نحوه افزایش مقاومت در برابر زمین

هنگامی که مقاومت خاک بالا باشد و مقاومت در برابر زمین از مقادیر لازم بیشتر شود، تکنیک های خاصی برای کاهش آن مفید است. این مقاله روش‌های مختلف برای کاهش مقاومت الکترود اتصال زمین را ارزیابی می‌کند.

انواع مختلفی از الکترودهای زمین وجود دارد که از بسیار ساده تا بسیار پیچیده را شامل می‌شوند و کد ملی برق (NEC) نیاز به استفاده از روش‌های خاصی دارد.

برای این تمرین، پرکاربردترین نوع الکترود را انتخاب می کنیم: یک میله زمین. این یک میله فلزی بلند است که معمولاً مس به فولاد، آهن گالوانیزه یا فولاد ضد زنگ متصل می شود.

میله های زمینی در طول های 240 سانتی متر (8 فوت) و 300 سانتی متر (10 فوت) و سه قطر: 1.270 سانتی متر (1/2 اینچ)، 1.588 سانتی متر (5/8 اینچ) و 1.905 سانتی متر (3/4 اینچ) هستند. .

NEC به طول حداقل 240 سانتی متر (8 فوت) برای الکترودهای میله و لوله نیاز دارد. اندازه 240 سانتی متر در تاسیسات مسکونی و 300 سانتی متر در سیستم های برق صنعتی و تجاری معمول است. به عنوان یک قاعده، میله های زمین را برش ندهید.

طول 300 سانتی متر و سه قطر را انتخاب می کنیم.

برای محاسبه مقاومت نظری در برابر زمین، از فرمول‌هایی استفاده می‌کنیم که توسط هربرت بریستول دوایت، یک مهندس برق آمریکایی-کانادایی توسعه یافته و در دسامبر 1936 در AIEE Transactions منتشر شده است.

روشهای اساسی برای کاهش مقاومت در برابر زمین

اگر مقاومت یک میله زمین به اندازه کافی کم نباشد، چندین روش ممکن است آن را بهبود بخشد.

قطر میله را افزایش دهید

طول میله را افزایش دهید

از چندین میله استفاده کنید

خاک را درمان کنید تا مقاومت آن کاهش یابد

برای محاسبه مقاومت در برابر زمین یک میله، از فرمول دوایت زیر استفاده می کنیم

$$\mathrm{آر}=\frac{\varrho }{2\pi L}(لn\frac{4L}{آ}–1)$$

جایی که

R = مقاومت در برابر زمین

ρ = مقاومت خاک

L = طول میله

a = شعاع میله

در پاراگراف های زیر توجه داشته باشید که در حالی که ضخامت میله استاندارد قطر (d) است، فرمول دوایت از شعاع (a = d/2) استفاده می کند.

1. ضخامت میله را افزایش دهید

بیایید فرض کنیم یک میله زمینی استاندارد با L = 300 سانتی متر و d = 1.270 سانتی متر، در خاکی با ρ = 10000 Ω·cm دفن کنیم. با استفاده از فرمول دوایت، مقاومت محاسبه شده 35 Ω است.

هنگامی که مقاومت یک میله در برابر زمین بیش از 25 Ω باشد، NEC به یک الکترود مکمل نیاز دارد. بنابراین، ما تصمیم می گیریم از یک میله با قطر بزرگتر برای کاهش مقاومت به جای اتصال الکترودهای مکمل استفاده کنیم. جدول 1 نتایج را با سه قطر استاندارد نشان می دهد.

جدول 1 اثر قطر میله

با تجزیه و تحلیل جدول 1، حداقل مقاومت به دست آمده 33 Ω است که نیاز به الکترود تکمیلی دارد.

شکل 1 مقادیر مقاومت سه میله را بر حسب درصد مقاومت میله باریک نشان می دهد.

شکل 1. اثر قطر میله

اگر مقاومت خاک متفاوت باشد، مقاومت زمین نیز تغییر می کند. درصدها ثابت خواهند ماند.

از این تجزیه و تحلیل نتیجه می گیریم که قطر میله تأثیر قابل توجهی بر مقاومت در برابر زمین ندارد. انتخاب یک میله با قطر بزرگتر فقط از ملاحظات مکانیکی ناشی می شود، زیرا میله ها احتمالاً با استفاده از چکش های دستی و پنوماتیکی دفن می شوند.

