چه چیزی مقاومت زمین است

چیست مقاومت زمین؟

تعریف مقاومت زمین

الکترود زمین یک میله یا صفحه فلزی است که در خاک دفن شده و به ترمینال زمین سیستم برق متصل می‌شود. این الکترود مسیری با مقاومت پایین برای جریانات نقص و شوک‌های صاعقه فراهم می‌کند. همچنین به پایداری ولتاژ سیستم کمک می‌کند و تداخل الکترومغناطیسی را کاهش می‌دهد.

الکترودهای زمین می‌توانند از موادی مانند مس، فولاد یا آهن جلفا شده ساخته شوند که بر اساس هدایت الکتریکی و مقاومت در برابر فرسودگی انتخاب می‌شوند. اندازه، شکل، طول و عمق الکترود بستگی به شرایط خاک، نرخ جریان و کاربرد خاص سیستم زمین‌گذاری دارد.

عوامل مؤثر بر مقاومت زمین‌گذاری

مقاومت زمین عمدتاً بستگی به مقاومت خاک بین الکترود و نقطه پتانسیل صفر (زمین نامحدود) دارد. مقاومت خاک تحت تأثیر چندین عامل است، مانند:

• هدایت الکتریکی خاک که عمدتاً به دلیل الکترولیز است. غلظت آب، نمک و سایر مولفه‌های شیمیایی در خاک هدایت الکتریکی آن را تعیین می‌کند. خاک مرطوب با محتوای نمک بالا مقاومت کمتری نسبت به خاک خشک با محتوای نمک کم دارد.

• ترکیب شیمیایی خاک که pH و خصوصیات فرسودگی آن را تعیین می‌کند. خاک اسیدی یا القایی می‌تواند الکترودهای زمین را فرسوده کرده و مقاومت آن را افزایش دهد.

• اندازه ذرات، یکنواختی و تراکم ذرات خاک بر روی متخلخل بودن و ظرفیت نگهداری رطوبت آن تأثیر می‌گذارد. خاک با ذرات ریز و توزیع یکنواخت و تراکم مناسب مقاومت کمتری نسبت به خاک با ذرات درشت و توزیع نامنظم و تراکم کم دارد.

• دمای خاک که بر روی توسیع حرارتی و نقطه یخ زدن آن تأثیر می‌گذارد. دمای بالا می‌تواند هدایت الکتریکی خاک را با افزایش متحرکی یون‌ها افزایش دهد. دمای پایین می‌تواند هدایت الکتریکی خاک را با یخ زدن محتوای آب آن کاهش دهد.

• مقاومت زمین همچنین بستگی به مقاومت خود الکترود و مقاومت تماس بین سطح الکترود و خاک دارد. اما این عوامل معمولاً نسبت به مقاومت خاک قابل چشم‌پوشی هستند.

اندازه‌گیری مقاومت زمین

روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری مقاومت زمین در سیستم‌های موجود وجود دارد. برخی از روش‌های رایج عبارتند از:

روش سقوط پتانسیل

این روش، که به روش ۳ نقطه یا روش سقوط پتانسیل نیز معروف است، نیاز به دو الکترود تست (جریان و پتانسیل) و یک دستگاه تست مقاومت زمین دارد. الکترود جریان در فاصله‌ای از الکترود زمین قرار می‌گیرد که با عمق آن مطابقت دارد. الکترود پتانسیل بین آن‌ها قرار می‌گیرد، خارج از مناطق مقاومت آن‌ها. دستگاه یک جریان مشخص را از طریق الکترود جریان تزریق می‌کند و ولتاژ بین الکترود پتانسیل و الکترود زمین را اندازه‌گیری می‌کند. سپس مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V ولتاژ اندازه‌گیری شده و I جریان تزریق شده است.

این روش ساده و دقیق است اما نیاز به قطع تمام اتصالات به الکترود زمین قبل از تست دارد.

روش دسته‌ای

این روش همچنین به عنوان تست فرکانس القایی یا روش بدون دسته شناخته می‌شود. نیازی به هیچ الکترود تست یا قطع هیچ اتصالی به الکترود زمین ندارد. از دو دسته استفاده می‌کند که حول الکترود زمین موجود قرار می‌گیرند. یک دسته ولتاژی به الکترود القا می‌کند و دسته دیگر جریان را که از آن می‌گذرد اندازه‌گیری می‌کند. مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V ولتاژ القایی و I جریان اندازه‌گیری شده است.

این روش راحت و سریع است اما نیاز به یک شبکه زمین موازی با الکترودهای چندگانه دارد.

روش دسته‌ی متصل شده

این روش شامل یک الکترود تست (الکترود جریان) و یک دستگاه تست مقاومت زمین است. الکترود جریان با یک سیم به الکترود زمین متصل می‌شود. دستگاه یک جریان مشخص را از طریق سیم تزریق می‌کند و ولتاژ بین سیم و الکترود زمین را اندازه‌گیری می‌کند. سپس مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V ولتاژ اندازه‌گیری شده و I جریان تزریق شده است.

این روش نیازی به قطع هیچ اتصالی به الکترود زمین ندارد اما نیاز به تماس خوب بین سیم و الکترود جریان دارد.

