عمر طولانی چاه ارت با فناوری نانو
محسن معصومی – کار و کارآفرینی: در مهندسی برق، واژه ارت با توجه به کاربردهای آن دارای معانی متفاوتی است. زمین در یک مدار الکتریکی می‌تواند نقش یک نقطه مبدا را داشته باشد که براساس آن سایر ولتاژهای الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کنند.
واژه زمین همچنین به مسیری کلی برای بازگشت جریان به منبع نیز گفته می‌شود. این واژه در مورد یک اتصال مستقیم به زمین نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
یک مدار الکتریکی ممکن است به دلایل مختلفی به زمین متصل شده باشد. در مدارهای قدرت این اتصال‌ها برای بالا بردن ایمنی و محافظت افراد یا دستگاه‌ها از تاثیر معیوب بودن عایقکاری هادی‌ها ایجاد می‌شود. اتصال به زمین در مدارهای قدرت از آسیب دیدن عایق‌های مدار در اثر افزایش ولتاژ بین زمین و مدار جلوگیری کرده و این ولتاژ را در یک حد معین محدود می‌کند. از اتصال زمین برای جلوگیری از افزایش الکتریسیته ساکن در هنگام حمل مواد قابل اشتعال یا تعمیر تجهیزات الکترونیکی نیز استفاده می‌کنند. در برخی از انواع تلگراف‌ها و شبکه‌های انتقال، زمین به تنهایی نقش یکی از هادی‌ها را ایفا می‌کند و به‌عنوان مسیر بازگشت جریان به منبع مورد استفاده قرار می‌گیرد. با این کار در هزینه ایجاد یک خط جداگانه برای بازگشت جریان صرفه‌جویی می‌شود. در اندازه‌گیری از زمین به‌عنوان یک ظرفیت الکتریکی ثابت استفاده می‌کنند که با توجه به اختلاف ظرفیت هر قسمت از مدار با زمین، میزان ظرفیت آن قسمت را مشخص می‌کنند. یک زمین الکتریکی، باید از ظرفیت انتقال جریان مناسبی برخوردار باشد تا بتوان از آن به‌عنوان مبدا صفر ولتاژ استفاده کرد.
وظیفه اصلی سیستم ارتینگ این است که جریان‌های الکتریکی وارد شده به سیستم را به طور کامل به زمین منتقل کند. سیستم ارتینگ متشکل از چاه ارت و سیم متصل به چاه است. اگر ما بدنه تمام دستگاه‌های برقی اعم از صنعتی، مخابراتی، خانگی و یا به طور کلی هرنوع مصرف‌کننده برق را توسط یک رشته سیم، به سیم اتصال به زمین متصل کنیم، یک سیستم ارتینگ ایجاد کرده‌ایم.
هدف از ایجاد این سیستم این است که اگر هریک از سیم‌های فاز و یا سیم نول به هر طریقی به بدنه دستگاه اتصال یابد و مدار الکتریکی مورد نظر دچار نشتی جریان شود؛ این نشتی جریان توسط سیم ارت به زمین منتقل شده و از برق گرفتگی و یا در مواردی اتصالی دستگاه جلوگیری می‌شود.
به‌طور خلاصه اهداف از بکارگیری سیستم ارت عبارتند از:
الف ـ حفاظت و ایمنی جان انسان
ب ـ حفاظت و ایمنی وسایل و تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی
ج ـ فراهم آوردن شرایط ایده‌آل برای کار
د ـ جلوگیری از ولتاژ تماسی
ه ـ حذف ولتاژ اضافی
و ـ جلوگیری از ولتاژهای ناخواسته و صاعقه
ز ـ اطمینان از قابلیت کار الکتریکی
روش‌های اجرای سیستم چاه ارت
برای اجرای ارت و سیستم حفاظتی دو روش کلی وجود دارد که عبارتند از:
الف: زمین عمقی:
در این روش که یک روش معمول است از چاه برای اجرای ارت استفاده می‌شود.
