسیدن ولتاژ خطای به‌وجود آمده به حد ولتاژ خطرناکی که باعث آسیب به بدن انسان می‌شود، شده و مدار را قطع کنند. مطالعاتی که توسط یک کارگروه از پزشکان و کارشناسان ایمنی انجام شد، مشخص کرده است که مقدار ولتاژ 50= VAC در محیط‌های خشک برای تماس دائمی افراد بدون خطر است. (این حد ممکن است برای محیط های مرطوب کمتر باشد).
علاوه بر این در تاسیسات مسکونی فرانسه، کلید جریان باقیمانده (RCD) که به سیستم زمین متصل است معمولاً اجازه می‌دهد تا یک جریان 500 میلی‌آمپری از آن عبور کند.

مطالق قانون اهم داریم: U = RI و در این حالت خواهیم داشت: R = 50 V / 0.5 A = 100 Ω. بنابراین برای اطمینان از ایمنی افراد و اموال، مقاومت الکترود زمین باید کمتر از 100 اهم باشد. محاسبه فوق به وضوح نشان می‌دهد که مقدار مقاومت الکترود زمین به جریان عملکرد RCDای که نصب می‌شود بستگی دارد. ارتباط بین مقدار مقاومت الکترود زمین و جریان عملکرد RCD در استاندارد NFC 15-100 مشخص شده است، این ارتباط در جدول زیر نشان داده شده است:

تصویر 2: ارتباط بین مقدار مقاومت الکترود زمین و جریان عملکرد RCD

الکترود زمین از چه قسمتهایی تشکیل شده است؟
›› الکترود زمین
بسته به مقررات ساختمان هر کشوری و استانداردهای قابل استناد به آن روشهای مختلفی برای اجرای الکترود زمین وجود دارد.

تصویر 3: الکترود زمین

کشور ایران در مقررات ملی ساختمان مبحث 13 دو نوع الکترود ساده و اساسی را معرفی می‌نماید که روشهای قابل اجرای این دو نوع به شرح زیر هستند:

  • الکترود میله‌ای که حداقل 2 متر در خاک بکر باشد
  • دو الکترود میله‌ای که حداقل 2 متر در خاک بکر باشند
  • پنج حلقه سیم مسی
  • صفحه مسی
  • الکترودهای میله‌ای متعدد
  • الکترود افقی
  • الکترود تسمه‌ای مشبک
  • الکترود زمین فونداسیون
  • و غیره

هر نوع الکترود زمینی که انتخاب شود، هدف آن این است که در تماس خوبی با خاک باشد و بتواند ارتباط مناسبی با زمین جهت تخلیه جریانهای نشتی برقرار کند.

کیفیت یک الکترود زمین به سه ویژگی اصلی زیر بستگی دارد:

  1. جنس الکترود و نوع اجرای آن
  2. هادی اتصال زمین
  3. نوع و مقاومت ویژه خاک منطقه، به همین دلیل اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک قبل از اجرای الکترود زمین مهم است.

›› اجزای دیگر
مجموعه سیستم زمین یک ساختمان در اطراف الکترود زمین نصب می‌شود. موارد زیر به الکترود زمین ساختمان وصل می‌شود و سیستم زمین آن ساختمان را تشکیل می‌دهد: هادی اتصال زمین، شینه اصلی زمین، هادی حفاظتی، اجزای همبندی اصلی و اتصالات همبندی اضافی در صورت لزوم.

تصویر 4: اجزای متصل به الکترود زمین

مقاومت ویژه خاک
مقاومت ویژه خاک (ρ) در واحد اهم متر (Ω.m) بیان می‌شود. در حات تئوری این مقدار مقاومت برابر مقاومت الکتریکی استوانه‌ای از خاک با سطح مقطع 1 مترمربع و طول 1 متر است. با اندازه‌گیری مقاومت ویژه می‌توانید بفهمید که خاک هدایت جریان‌های الکتریکی را به خوبی انجام می‌دهد یا نه. بنابراین هرچه مقاومت ویژه خاک پایین‌تر باشد، مقاومت الکترود زمین در آن مکان کمتر می‌شود.

برق‌یار مشاور شما در حوزه‌ی ارتینگ

مقاومت ویژه با توجه به منطقه و نوع خاک متغیر است، چون میزان رطوبت و دما منطقه اثر مستقیمی بر روی آن دارد (یخبندان یا خشکسالی مقدار مقاومت ویژه را افزایش می دهد). به همین دلیل مقاومت الکترود زمین ممکن است بسته به فصل یا شرایط اندازه‌گیری متفاوت باشد. هرچه دما و رطوبت پایدارتر باشد می‌توانید الکترود زمین را بیشتر در سطح زمین اجرا کنید، و اگر الکترود زمین در عمق خاک اجرا شود، نسبت به تغییرات محیطی مقدار مقومت آن پایدارتر خواهد بود.

بهتر است که تا حد امکان الکترود زمین را در عمق خاک اجرا کنید.

تصویر 5: تغییرات فصلی مقاومت الکترود زمین (الکترود زمین در خاک رسی اجرا شده)

تصویر 6: مقدار مقاومت ویژه با توجه به نوع خاک

چرا اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک مفید است؟
اندازه‌گیری مقاومت خاک به شما کمک می کند تا:

  • محل احداث و نوع اجرای الکترودهای زمین را قبل از اجرای آنها انتخاب کنید
  • مشخصات الکتریکی الکترودهای زمین مورد نیاز را به دست بیاورید
  • هزینه‌های احداث و اجرای الکترودهای زمین را به بهترین شیوه ممکن بهینه کنید (مقاومت الکترود زمین مورد نیاز پیش از اجرا به دست می‌آید و نیازی به خطا و آزمایش نیست).

