روش‌های زمین‌سازی
روش‌های زمین‌سازی و فرش‌های زمین‌سازی
در سیستم‌های برق، روش‌های مختلفی برای زمین‌سازی وجود دارد، از جمله زمین‌سازی با سیم یا نوار، زمین‌سازی با میله، زمین‌سازی با لوله، زمین‌سازی با صفحه و زمین‌سازی از طریق خطوط آب. در میان این روش‌ها، زمین‌سازی با لوله و زمین‌سازی با صفحه بیشتر استفاده می‌شوند و در ادامه به تفصیل بررسی خواهند شد.
فرش زمین‌سازی
یک فرش زمین‌سازی با اتصال چندین میله با هادی‌های مسی ساخته می‌شود. این ساختار مؤثر در کاهش مقاومت کلی زمین‌سازی و نقش مهمی در محدود کردن پتانسیل زمین دارد. این روش به ویژه برای مناطقی مناسب است که جریان‌های عیب بزرگ منتظره هستند. در طراحی یک فرش زمین‌سازی، چندین عامل حیاتی باید با دقت در نظر گرفته شود:
ملاحظات ایمنی
در شرایط عیب، اختلاف ولتاژ بین زمین و سطح زمین باید در سطحی باشد که خطری برای افرادی که ممکن است با سطوح هادی غیرحمل‌کننده جریان در سیستم برق تماس پیدا کنند، نداشته باشد. این امر ایمنی کارکنانی را که در نزدیکی یا در اطراف نصب برق کار می‌کنند، تضمین می‌کند.
عملکرد رеле محافظ
فرش زمین‌سازی باید قادر به مدیریت جریان‌های عیب بدون قطع باشد که به اندازه کافی بزرگ هستند تا رеле محافظ را فعال کنند. یک مقاومت زمین پایین ضروری است تا جریان عیب به آزادی از طریق فرش جریان یابد و به عملکرد سریع رеле محافظ برای جدا کردن بخش معیوب سیستم برق کمک کند.
جلوگیری از جریان‌های مرگبار
مقاومت فرش زمین‌سازی باید به نحوی طراحی شود که جلوی جریان مرگبار از طریق بدن یک فرد را در صورت تماس تصادفی با قسمت‌های زنده بگیرد. این یک الزام ایمنی بنیادی برای حفظ حیات انسان است.
محدود کردن ولتاژ گام
طراحی فرش زمین‌سازی باید اطمینان حاصل کند که ولتاژ گام - اختلاف پتانسیل بین دو نقطه روی سطح زمین با فاصله مشخص - زیر مقدار مجاز باقی بماند. این مقدار مجاز به عوامل مختلفی مانند مقاومت خاک و شرایط عیب که برای جدا کردن تجهیزات معیوب از سیستم برق زنده لازم است، بستگی دارد. با نگهداری ولتاژ گام در حدود ایمن، خطر شوک الکتریکی برای افرادی که در نزدیکی نصب زمین‌سازی قدم می‌زنند، کاهش می‌یابد.
الکترودهای زمین‌سازی
الکترود زمین‌سازی به هر نوع سیم، میله، لوله، صفحه یا گروهی از هادی‌ها اشاره دارد که به طور افقی یا عمودی در زمین نصب می‌شود. در سیستم‌های توزیع برق، یک شکل معمولی الکترود زمین یک میله است که معمولاً حدود یک متر طول دارد و به طور عمودی در زمین نصب می‌شود. این طراحی ساده اما موثر به ایجاد یک اتصال قابل اعتماد بین سیستم برق و زمین کمک می‌کند و به تخلیه ایمن جریان‌های عیب کمک می‌کند.
به طور متناقض، در زیرстанیون‌های تولید، به جای استفاده از میله‌های فردی، معمولاً از یک فرش زمین‌سازی استفاده می‌شود. یک فرش زمین‌سازی شامل چندین هادی متصل شده به یک شبکه است. این رویکرد چندین مزیت بر استفاده از الکترودهای تکی دارد. مساحت سطح بزرگتر و طبیعت متصل شده فرش زمین‌سازی مقاومت کلی کمتری فراهم می‌کند و به آن اجازه می‌دهد تا جریان‌های عیب بزرگتر را به طور موثرتری مدیریت کند. علاوه بر این، به توزیع یکنواخت‌تر پتانسیل الکتریکی در سراسر منطقه زیرستانیون کمک می‌کند و خطر ولتاژ گام و لمس خطرناک را که می‌تواند تهدیدی برای کارکنان و تجهیزات باشد، کاهش می‌دهد.