2. طول میله را افزایش دهید

در ادامه به بررسی اثر افزایش طول میله زمین می پردازیم. میله های زمین را می توان روی هم چیده و با یک گیره طراحی شده مخصوص به هم وصل کرد تا آنها را در عمق زمین طولانی تر کند. ما میله های با قطر بزرگتر را انتخاب کرده ایم تا راحت تر به زمین بروند.

جدول 2 اثر شمع بندی یک، دو، سه و چهار میله را خلاصه می کند. همانطور که انتظار می رود، راندن میله های اتصال به زمین عمیق تر به داخل زمین، مقاومت آنها را کاهش می دهد.

جدول 2 اثر طول میله

شکل 2 تاثیر افزایش طول میله زمین را بر حسب درصد مقاومت طول کوتاهتر نشان می دهد. توجه داشته باشید که بیشترین کاهش مقاومت در هنگام اضافه کردن اولین میله رخ می دهد. اتصال میله های بیشتر درصد کمتری از کاهش مقاومت را ایجاد می کند.

شکل 2 اثر طول میله

تجزیه و تحلیل عمیق تر جدول 2 و شکل 2 به ما اجازه می دهد تا یک قانون کلی ایجاد کنیم: دوبرابر کردن طول میله مقاومت را تا حدود 45٪ کاهش می دهد.

میله ای که 300 سانتی متر به سمت پایین رانده می شود دارای مقاومت 33 Ω است، اما 600 سانتی متر پایین رانده شده دارای مقاومت 18 Ω است. اعمال قانون 45 درصد:

کاهش 33 Ω ∙ 0.45 = 14.85 Ω.

سپس، 33 Ω – 14.85 Ω ≈ 18 Ω.

مثال دیگری حرکت از 600 سانتی متر به 1200 سانتی متر را نشان می دهد.

از جدول 2، میله ای که 600 سانتی متر به سمت پایین رانده می شود دارای مقاومت 18 Ω است و 1200 سانتی متر پایین رانده شده دارای مقاومت 10 Ω است.

کاهش 18 Ω ∙ 0.45 = 8.1 Ω.

سپس، 18 Ω – 8.1 Ω ≈ 10 Ω.

ستون آخر جدول 2، درصد کاهش، نباید با این قانون سرانگشتی اشتباه گرفته شود، زیرا این درصدها همیشه به کوتاه ترین میله اشاره دارد.

فرمول دوایت یک خاک همگن را فرض می کند، یعنی دارای مقاومت ثابت. در زندگی واقعی، این خاک ها بسیار نادر هستند. سپس هنگام دفن میله ها چندین لایه با مقاومت های مختلف پیدا می کنیم. اگر مقاومت لایه های پایین تر از سطح باشد، نتایج مقاومت الکترود زمین کمتر از آنچه در این تمرین محاسبه می شود، خواهد بود. اگر لایه‌های مقاومت بالاتری را پیدا کنیم، برعکس اتفاق می‌افتد.

طبقات پایین تر معمولا مرطوب تر هستند، که نشان دهنده مقاومت کمتری است. اما این یک قانون ثابت نیست. بنابراین، انجام اندازه‌گیری مقاومت و ایجاد مدل خاک قبل از طراحی الکترود زمین ضروری است.

علاوه بر این، در زمان دماهای پایین، لایه‌های بالایی می‌توانند یخ بزنند و مقاومت را تا بی‌نهایت ببرند. بخش میله زمین در لایه یخ زده مقاومت الکترود را افزایش می دهد.

3. استفاده از میله های متعدد

روش دیگر برای کاهش مقاومت در برابر زمین، اضافه کردن چندین میله است. در این تمرین از دو میله و معادله دوایت استفاده می کنیم

$$\mathrm{آر}=\frac{\varrho }{4\pi L}(لn\frac{4L}{آ}–1)+\frac{\varrho }{4\pi س}(1–\frac{L^2}{3{س}^2}+\frac{2L^4}{5{س}^4}+...)$$

جایی که s = فاصله با ابعاد میله: L = 300 سانتی متر و d = 1.588 سانتی متر.

NEC به حداقل فاصله 180 سانتی متری (6 فوت) نیاز دارد.