روش ستاره-دلتا

این روش از سه الکترود تست (الکترودهای جریان) استفاده می‌کند که به صورت مثلث مساوی-الاضلاع دور الکترود زمین موجود قرار می‌گیرند. یک دستگاه تست مقاومت زمین یک جریان مشخص را به ترتیب از طریق هر جفت الکترود تست تزریق می‌کند و ولتاژ بین هر جفت الکترود تست را به ترتیب اندازه‌گیری می‌کند. سپس مقاومت زمین با استفاده از قوانین کیرشهوف محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V_AB, V_BC, V_CA ولتاژ‌های اندازه‌گیری شده بین هر جفت الکترود تست و I جریان تزریق شده است.

این روش نیازی به قطع هیچ اتصالی به الکترود زمین ندارد اما نیاز به الکترودهای تست بیشتری نسبت به سایر روش‌ها دارد.

روش زمین مرده

این روش از دو الکترود تست (الکترودهای جریان) که به صورت سری با یک دستگاه تست مقاومت زمین متصل شده‌اند استفاده می‌کند. یک الکترود تست نزدیک الکترود زمین موجود و الکترود تست دیگر دور از آن قرار می‌گیرد. دستگاه یک جریان مشخص را از طریق هر دو الکترود تست به خاک تزریق می‌کند و ولتاژ بین آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. سپس مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V ولتاژ اندازه‌گیری شده و I جریان تزریق شده است.

این روش نیازی به قطع هیچ اتصالی به الکترود زمین موجود ندارد اما نیاز به سیم بسیار طولانی بین هر دو الکترود تست دارد.

روش شیب

این روش از یک الکترود تست (الکترود پتانسیل) و یک دستگاه تست مقاومت زمین استفاده می‌کند. الکترود پتانسیل به فواصل منظم در یک خط مستقیم دور از الکترود زمین موجود حرکت می‌کند. دستگاه یک جریان مشخص را از طریق الکترود زمین موجود به خاک تزریق می‌کند و ولتاژ بین آن و الکترود پتانسیل را در هر فاصله اندازه‌گیری می‌کند. نمودار ولتاژ در مقابل فاصله رسم می‌شود و به محور ولتاژ گسترش یافته تا نقطه تقاطع آن پیدا شود. سپس مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه می‌شود:

که در آن R مقاومت زمین، V₀ نقطه تقاطع محور ولتاژ و I جریان تزریق شده است.

این روش نیازی به قطع هیچ اتصالی به الکترود زمین موجود ندارد اما نیاز به حرکت الکترود پتانسیل در یک خط مستقیم دارد.

بهبود مقاومت زمین

مقاومت زمین می‌تواند با کاهش مقاومت خاک یا افزایش مساحت سطح الکترود بهبود یابد. برخی از روش‌های رایج برای بهبود مقاومت زمین عبارتند از:

• افزودن نمک یا مواد محلول دیگر در اطراف الکترود برای افزایش هدایت الکتریکی خاک از طریق الکترولیز.

• افزودن چوب گچ یا مواد حافظ رطوبت دیگر در اطراف الکترود برای نگهداری خاک مرطوب در طول سال.

• استفاده از الکترودهای چندگانه که به صورت موازی متصل شده‌اند برای افزایش مساحت کل در تماس با خاک.

• استفاده از الکترودهای طولانی‌تر یا عمیق‌تر برای رسیدن به لایه‌های پایین‌تر خاک با مقاومت کمتر.

• استفاده از الکترودهای با سطح مقطع بزرگ‌تر یا شکل توخالی برای کاهش مقاومت الکترود.

• استفاده از الکترودهای با پوشش‌های خاص یا آلیاژهای خاص برای جلوگیری از فرسودگی و افزایش مقاومت تماس.

توصیه می‌شود که مقاومت زمین به طور دوره‌ای (سالانه یا نیمسالانه) اندازه‌گیری شود و در صورتی که بیش از مقدار مورد نظر برای کاربرد باشد، اقدامات لازم انجام شود.

نتیجه‌گیری

مقاومت زمین یک پارامتر مهم برای طراحی و نگهداری سیستم‌های زمین‌گذاری است. این مقاومت بستگی به عوامل مختلفی مانند مقاومت خاک، اندازه، شکل، عمق و ماده الکترود دارد. روش‌های مختلفی برای اندازه‌گیری آن در سیستم‌های موجود وجود دارد، مانند روش سقوط پتانسیل، روش دسته‌ای، روش دسته‌ی متصل شده، روش ستاره-دلتا، روش زمین مرده و روش شیب.

مقاومت زمین می‌تواند با افزودن نمک، چوب گچ یا مواد دیگر در اطراف الکترودها، استفاده از الکترودهای چندگانه، استفاده از الکترودهای طولانی‌تر یا عمیق‌تر، استفاده از الکترودهای بزرگ‌تر یا توخالی و استفاده از پوشش‌ها یا آلیاژهای خاص برای الکترودها بهبود یابد. مقاومت زمین باید به طور دوره‌ای اندازه‌گیری شود و در حد مجاز برای امنیت و عملکرد نگهداری شود.