مقاومت زمین: تعریف، عوامل و روشهای اندازهگیری
مقاومت زمین به مقاومتی اشاره دارد که الکترود زمین به جریان الکتریکی وارد شده ارائه میدهد. این مقاومت همچنین با نامهای مقاومت زمین یا مقاومت گراند شناخته میشود. مقاومت زمین یک پارامتر مهم در طراحی و نگهداری سیستمهای زمینبندی است، زیرا بر امنیت و عملکرد نصبهای الکتریکی تأثیر میگذارد.
الکترود زمین چیست؟
الکترود زمین یک میله یا صفحه فلزی است که در خاک دفن شده و به ترمینال زمین سیستم الکتریکی متصل میشود. این الکترود یک مسیر با مقاومت کم برای جریانهای خطای الکتریکی و تشدیدهای برق ارائه میدهد تا به آرامی در خاک پخش شوند. همچنین به پایداری ولتاژ سیستم کمک میکند و تداخل الکترومغناطیسی را کاهش میدهد.
الکترود زمین میتواند از مس، فولاد، آهن گالوانیزه یا مواد دیگر با رسانایی و مقاومت در برابر فرسودگی خوب ساخته شود. اندازه، شکل، طول و عمق الکترود زمین بستگی به شرایط خاک، رتبه جریان و کاربرد سیستم زمینبندی دارد.
عوامل تاثیرگذار بر مقاومت زمین چیست؟
مقاومت زمین عموماً به رسانایی خاک بین الکترود و نقطه صفر پتانسیل (زمین نامحدود) بستگی دارد. رسانایی خاک تحت تاثیر چندین عامل قرار میگیرد، از جمله:
رسانایی الکتریکی خاک که اغلب به دلیل الکترولیز است. غلظت آب، نمک و مواد شیمیایی دیگر در خاک رسانایی آن را تعیین میکند. خاک مرطوب با محتوای نمک بالا مقاومت کمتری نسبت به خاک خشک با محتوای نمک کم دارد.
تشکیل شیمیایی خاک که pH و خواص فرسایشی آن را تاثیر میگذارد. خاک اسیدی یا القایی میتواند الکترودهای زمین را فرسایش دهد و مقاومت آن را افزایش دهد.
اندازه ذرات خاک، یکنواختی و تراکم آنها تاثیری بر پوروزیتی و ظرفیت حفظ رطوبت آن دارد. خاک با ذرات ریز و توزیع یکنواخت و تراکم بالا مقاومت کمتری نسبت به خاک با ذرات درشت و توزیع نامنظم و تراکم پایین دارد.
دمای خاک که تاثیری بر توسیع حرارتی و نقطه یخ زدن آن دارد. دما بالا میتواند رسانایی خاک را با افزایش متحرکی یونها افزایش دهد. دما پایین میتواند رسانایی خاک را با یخ زدن محتوای آب آن کاهش دهد.
مقاومت زمین همچنین به مقاومت خود الکترود و مقاومت تماس بین سطح الکترود و خاک بستگی دارد. با این حال، این عوامل معمولاً ناچیز نسبت به رسانایی خاک هستند.
چگونه مقاومت زمین را اندازهگیری کنیم؟
روشهای مختلفی برای اندازهگیری مقاومت زمین در سیستمهای موجود وجود دارد. برخی از روشهای رایج عبارتند از:
روش کاهش پتانسیل
این روش همچنین به عنوان روش سه نقطه یا روش کاهش پتانسیل شناخته میشود. این روش نیاز به دو الکترود تست (الکترود جریان و الکترود پتانسیل) و یک دستگاه تست مقاومت زمین دارد. الکترود جریان در فاصلهای از الکترود زمین موجود به عمقی برابر با عمق الکترود زمین وارد میشود. الکترود پتانسیل بین آنها در فاصله مناسبی قرار میگیرد تا خارج از کرههای تاثیر (مناطق مقاومت) آنها باشد. دستگاه تست جریان معینی را از طریق الکترود جریان تزریق میکند و ولتاژ بین الکترود پتانسیل و الکترود زمین موجود را اندازهگیری میکند. 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 ارتباطات با الکترود زمین قبل از تست دارد.
روش کلیمپزنی
این روش همچنین به عنوان تست فرکانس القایی یا روش بدون سنگبنایی شناخته میشود. این روش نیازی به هیچ الکترود تست یا قطع هیچ ارتباطی با الکترود زمین موجود ندارد. این روش از دو کلیمپ استفاده میکند که حول الکترود زمین موجود قرار میگیرند. یک کلیمپ ولتاژی را به الکترود القا میکند و کلیمپ دیگر جریان عبوری از آن را اندازهگیری میکند. مقاومت زمین با استفاده از قانون اهم محاسبه میشود:
که در آن R مقاومت زمین، V ولتاژ القا شده و I جریان اندازهگیری شده است.
این روش ساده و سریع است اما نیاز به یک شبکه زمین موازی با الکترودهای چندگانه دارد.
روش میلهی متصل شده
این روش از یک الکترود تست (الکترود جریان) و یک دستگاه تست مقاومت زمین استفاده میکند. الکترود جریان با سیمی به الکترود زمین موجود متصل میشود. دستگاه تست جریان معینی را از طریق سیم تزریق میکند و ولتاژ بین سیم و الکترود زمین موجود را اندازهگیری میکند. 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 ارتباطی با الکترود زمین موجود ندارد اما نیاز به تماس خوب بین سیم و الکترود جریان دارد.
روش ستاره-دلتا
این روش از سه الکترود تست (الکترود جریان) که به صورت مثلث متساویالاضلاع دور الکترود زمین موجود قرار میگیرند، استفاده میکند. دستگاه تست مقاومت زمین جریان معینی را از طریق هر جفت الکترود تست به ترتیب تزریق میکند و ولتاژ بین هر جفت الکترود تست به ترتیب را اندازهگیری میکند. مقاومت زمین با استفاده از قوانین کیرشهوف محاسبه میشود:
که در آن R مقاومت زمین، VAB, VBC, VCA ولتاژهای اندازهگیری شده بین هر جفت الکترود تست و I جریان تزریق شده است.
این روش نیازی به قطع هیچ ارتباطی با الکترود زمین موجود ندارد اما نیاز به الکترودهای تست بیشتری نسبت به روشهای دیگر دارد.
روش زمین مرده
این روش از دو الکترود تست (الکترود جریان) که به صورت سری با یک دستگاه تست مقاومت زمین متصل میشوند، استفاده میکند. یک الکترود تست نزدیک الکترود زمین موجود و الکترود تست دیگری دور از آن قرار میگیرد. دستگاه تست جریان معینی را از طریق هر دو الکترود تست به خاک تزریق میکند و ولتاژ بین آنها را اندازهگیری میکند. 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 ارتباطی با الکترود زمین موجود ندارد اما نیاز به سیم بسیار طولانی بین هر دو الکترود تست دارد.
روش شیب
