سیستم ارت، حفاظت از صاعقه، تابلو برق

براي ايجاد يك ارتباط الكتريكي بين اجزاء و دستگاهها با زمين جهت هدايت جريانهاي مختلف به زمين، نياز به طراحي و اجراي سيستم ارت مي باشد.
سيستمهاي زمين مختلف مي تواند با اهداف خاصي اجرا گردد، يكي از مهمترين اين اهداف انتقال جريانهاي خطا به زمين ، به منظور ايجاد ايمني براي افراد در تاسيسات مختلف مي باشد.
در سيستمهاي مخابراتي و الكترونيكي وجود يك سيستم مرجع سيگنال متصل به زمين به منظور هدايت بارهاي الكتريكي القايي بر روي بدنه هاي فلزي لازم و ضروري است كه هدف از اجراي پروژه سيستم ارتينگ پژوهشكده چرخه سوخت مشابه اين مورد مي باشد.
وظيفه انتقال جريانها و بارهاي الكتريكي به زمين ، برعهده الكترود زمين مي باشد، از طرفي زمين داراي يك فضاي هادي با يك مقاومت ويژه است ، بنا براين از ديدگاه نظريه الكترواستاتيك هر الكترود دفن شده در زمين نسبت به نقطه مرجع در بينهايت داراي يك مقاومت الكتريكي است.
طرح شكل و نحوه قرار گيري اجزاء الكترود در ميزان مقاومت بدست آمده تاثير بسزايي دارد، مقاومت الكترود زمين وتركيب اجزاء آن همچنين در مقادير پتانسيلهاي سطحي زمين كه در اثر جريان خطا بوجود مي آيند، متاثر است.
از اينرو لازم است قبل از اجراء سيستم زمين تحقيقات گسترده اي در زمينه خاك و عوامل موثر در آن و ويژگيهاي بدن انسان انجام گيرد. اولين و اساسي ترين پارامتر در طراحي سيستم زمين، مقاومت ويژه خاك ميباشد.
طبق تعريف مقاومت يك متر مكعب از خاك به ابعاد ١*١*١ mمي باشد، كه بين دو الكترود اندازه گيري مي شود و واحد آن اهم- متر(m-Ω(مي باشد. مقاومت سيستم زمين و ميزان گراديان ولتاژ بستگي مستقيم به مقاومت ويژه خاك دارد.ضريب هدايت الكتريكي مواد تشكيل دهنده سطح زمين در مقايسه با ضريب هدايت الكتريكي بالاي فلزات خيلي پايين ميباشد.
هدايت الكتريكي زمين بعهده نمكها و رطوبت بين اين عايقهاست.
همچنين دانه بندي و نحوه پخش دانه ها و تراكم آنها نيز بر مقاومت ويژه تاثير فراوان دارد. داشتن اطلاعات كافي از مقاومت ويژه خاك و چگونگي تغييرات آن در اثر رطوبت، دما و عمق خاك، كمك شاياني در طراحي و بدست آوردن مقاومت مناسب و نگهداري آن در طول عمر تاسيسات خواهد داشت.
تعدادي از مقادير تجربي مقاومت ويژه زمين براي زمينهاي مختلف و بر حسب ميزان بارندگي معمولي ( بيش از ٥٠mm در سال ) در جدول ١ داده شده است .
كه بر اساس اندازه گيري هاي تيم اجرايي پروژه مقاومت ويژه خاك محل مورد نظر ٦٧٣ اهم ( خاك ماسه اي ريز مخلوط با آهك ) گزارش گرديد.

به منظور مستند سازي دقيق استفاده از معادلات آكادميك بسيار ضروري مي باشد لذا از رابطه زير مقاومت ويژه خاك محاسبه مي شود

كه درآن: ρ مقاومت ويژه خاك (اهم-متر ) a فاصله بين دو الكترود مجاور ( متر ) h عمق الكترود (متر). چنانچه h نسبت به a كوچك باشد (a≪h (مانند حالتي كه الكترودها در عمق كم قرار مي گيرد رابطه ٢ بصورت زير در مي آيد :

به غير از ساختار ساختماني خاك كه ثابت بوده و به عوامل خارجي وابسته نيست، سه پارامتر مهم و اساسي در تغييرات مقاومت ويژه خاك نقش دارند. اين سه عامل عبارتند از: دما، رطوبت و نمك. منحني تغييرات مقاومت ويژه خاك بر حسب درصد اين سه عامل براي يك نمونه از خاك در شكل ٢ ديده مي شود .

