مواد کاهنده مقاومت زمین

مواد کاهنده مقاومت الکتریکی زمین

مواد کاهنده مقاومت الکتریکی زمین : نیاز اولیه و اساسی هر سیستم اتصال زمین!

هر سیستم اتصال زمین ( سیستم ارت ) و اجزای بکار رونده در آن، چه بصورت چاه ارت یا مجموعه ای از میله های ارت و چه بصورت هادی ها ی خوابانیده شده در بستر زمین ، از دیدگاه استاندارد باید دارای ویژگیهای خاصی باشد که در بخش ارت بصورت جداگانه شرح داده شده است و مهم ترین آنها به شرح زیر است:

• • اجزای بکار رونده در آن از نظر جنس و مقاطع باید مطابق استاندارد باشند.
• • قادر به تامین مقاومت خاصی بصورت پایدار و با تغییرات جزیی باشد.
• • دارای عمر طولانی باشد ( یعنی بسرعت دچار خوردگی ، پوسیدگی یا عدم کارایی نشود).

برای ایجاد چنین سیستمی به اجزای رایج آن از قبیل صفحه مسی استاندارد ، میله ارت استاندارد ، بست ها و اتصالات استاندارد و مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین استاندارد نیاز است.

بدیهی است وجود این عوامل به تنهایی کافی نیست بلکه طراحی و اجرای سیستم ارت نیز باید بر طبق استاندارد انجام گیرد.

در این میان مواد کاهندی مقاومت الکتریکی زمین نقش های ویژه ای را بازی می کند که عبارتند از :

• کمک به رسیدن به مقاومت مطلوب سیستم زمین ( نقش کاهندگی مواد)
• تضمین پایداری طولانی مدت سیستم ارت ایجاد شده ( نقش حفاظتی)
• صرف مواد اولیه و هادی های ارت کمتر ( نقش اقتصادی)

مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین از چه نوع موادی است؟

مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین از نوع مواد با هدایت الکتریکی بالا هستند، در گذشته تنها ویژگی کاهش دادن مقاومت الکتریکی مورد توجه قرار گرفته بود بنابراین از ترکیباتی مانند نمک و زغال بسیار استفاده می شد و حتی استفاده از این ترکیبات به دستور العمل ها و اسپک های برخی از سازمانها نیز راه یافته بود. اما با گذشت زمان اثرات نامطلوب خوردگی، ناپایداری مقاومت و تغییرات فصلی آن و همینطور آلایندگی محیط زیست اهمیت خود را نشان داد. از آن پس طراحان به فکر استفاده از مواد جاذب رطوبت بر پایه خاکهای معدنی (Clay Based) افتادند که ساده ترین آنها خاک رس و بنتونیت سدیم بود. با پیشرفت دانش و مشخص شدن همه جوانب کاربری و نیازمندیهای عملکرد مواد کاهنده، عاقبت ویژگیهای مورد نیاز در قالب استاندارد تدوین گردید.

پس از انتشار استاندارد عملا کاربری مواد ذکر شده قبلی( مانند بنتونیت و نمک و زغال) بسیار محدود گردید چرا که این مواد در رده مواد غیر استاندارد قرار می گرفتند بنابراین نسل جدیدی از مواد کاهنده به عرصه بازار وارد گردید، که از مواد با پایه کربن (Carbon Based) می توان به عنوان رایج ترین آنها یاد کرد.

ویژگی اصلی مواد کاهنده استاندارد علاوه بر تامین مقاومت الکتریکی کم ، خورنده نبودن ، پایداری شیمیایی بالا، شسته نشدن و نوسان کم مقاومت حاصله و عدم آلایندگی محیط زیست می باشد.

انواع مواد کاهنده  مقاومت الکتریکی زمین کدامند؟

مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین را از چند دیدگاه مختلف می توان طبقه بندی کرد، ولی شناخته شده ترین نوع این طبقه بندی ها، بر اساس پایه شیمیایی (Base) مواد می باشد. از این دیدگاه مواد به گروه های زیر تقسیم می گردند:

• • مواد با پایه خاکهای معدنی (Clay Based)
• • مواد با پایه کربنی (Carbon Based)
• • مواد با پایه پلیمری (Polymer Based)
• • مواد با پایه فلزی ( Metal Based)

مقاومت ویژه ی الکتریکی خاک چیست و چگونه اندازه گیری می شود؟

مقاومت ویژه ی الکتریکی خاک (Soil Resistivity) عبارت از میزان مقاومت حجم مشخصی از خاک در مقابل عبور جریان الکتریسیته از سطح مقطعی معلوم و متناسب با آن حجم می باشد و با واحد "اهم-متر" سنجیده می شود. به عبارت دیگر این ویژگی مشخصه مطلوب یا نا مطلوب بودن یک خاک از نظر رسانایی الکتریکی و در نتیجه استفاده از آن را برای احداث پایانه زمین(ارت) مشخص می کند.