زمین‌سازی با لوله
در میان روش‌های مختلف زمین‌سازی که تحت شرایط خاک و رطوبت یکسان قابل اعمال هستند، زمین‌سازی با لوله به عنوان یکی از روش‌های غالب و بسیار موثر شناخته می‌شود. در این روش، یک لوله فولادی جلف‌دار با سوراخ‌ها که به مشخصات تأیید شده در مورد طول و قطر مطابقت دارد، به طور عمودی در خاکی که دائمًا مرطوب است نصب می‌شود، همانطور که در تصویر همراه نشان داده شده است.
انتخاب اندازه لوله یک مسئله حیاتی است، زیرا توسط دو عامل اصلی تعیین می‌شود: مقدار جریانی که سیستم زمین‌سازی باید هدایت کند و ویژگی‌های خاک. برای مدیریت جریان‌های عیب بزرگتر، ممکن است نیاز به یک لوله با قطر بزرگتر یا طولانی‌تر باشد تا بتواند بار الکتریکی را به طور ایمن و کارآمدی در زمین تخلیه کند. علاوه بر این، انواع مختلف خاک مقاومت الکتریکی متفاوتی دارند؛ به عنوان مثال، خاک با مقاومت بالاتر ممکن است نیاز به یک لوله با اندازه بزرگتر داشته باشد تا اتصال با مقاومت پایین مورد نظر با زمین را به دست آورد. این فرآیند اندازه‌گیری دقیق اطمینان از قابل اعتمادی و ایمنی سیستم زمین‌سازی با لوله را فراهم می‌کند و آن را به یک انتخاب مطلوب برای مجموعه وسیعی از نصب‌های برق تبدیل می‌کند.
برای زمین‌سازی با لوله، عملیات استاندارد ابعاد خاصی برای لوله زمین‌سازی تعیین می‌کند که می‌تواند بر اساس شرایط خاک متفاوت باشد. معمولاً، در خاک معمولی، یک لوله با قطر ۴۰ میلی‌متر و طول ۲.۵ متر استفاده می‌شود. اما در خاک خشک و سنگلاخی، نیاز به یک لوله طولانی‌تر برای ایجاد یک اتصال مؤثر با زمین است. عمقی که لوله در آن دفن می‌شود مستقیماً با محتوای رطوبتی خاک مرتبط است، زیرا محیط مرطوب‌تر رسانایی الکتریکی بهتری فراهم می‌کند.
در یک نصب معمولی، لوله در عمق ۳.۷۵ متر قرار می‌گیرد. برای بهبود عملکرد، پایین لوله با تکه‌های کوچک کک یا گچ مغناطیسی احاطه شده است که تقریباً ۱۵ سانتی‌متر دور از آن قرار گرفته‌اند. لایه‌های متناوب کک و نمک استفاده می‌شوند که هر کدام هدف‌های متمایزی دارند. کک مساحت تماس مؤثر با زمین را افزایش می‌دهد، در حالی که نمک مقاومت زمین را کاهش می‌دهد و به طور کلی کارایی سیستم زمین‌سازی را بهینه می‌کند.
یک لوله اضافی با قطر ۱۹ میلی‌متر و طول حداقل ۱.۲۵ متر از طریق یک سوکتل کاهش‌دهنده به بالای لوله فولادی جلف‌دار (GI) متصل می‌شود. این لوله ثانویه نقش مهمی در حفظ عملکرد سیستم، به ویژه در شرایط آب و هوایی نامساعد، ایفا می‌کند.