شكل٢ - نمودار نحوه تاثير گذاري ميزان رطوبت، دما و نمك بر روي مقاومت ويژه
تغييرات مقاومت ويژه خاك داراي رطوبت بالاي ٢٠ درصد بسيار كم ولي براي رطوبت پايين تر از ٢٠ درصد بسيار شديد است.
در مورد اثر دما روي مقاومت ويژه خاك همانگونه كه در شكل ديده مي شود رطوبت موجود در خاك در دماي پايين تر از صفر درجه يخ مي زند و موجب افزايش شديد ضريب حرارتي مقاومت ويژه خاك مي شود .
چون اين ضريب منفي است با كاهش دماي خاك مقاومت ويژه آن بالا مي رود و موجب افزايش مقاومت الكترود و اتصال زمين مي شود.
به همين علت در پايان نصب سيستم زمين ( تجهیز چاه ارت ) ، سطح زمين را بايد با خرده سنگ به ضخامت ١٠ سانتي متر پوشاند تا از سرعت تبخير رطوبت در مواقع گرمي هوا بكاهد .
تركيبهايي از نمك ها ، اسيدها و بازهاي موجود در خاك روي مقاومت ويژه آن موثر است.
در شكل ٢ به طور نمونه اثر نمك روي مقاومت ويژه خاكي با ٣٠ درصد رطوبت نشان داده شده است.
با توجه به اين مطلب براي كاهش و اصلاح مقاومت سيستم زمين قبل از نصب الكترودهاي زمين ، تركيباتي مشابه نمك تزريق گرديد تا مقاومت ويژه خاك محدود مورد نظر تا ١٦٦ كاهش يافت لذا منظور جلوگيري از اثرات سو نمك بر هادي مياني به ميزان ١٠ سانتي متر خاك و ١٠ سانتي متر از كاهنده مقاومت خاك بين هادي مياني و زمين بكر قرار گرفت.
مقادیر به‌دست‌آمده برای سنجش مقاومت ویژه اغلب به‌صورت مقادیر ظاهری ارائه می‌شوند. همان‌طور که پیش‌تر نیز اشاره شد، این مقادیر به دلیل ماهیت واقعی ساختار خاک نمی‌توانند اطلاعات دقیقی درباره عمق و مقدار مقاومت لایه‌های مختلف خاک (به‌ویژه در صورتی که خاک چندلایه باشد) ارائه دهند.
در حقیقت، فرآیند تعیین مدل لایه‌بندی خاک و محاسبه پارامترهای مربوط به آن بر عهده طراح یا تیم متخصص مسئول پروژه است.
این سنجش در بخش‌های مختلف سایت و با تغییر مقادیر a انجام می‌شود. از آن‌جا که جریان الکتریکی اعمال‌شده به زمین تا عمق مشخصی (عمق برابر با مقدار a) نفوذ می‌کند، ثبت نتایج این سنجش‌ها امکان ترسیم نمودار تغییرات مقاومت ویژه بر حسب مقدار a را فراهم می‌آورد. تحلیل این نمودار و بررسی تغییرات آن می‌تواند دیدگاه دقیق‌تری از مدل واقعی لایه‌های خاک ارائه دهد.
در شرایطی که بررسی‌ها نشان دهند رفتار خاک از دو لایه تشکیل شده (که این مورد در بسیاری از موارد صادق است)، می‌توان با استفاده از روابط مناسب، مقادیر پارامترهای مربوط به هر لایه را محاسبه کرد.
این اطلاعات نقش کلیدی در فهم دقیق‌تر ساختار خاک و تطبیق طراحی‌ها با شرایط زیرسطحی دارد.

كه درآن مقاومت ويژه لايه اول،h عمق لايه اول و 2ρ مقاومت ويژه لايه دوم، ρac مقادير مقاومت ويژه ظاهري محاسبه شده و k ضريب انعكاسي بوده و از رابطه ٤ بدست مي آيد

بايد توجه داشت كه رابطه ٣ يك معادله غير خطي با سه مجهول است و لازم است از روش‌های بهينه‌سازی گراديان رياضي برای محاسبه پارامترها استفاده شود. البته، روش‌های بهينه‌سازی حل معادلات غير خطي با استفاده از الگوريتم‌های تكاملی مانند الگوريتم‌های GA و PSO، كه سرعت و دقت بسيار بالایی دارند، نيز می‌توانند مفيد باشند.
در این صورت، برای حل مسئله نیاز به یک تابع برازش (معیار) خواهد بود. به عنوان مثال، رابطه زیر پیشنهاد می‌شود:

در رابطه فوق، paim مقاومت ویژه ظاهری اندازه‌گیری شده از روش ونر با فواصل iaاست. pمقاومت ویژه محاسبه شده برای همان فواصل است و m نمایانگر تعداد آزمایش‌ها می‌باشد. برای حل این مسئله باید مقدار FG حداقل شود.
شکل ۴ نمونه‌ای عملی از محاسبه و سنجش مقاومت ویژه برای خاک سه‌لایه را به تصویر می‌کشد.
در این شکل، نقاط معین نمایانگر مقادیر اندازه‌گیری شده توسط روش ونر هستند و منحنی روی آن نحوه تغییرات محاسبه شده را نشان می‌دهد.

برای دستیابی به اهداف اصلی در پیاده‌سازی سیستم زمین، دو نوع سیستم زمین ایجاد می‌شود:

1. زمین حفاظتی:
این نوع سیستم شامل اتصال بدنه‌های فلزی دستگاه‌ها به زمین است که در شرایط عادی هیچ جریانی را حمل نمی‌کند. هدف از این نوع اتصال، اطمینان حاصل کردن از عدم ایجاد اختلاف پتانسیل بین بدنه فلزی دستگاه و زمین است.
بدین ترتیب، اگر یکی از فازهای برقدار به بدنه متصل شود، جریانی در مدار برقرار می‌شود که سبب فعال‌سازی رله‌های حفاظتی خواهد شد.

2. زمین الکتریکی:
در این نوع سیستم، یک نقطه از تجهیزات الکتریکی که بخشی از مدار الکتریکی را تشکیل می‌دهد، به زمین متصل می‌شود. هدف این کار تضمین عملکرد صحیح دستگاه و جلوگیری از افزایش فشار الکتریکی روی فازهای سالم نسبت به زمین در هنگام تماس یکی از فازها با زمین است.