از آنجا که منظور اصلی ایجاد پایانه زمین(ارت) تخلیه الکتریکی جریانهای نا خواسته می باشد، خاکهای دارای مقاومت ویژه الکتریکی پایین تر برای ایجاد پایانه زمین(ارت) مناسب تر می باشند ، از اینروست که ما برای کارگذاری الکترود زمین(ارت) مانند صفحه یا میله، بدنبال محل عمیق تر (مانند چاه) یا مرطوب تر (مانند فضای سبز) هستیم.

آیا همیشه و در همه خاکها باید از مواد کاهنده استفاده کرد؟

اگر چه ممکن است محل اجرای پایانه ارت به دلیل بهره مند بودن از خاک مناسب ( مانند خاک رس) به صورت ذاتی قابلیت ایجاد پایانه ارت مناسبی را داشته باشد، باید در نظر داشت که تنها نیازمندی ما وجود یک مقاومت پایین نیست بلکه ماندگاری و پایداری سیستم ایجاد شده نیز یک نیاز است و عدم نوسان مقاومت حاصله نیز مد نظر می باشد. از آنجا که مقاومت الکتریکی پایین، معمولا در خاکهای مرطوب یا حاوی املاح زیاد حاصل می شود ، پایانه های ایجاد شونده در این نوع زمینها در معرض خوردگی می باشند بنابراین استفاده از مواد کاهنده ی استاندارد ( مقاوم در برابر خورندگی خاک) می تواند بسیار کارآمد باشد.

بنابراین چنانچه مقصود ما از ایجاد پایانه ارت یک امر موقت نباشد، اگر چه با خاک مناسبی از نظر الکتریکی مواجه باشیم بهتر است از مواد کاهنده استفاده کنیم و البته خاصیت کاهنده بودن الکتریکی که منجر به پایین آمدن مقاومت پایانه ارت در خاکهای بد و نامناسب می شود، ویژگی است که طبعا مورد توجه واقع می شود.

استاندارد های مربوط به مواد کاهنده مقاومت الکتریکی زمین کدامند؟

استاندارد IEC-62651-7 Ed: 2011 تحت عنوان : نیازمندیهای مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین

استاندارد BS-50164-7 Ed: 2008 تحت عنوان : نیازمندیهای مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین

متاسفانه این استاندارد ها تاکنون در کشورمان الزامی نگردیده است که البته می تواند بدلیل جدید بودن آنها باشد ، پیش از این در مراجع داخلی از قبیل نشریه 110 و مقررات ملی ساختمان و نشریات وزارت نیرو به وجود مواد کاهنده مقاومت الکتریکی زمین اشاره گردیده است ولی مشخصه یا ویژگی خاصی برای آن الزام نشده است و فقط انواع رایج قدیمی آن مانند نمک و زغال یا بنتونیت ذکر گردیده است.

مشخصات مواد کاهنده استاندارد چیست؟

مواد کاهنده ی استاندارد ویژگی ظاهری ندارد مگر آنکه بر روی بسته بندی آن علامت استاندارد درج شده باشد یا اینکه انطباق آن با استاندارد روی بسته بندی درج گردیده باشد. از دیدگاه استاندارد مشخصه اصلی مواد کاهنده علاوه بر تامین مقاومت الکتریکی کم ، خورنده نبودن ، پایداری شیمیایی بالا، شسته نشدن و نوسان کم مقاومت حاصله و عدم آلایندگی محیط زیست می باشد، که این ویژگیها بصورت بصری قابل تشخیص نیست بلکه با انجام آزمونهای شیمیایی خاص و در آزمایشگاههای معتبر قابل سنجش و تایید می باشد.

آیا مواد کاهنده از خوردگی و پوسیدگی سیستم ارت جلوگیری می کند؟

این سئوال و پاسخ به آن نقش کلیدی در انتخاب مواد کاهنده بازی می کند. مواد کاهندی استاندارد قطعا از پوسیدگی و فرسوده شدن سیستم ارت جلوگیری می کند در حالیکه یک مواد کاهنده ی غیر استاندارد علاوه بر اینکه مانع خوردگی سیستم ارت نمی شود بلکه می تواند سرعت خوردگی و فرسایش سیستم را چند برابر کند!

مواد کاهنده غیر استاندارد حاوی مواد خورنده هستند، مثلا نمک و زغال حاوی مقادیر فراوانی نمک است که بسرعت مس را می خورد، بنتونیت ( از نوعی که به عنوان مواد کاهنده یا بنتونیت اکتیو عرضه می گردد ) نیز حاوی مقادیر زیادی نمک است این مطلب را می توان با حل کرد مقداری از آن در یک لیوان آب آزمود ، پس از آنکه رطوبت محلول تبخیر گردد لایه ای از نمک روی لیوان باقی می ماند! البته تنها نمک عامل خورندگی نیست بلکه خود بنتونیت خالص ( بدون نمک ) نیز ماده ای غیر استاندارد است چون قابلیت گذراندن تست خوردگی ذکر شده در استاندارد را ندارد.