ب: زمین سطحی:
در این روش سیستم ارت در سطح زمین (برای مناطقی که امکان حفاری عمیق در آنها وجود ندارد) و یا درعمق حدود ۸۰ سانتیمتر اجرا می‌شود.
روش زمین سطحی
روش مورد نیاز برای حفر چاه ارت با توجه به شرایط محیطی و وجود امکانات و تجهیزات انتخاب می‌شود. در مکان‌هایی که فضای لازم و امکان حفاری در اطراف سایت وجود داشته باشد، ارتفاع از سطح دریا پائین باشد مانند شهرهای شمالی و جنوبی کشور، پستی و بلندی محوطه سایت کم باشد و فاصله بین دکل و سایت زیاد باشد از روش زمین سطحی استفاده می‌شود. در این موارد با توجه به مزایای روش سطحی، اجرای ارت به این روش ارجحیت دارد.
روش زمین عمقی
انتخاب محل چاه ارت: چاه ارت را باید در مکان‌هایی که پایین‌ترین سطح را داشته و احتمال دسترسی به رطوبت حتی‌الامکان درعمق کمتری وجود داشته باشد و یا در نقاطی که بیشتر در معرض رطوبت و آب قرار دارند، مانند زمین‌های چمن، باغچه‌ها و فضاهای سبز حفر کرد.
عمق چاه: با توجه به مقاومت مخصوص زمین، عمق چاه از حداقل ۴ متر تا ۸ متر و قطرآن حدود ۸۰سانتیمتر می‌تواند باشد. در زمین‌هایی که با توجه به نوع خاک دارای مقاومت مخصوص کمتری هستند، مانند خاک‌های کشاورزی و رسی عمق مورد نیاز برای حفاری کمتر بوده و در زمین‌های شنی و سنگلاخی که دارای مقاومت مخصوص بالاتری هستند، نیاز به حفر چاه با عمق بیشتری است. برای اندازه‌گیری مقاومت مخصوص خاک از دستگاه‌های ویژه استفاده می‌شود. در صورتی که تا عمق ۴ متر به رطوبت نرسیم و احتمال دهیم در عمق بیشتر از ۶ متر به رطوبت نخواهیم رسید، نیازی نیست چاه را بیشتر از ۶ متر حفر کنیم. به‌طور کلی عمق ۶ متر و قطر حدود ۸۰ سانتیمتر برای حفر چاه پیشنهاد می‌شود.
اتصال سیم به صفحه مسی
اتصال سیم به صفحه مسی بسیار مهم است و هرگز و در هیچ شرایطی نباید این اتصال تنها با استفاده از بست، دوختن سیم به صفحه برقرار شود. بلکه باید سیم به صفحه جوش داده شود. برای جوش دادن قطعات مسی به یکدیگر از جوش برنج یا نقره استفاده شود و در صورت نداشتن دسترسی به این نوع جوش از جوش (Cadweld) استفاده شود.
حفر چاه ارت
با توجه به شرایط جغرافیایی منطقه، چاهی با عمق مناسب و در مکان مناسب (با توجه با راهنمای انتخاب محل چاه ارت) حفر می‌شود. شیاری به عمق ۶۰ سانتیمتر از چاه تا پای دکل برای مسیر سیم چاه ارت تا برقگیر روی دکل همچنین برای سیم ارت داخل ساختمان حفر می‌شود. در صورتی که مسیر دو سیم مشترک باشد بهتر است، مسیر دو سیم ایزوله شود. همین‌طور مسیر سیم‌ها باید کوتاه‌ترین مسیر بوده و سیم میله برقگیر و ارت درحد امکان مستقیم و بدون پیچ و خم باشد و نبایستی خم‌های تند داشته باشد و در صورت نیاز به خم زدن سیم در طول بیش از ۵۰سانتیمتر انجام شود.