اندازه‌گیری مقاومت ویژه زمین در ساختمان‌های بزرگ و کارخانه‌ها و هم‌چنین پستهای برق بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرد، در این اماکن حساس، انتخاب بهترین مکان برای اجرای الکترودهای زمین و نحوه‌ی اجرای آن با هزینه بهینه بسیار مهم است.

روش‌های اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک

چندین شیوه برای اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک استفاده می‌شود. پرکاربردترین شیوه شامل "4 الکترود" است که با دو روش ممکن اجرا می‌گردد:

  • روش ونر (WENNER): مناسب برای اندازه‌گیری در یک عمق واحد.
  • روش اشلوم‌برگر (SCHLUMBERGER): مناسب برای اندازه‌گیری در اعماق مختلف، که برای تهیه پروفایل‌های زمین شناسی خاک مورد استفاده قرار می‌گیرد.

روش ونر (متداول‌ترین روش):

نحوه اندازه‌گیری در این روش:

چهار الکترود کمکی در یک راستا بر روی زمین قرار می‌گیرند، الکترودها به طور مساوی با فاصله "a" از یکدیگر فاصله دارند. از ژنراتور برای تزریق جریان اندازه‌گیری "I" بین دو الکترود بیرونی (E و H) استفاده می‌شود. سپس اختلاف پتانسیل به‌وجود آمده (ΔV) با ولت‌متر بین دو الکترود مرکزی (S و ES) اندازه‌گیری می‌شود.

ابزار اندازه‌گیری مورد نیاز یک ارت تستر چهار سیمه است که توانایی تزریق جریان و اندازه گیری مقدار ΔV را دارد. مقدار مقاومت R که در ارت تستر خوانده می‌شود را در فرمول (ساده شده) زیر جهت محاسبه مقاومت ویژه زمین قرار می‌دهیم:

ρw = 2 π a R

که در آن:
ρ: مقاومت ویژه خاک بر حسب Ω.m در مکانی واقع در زیر سطح زمین، در عمق  h = 3/4 a.
a: پایه اندازه‌گیری در واحد متر
R: مقدار مقاومت خوانده شده (در واحد Ω) در ارت تستر.
برای این اندازه‌گیری، (EDF (Électricité de France توصیه می‌کند که فاصله "a" حداقل 4 متر باشد.

تصویر 7: اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک به روش ونر

روش اشلوم‌برگر:

روش اشلوم‌برگر بر همان اساس روش ونر اندازه‌گیری را انجام می‌دهد. تنها تفاوت مربوط به قرار گرفتن الکترودها است:
- فاصله بین 2 الکترود خارجی 2d است.
- فاصله بین 2 الکترود داخلی داخلی A است.
و مقدار مقاومت R نیز که بر روی ارت تستر خوانده می‌شود جهت محاسبه مقاومت ویژه زمین مطابق با فرمول زیر استفاده می‌شود:

ρS = (π.(d²-A²/4).RS-ES) / A

این روش باعث صرفه جویی قابل توجهی در زمان در این زمینه می‌شود، به خصوص هنگامی که می‌خواهید چندین اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک را برای به دست آوردن پروفایل خاک انجام دهید. صرفه جویی در وقت به این خاطر است که فقط 2 الکترود بیرونی نیاز به جابجایی دارند، در حالی که با روش ونر حداقل 3 الکترود باید همزمان منتقل شوند.

تصویر 8: اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک به روش اشلوم‌برگر

اگرچه روش اشلوم‌برگر باعث صرفه جویی در زمان می‌شود، اما روش ونر بهتر شناخته شده و کاربرد بیشتری دارد. فرمول ریاضی لازم نیز بسیار ساده‌تر است. با این وجود، بسیاری از ارت تسترهای شرکت Chauvin Arnoux برای هر دو روش محاسبات فرمول را انجام می‌دهد و نتیجه نهایی (مقاومت ویژه خاک) را نشان می‌دهند.

تاثیر الکترودهای کمکی در اندازه‌گیری مقاومت ویژه زمین:

برای تهیه نقشه مقاومت ویژه خاک یک منطقه، می‌توان با تغییر فاصله بین الکترودها (a)، در اعماق مختلف (3/4a) مقدار مقاومت ویژه خاک را به دست آورد. حداکثر عمق کوبیدن الکترودها نباید از مقدار خاصی بیشتر باشد (در حدود 1/20 مقدار a). تحقق این شرط برای عمق‌های بیشتر از چند متر آسان است.

تصویر 9: برای بررسی مقاومت ویژه اعماق کم، شرط عمق کوبیدن الکترودها می‌تواند تا مقدار 30٪ از a افزایش یابد

در مثال زیر، دستیابی به حداقل مقدار مقاومت سیستم زمین در صورتیکه عمق احداث سیستم زمین و مسیر آن تعیین شده باشد آسان خواهد بود. با توجه به اینکه مقاومت ویژه زمین در چندین محور تجزیه و تحلیل شده است.

تصویر 10: نقشه مقاومت ویژه خاک