در صورت استفاده نکردن از مواد کاهنده یا بکار بردن مواد غیر استاندارد در معرض چه مشکلات و خطراتی هستیم؟

پاسخ به این سئوال واضح است ، هنگامی که تعدادی از قابلیت ها در متن استاندارد بعنوان قابلیت ها یا آزمونهای کلیدی ذکر می گردند منظور آنست که ما درمعرض آسیب دیدن از همان ویژگی ها هستیم. مثلا هنگامی که مسئله حلالیت در آب یا اسید مطرح می گردد بدان معنی است که مواد غیر استاندارد توسط آیهای زیر سطحی شسته شده و حل می گردند و عملا پس از مدتی موادی باقی نخواهد ماند!

در مورد سایر ویژگیها نیز وضع به همین ترتیب است، پس در صورت استفاده نکردن از مواد کاهنده ی استاندارد در معرض خوردگی و فرسایش زودرس سیستم ارت ، شسته شدن و از بین رفتن مواد کاهنده ، تغییرات فصلی مقاومت سیستم زمین ، آلایندگی خاک و آب و افزایش تدریجی مقاومت پایانه ارت هستیم.

آیا نمک و زغال ماده استاندارد است ؟ مزایا و معایب آن چیست؟

نمک و زغال یک ماده ی کاهنده ی غیر استاندارد است، در این خصوص می توان دلایل زیر را ذکر کرد نمک و زغال حاوی مقادیر فراوانی نمک است که خوردگی سیستم ارت را تسریع می کند. نمک و زغال حاوی مقادیر فراوانی نمک است که نمک آن توسط آبهای زیر سطحی شسته می شود و از بین می رود.نمک و زغال فاقد چسبندگی لازم به الکترود است بنابراین اتصال درستی را بین صفحه ارت یا میله ارت و زمین برقرار نمی کند.

مواد کاهنده  با پایه ی کربنی (Carbon Base) چه موادی هستند؟

مواد کاهنده ی با پایه کربنی نسل جدیدی از مواد کاهنده هستند که بر پایه نیاز تعریف شده استاندارد و انطباق با آن طراحی و فرآوری شده اند. همانطور که از نام این مواد پیداست ، قسمت اصلی ماده ی کاهنده از عنصر کربن تشکیل شده است که به خودی خود بدون نیاز به رطوبت رساناست، ضمناٌ میل ترکیبی چندانی با عناصر موجود در خاک ندارد و در آب نیز نامحلول بوده و قابل شسته شدن نیست.

البته کربن به تنهایی قابلیت گذراندن آزمونهای ذکر شده در استاندارد را ندارد، از اینرو این ترکیبات با دارا بودن فرمول ویژه در برابر خورندگی مقاوم و همینطور عدم آلاینده محیط می گردند.

از آنجا که مواد کاهنده ی مقاوت زمین بر پایه کربن چسبندگی کمی به الکترود ارت دارند ، هنگام مصرف با مقادیری سیمان و آب مخلوط می گردند تا چسبندگی خوبی بین آنها و الکترود ارت صورت گیرد و ضمنا بخاطر اثر پوشانندگی آنها، هر چه بیشتر از خوردگی جلوگیری کنند. لازم به ذکر است که آزمونهای استاندارد روی مخلوط نهایی ( با حضور سیمان) انجام می گردد و منظور از مواد کاهنده آزمایش شده همان مخلوط نهایی است نه آنچه در بسته بندی عرضه می گردد.

در چه زمین هایی از چه موادی استفاده کنیم؟

البته بدون توجه به نوع زمین همواره استفاده از مواد کاهنده ی مقاومت الکتریکی زمین استاندارد توصیه می گردد ولی چنانچه قصد ایجاد پایانه ارت ( چاه ، میله ، مش...) در زمین های مرطوب را داریم ، انواعی از مواد که جاذب رطوبت هستند( مواد کلی بیس مانند خاکهای معدنی ) کاربرد دارند. البته این بدان معنی نیست که انواع مواد با پایه کربن ( کربن بیس) کاربرد ندارند ،بلکه ویژگی مقاوم بودن آنها در مقابل پوسیدگی سیستم ارت، علی الخصوص در نواحی مرطوب، بسیار جالب توجه است. از سوی دیگر چنانچه با منطقه خشک یا مرتفع مواجه هستیم استفاده از مواد جاذب رطوبت بازده بسیار پایینی دارد، چرا که این مواد عاقبت رطوبت خود را از دست می دهد ، ممکن بواسطه جاذب بودن این اتفاق اندکی دیرتر رخ دهد ولی از دست دادن رطوبت اجتناب ناپذیر است و در نتیجه مقاومت سیستم بالا خواهد رفت ، در چنین حالتی مواد با پایه کربن کاربرد وسیعی دارند ، از آنجا که کربن به خودی خود رساناست، موضوع عدم وجود رطوبت خللی در عملکرد آن وارد نمی کند و پایانه (چاه) مقاومت پایین خود را حفظ می کند.