جدول 3 مقاومت دو میله را برای پنج مقدار فاصله نشان می دهد و شکل 3 مقاومت ها را بر حسب درصد مقاومت برای تنها یک میله نشان می دهد.

جدول 3 اثر جداسازی میله

دو میله رانده شده به زمین مسیرهای موازی را ارائه می دهند، اما قانون دو مقاومت به صورت موازی اعمال نمی شود، یعنی مقاومت حاصل نصف یکی از آنها نیست.

شکل 3 اثر فاصله میله

با بررسی جدول 3 و شکل 3، مشاهده می کنیم که با افزایش فاصله، مقاومت با کاهش از 41.61 درصد به 48.48 درصد کاهش می یابد. توجه به این نکته مهم است که در اولین مقدار فاصله، کاهش زیادی در مقاومت وجود دارد، اما کاهش بیشتر بسیار کمتر است.

این نتایج نشان می‌دهد که با افزایش فاصله، مقاومت کاهش می‌یابد، از این رو توصیه می‌شود که میله‌ها را بیشتر از طول غوطه‌وری از هم فاصله دهید.

4. خاک را برای کاهش مقاومت آن درمان کنید

هنگامی که به دلیل سنگ یا دلایل دیگر نمی توان میله های زمین را به عمق بیشتری هدایت کرد و افزودن میله ها باعث کاهش مقاومت زمین نمی شود، عملیات شیمیایی خاک یک جایگزین عالی است.

روش تصفیه شیمیایی ماهیت خاک اطراف الکترودها را اصلاح می کند. از این واقعیت استفاده می کند که لایه های نزدیک به الکترودها بیشترین میزان مقاومت در برابر زمین را تشکیل می دهند. بنابراین، جایگزینی حجم کمی از خاک اصلی با یک یا چند ماده شیمیایی باعث کاهش قابل توجه مقاومت در برابر زمین می شود.

اگر از فرمول دوایت برای یک میله زمین استفاده کنیم تا تغییر مقاومت را به عنوان تابعی از مقاومت خاک محاسبه کنیم و طول و شعاع میله را ثابت نگه داریم، فرمول به کاهش می یابد.

R = k∙ ρ

بنابراین، مقاومت نسبت مستقیمی با مقاومت خاک دارد. این یک نتیجه مهم است، زیرا نشان می دهد که مقاومت خاک به شدت بر مقاومت کلی تأثیر می گذارد.

جدول 4 و شکل 4 کاهش مقاومت را با کاهش مقاومت خاک نشان می دهد.

جدول 4 اثر تصفیه خاک

شکل 4 اثر تصفیه خاک

برخی از مواد شیمیایی تولید کننده یون عبارتند از:

• سولفات منیزیم (نمک های اپسوم)
• سولفات مس (ویتریول آبی)
• کلرید کلسیم
• کلرید سدیم (نمک معمولی)
• نیترات پتاسیم (نمره)

سولفات منیزیم به دلیل هزینه کم، مقاومت کم و خورندگی کم رایج است. نیترات پتاسیم و کلرید سدیم بسیار خورنده هستند.

این روش نیاز به نگهداری با افزودن دوره ای مواد شیمیایی دارد.

مقامات محلی ممکن است استفاده از مواد شیمیایی را ممنوع کنند اگر معتقد باشند که این ترکیبات می تواند به مناطق مجاور نفوذ کند و مشکلاتی ایجاد کند.

سایر محصولات مفید عبارتند از:

• زغال چوبی
• بنتونیت (رس طبیعی)

مروری بر بهبود مقاومت

گاهی اوقات مقاومت در برابر زمین یک الکترود بسیار زیاد است. چندین روش ساده برای کاهش این مقاومت وجود دارد.

موثرترین روش ها افزایش عمق الکترود، قرار دادن چندین الکترود و انجام عملیات شیمیایی برای خاک در نزدیکی الکترودها است. افزایش قطر میله زمین باعث کاهش قابل توجه مقاومت در برابر زمین نمی شود.

بهترین راه حل بستگی به مورد خاص دارد. روش تصفیه شیمیایی به دلیل مشکلات احتمالی خوردگی و آلودگی محیطی باید با احتیاط مورد استفاده قرار گیرد.

این تمرین شامل یک الکترود زمین بسیار ساده است. با این حال، نتیجه گیری در مورد الکترودهای پیچیده تر نیز اعمال می شود.