در ماه‌های تابستان، محتوای رطوبتی خاک به طور طبیعی کاهش می‌یابد و مقاومت زمین افزایش می‌یابد. برای مقابله با این مسئله، یک سازه بتون آهکی ساخته می‌شود تا تأمین آب مداوم را تضمین کند. برای حفظ اتصال زمین مؤثر، ۳ تا ۴ بشکه آب از طریق یک شیره متصل به لوله با قطر ۱۹ میلی‌متر که به لوله اصلی GI متصل است، ریخته می‌شود. سیم زمین که می‌تواند یک سیم یا نوار GI با مقطع کافی برای هدایت ایمن جریان‌های عیب باشد، از طریق یک لوله GI با قطر ۱۲ میلی‌متر که حدود ۶۰ سانتی‌متر زیر سطح زمین دفن شده است، عبور می‌کند.
زمین‌سازی با صفحه
زمین‌سازی با صفحه شامل دفن یک صفحه زمین‌سازی در زمین است. صفحه می‌تواند از برنج یا فولاد جلف‌دار با ابعاد ۶۰ سانتی‌متر × ۶۰ سانتی‌متر × ۳ میلی‌متر یا ۶۰ سانتی‌متر × ۶۰ سانتی‌متر × ۶ میلی‌متر باشد. صفحه به طور عمودی قرار داده می‌شود، با اینکه قسمت بالایی آن حداقل ۳ متر از سطح زمین فاصله دارد. این عمق برای تضمین زمین‌سازی الکتریکی قابل اعتماد ضروری است، زیرا به صفحه اجازه می‌دهد تا تماس کافی با خاک داشته باشد و جریان‌های الکتریکی را در صورت عیب به طور ایمن تخلیه کند.
زمین‌سازی با صفحه
در زمان اجرای زمین‌سازی با صفحه، صفحه زمین‌سازی در لایه‌های کمکی کک و نمک با ضخامت حداقل ۱۵ سانتی‌متر قرار می‌گیرد. این ترکیب به کاهش مقاومت خاک در اطراف صفحه کمک می‌کند و کارایی سیستم زمین‌سازی را افزایش می‌دهد. یک سیم زمین که می‌تواند از فولاد جلف‌دار (GI) یا برنج باشد، با استفاده از مهره‌ها و پیچ‌ها به صفحه زمین‌سازی به صورت محکم متصل می‌شود. با وجود رسانایی الکتریکی برتر برنج، صفحات و سیم‌های برنج به دلیل هزینه قابل توجه آن‌ها در مقایسه با گزینه‌های GI معمولاً برای زمین‌سازی استفاده نمی‌شوند. این ارزانی موجب می‌شود که مواد GI به عنوان انتخاب مطلوب برای بیشتر کاربردهای عملی زمین‌سازی باشند.
زمین‌سازی از طریق خطوط آب
زمین‌سازی از طریق خطوط آب یک روش دیگر برای ایجاد اتصال الکتریکی با زمین است. در این روش، یک سیم GI یا برنج به خطوط آب متصل می‌شود. اتصال با استفاده از سیم بندی فولادی انجام می‌شود که به یک سیم برنج متصل می‌شود. این روش از شبکه فلزی گسترده خطوط آب که معمولاً تماس خوبی با زمین دارند، بهره می‌برد تا یک مسیر با مقاومت پایین برای جریان الکتریکی در صورت عیب فراهم کند. با این حال، این روش زمین‌سازی باید با مقررات ایمنی و کد‌های سیستم‌های آب مطابقت داشته باشد تا هم ایمنی الکتریکی و هم تمامیت سیستم تأمین آب تضمین شود.
لوله‌های آب معمولاً از فلز ساخته شده و زیر سطح زمین دفن می‌شوند، که به طور مؤثر یک اتصال مستقیم با زمین ایجاد می‌کنند. در صورت عیب، جریانی که از طریق سیم GI یا برنج استفاده شده برای زمین‌سازی جریان می‌یابد، به طور مستقیم از طریق لوله آب به زمین هدایت می‌شود. این یک مسیر مناسب و غالباً موثر برای تخلیه جریان‌های عیب فراهم می‌کند که از شبکه زیرزمینی گسترده لوله آب و رسانایی ذاتی آن به عنوان یک ساختار فلزی بهره می‌برد.