آیا رطوبت خاک یک عامل اساسی در کاهش مقاومت مواد کاهنده است؟

مقاومت بدست آمده یک پایانه ارت ( چاه ارت) به چند عامل بستگی دارد که از مهمترین آنها مقاومت مخصوص خاک (Conductivity) محل اجرا است. مقاومت مخصوص خاک نیز به نوبه خود به عوامل زیادی از جمله ترکیب شیمیایی خاک ، میزان املاح محلول خاک و میزان رطوبت آن بستگی دارد، البته میزان رطوب به تنهایی عامل بزرگی محسوب نمی گردد چه بسا خاکهای بسیار مرطوب مانند شن ساحل دریا بعلت تخلخل زیاد و عدم چسبندگی مناسب به الکترود ارت مقامت خوبی ایجاد نمی نمایند.

ولی چنانچه بعنوان مثال یک خاک خاص را مورد بررسی قرار دهیم ، همان خاک در حالت مرطوب به میزان قابل توجهی رسانا تر از حالت خشک است ، از اینروست که هنگام حفر چاه ارت توصیه می گردد که حفاری تا عمق رسیدن به نم نسبی خاک ادامه یابد. همینطور در اجرای چاه ارت اغلب لوله ای در چاه جا گذاری می گردد تا در زمان لازم با افزودن رطوبت بتوان مقاومت را کاهش داد. از سویی معمولا مرسوم است که برای کاستن بیشتر مقاومت چاه ارت، بجای آب ، مخلوط آب نمک به چاه تزریق می گردد ،که این امر کاری مخرب است و باعث ایجاد خوردگی در الکترود ارت ( صفحه مسی) می گردد. در چنین شرایطی می توان از الکترولیت های کاهنده ی مجاز ( محلولی از آب و سایر نمک ها ،که بر مس اثر شیمیایی ندارند مانند سولفات مس) استفاده نمود تا از خوردگی جلوگیری گردد.

محاسبات مقاومت پایانه ارت در هنگام استفاده از مواد کاهنده بر اساس چه فرمولهایی انجام می شود؟

مراجع استاندارد فرمولهایی برای محاسبه پایانه های ارت به اشکال مختلف ( اعم از صفحه ، میله ، هادی) یا ترکیبهایی از آنها ارایه داده اند این فرمولها محاسبات را با و بدون استفاده از مواد کاهنده برای هر پایانه مقدور می سازد . یکی از شناخته شده ترین این استانداردها استاندارد متحد اروپایی EN BS-7430 می باشد که محاسبه برای بازه ی قابل قبولی از انواع الکترود های ارت را ارایه می دهد. البته باید توجه داشت که اساس بدست آمدن این فرمول ها روابط تجربی است ، چنانچه بدنبال حالت های محاسباتی بیشتر و متنوع تری باشیم می توانیم از فرمولهای دویت Dwight)) استفاده نماییم. جهت محاسبات پیچیده تر و حالاتی که خاک دارای لایه های متفاوت باشد می توان از نرم افزار های تخصصی که به همین منظور تهیه گردیده اند بهره جست.

آیا مواد کاهنده جزء مواد آلاینده محیط زیست یا مواد مضر برای بدن است؟

مواد کاهنده ی استاندارد به منظور جستجوی عوامل آلاینده مورد آزمون قرار می گیرند و چنانچه آلاینده نباشند مجوز استاندارد را دریافت خواهند نمود ، عوامل متعددی در این خصوص بررسی می گردند که از آن جمله وجود فلزات سنگین آلاینده خاک مانند نیکل، کرم و کادمیم و همچنیل عوامل آلاینده آب مانند گوگرد است. دستیابی به مواد کاهنده ی غیر آلاینده شاید سخت ترین بخش تهیه این مواد باشد زیرا استاندارد ها در این خصوص بسیار سختگیر هستند.

بدیهی است یک ماده ی کاهنده غیر استاندارد جهت آلاینده بودن مورد آزمونی واقع نشده و ممکن است حاوی مواد آلاینده محیط زیست یا مضر برای تماس با بدن انسان یا تنفس او باشد.

برچسب‌ها: مواد کاهنده, سیستم زمین, سیستم ارت, بنتونیت شرکت فنی و مهندسی سازه نیرو...