چالش موجود در سیستم چاه ارت
سیستم چاه ارت در شبکه‌های انتقال و توزیع برق کاربرد فراوان دارد؛ به‌طوری‌که می‌توان گفت شبکه‌های برق بدون سیم ارت بدون استفاده هستند. از عمده چالش‌های موجود در سیستم چاه ارت سولفاته شدن صفحه مسی چاه ارت است که باعث کاهش رسانایی الکتریکی آن می‌شود و در نتیجه جریان الکتریکی به زمین به‌طور مناسب انتقال نمی‌یابد. از دیگر چالش‌های موجود نبود رسانایی مناسب بنتونیت مورد استفاده در سیستم چاه ارت است. مهم‌ترین عملکرد بنتونیت مورد استفاده در سیستم چاه ارت ایجاد یک سطح تماس هادی با خاک و فرو رفتن در پستی‌وبلندی خاک برای اتصال بهتر است. صفحه مسی مورد استفاده به‌طور مستقیم با بنتونیت در تماس بوده و به مرور زمان دچار خوردگی و پوسیدگی می‌شود. همچنین بنتونیت نیز در اثر گذشت زمان رسانایی خود را از دست داده و باعث ایجاد مشکلاتی در زمین شدن تجهیزات می‌شود.
از دیگر چالش‌های موجود در سیستم چاه ارت می‌توان به خوردگی جوش‌ها در اثر رطوبت ایجاد شده توسط محیط و خاک اشاره کرد. این خوردگی با مرور زمان به‌وجود آمده و باعث قطع شدن اتصالات می‌شود.
کاربرد فناوری نانو در چاه ارت
فناوری نانو بوسیله گرافیت نانو کربن می‌تواند ویژگی هدایتی خاک مورد استفاده در چاه ارت را افزایش داده و باعث اطمینان حاصل کردن از اتصال به زمین شود. همچنین با استفاده از فناوری نانو می‌توان در ساخت الکترولیت جبرانی برای احیای چاه‌های ارت از کار افتاده استفاده کرد. فناوری نانو امروزه در ساخت بنتونیت مورد استفاده در چاه ارت نیز کاربرد دارد. خوشبختانه در داخل کشور شرکت‌های خصوصی در این زمینه فعال شده‌اند.
یکی ار این شرکت‌ها که در سال ۱۳۷۰ تاسیس شده به طور تخصصی شروع به فعالیت در زمینه تولید تجهیزات سیستم ارتینگ کرده است است. این شرکت برای نخستین‌بار در کشور توانسته است با استفاده از فناوری نانو محصولاتی را در زمینه سیستم چاه ارت ارائه کند.
این شرکت موفق شده یک نوع کنستانتره ویژه اختلاط با خاک رس با کمک فناوری نانو تولید کند. این محصول با استفاده از نانو گرافیت و نانو کربن به خواص جالبی دست پیدا کرده است. ازجمله این خواص می‌توان به این موارد اشاره کرد:
خورده نشدن مس، توان جذب و نگهداری رطوبت در درازمدت، ترک نخوردن در هنگام خشکی، توان انتقال جریان بسیار عالی، پایداری توان انتقال جریان، استفاده نکردن از نمک که باعث خوردگی شدید صفحه مسی می‌شود و جلوگیری از شسته شدن الکترولیت موجود در خاک به‌وسیله باران و آب‌های زیر سطحی.
مواردی که این محصول به آن دست یافته است از چالش‌های عمده و مهم در سیستم‌های چاه ارت میباشد. محصول دیگر این شرکت که با استفاده از فناوری نانو تولید کرده، الکترولیت جبرانی است. این محصول دارای کاربردی ویژه و منحصربه‌فردی است که هدف از فرموله کردن این الکترولیت، تولید ماده‌ای است که بتوان با آن چاه‌های ارت قدیمی را بدون حفر دوباره ونیاز به تخصص احیا کرد، به نحوی که پرسنل تاسیسات کارخانه‌ها و پالایشگاه‌ها وغیره بتوانند بدون مراجعه به متخصص امر، سیستم ارت خود را دوباره احیا کرده و مقاومت آن را پایین بیاورند.
این الکترولیت دارای فرمولی ویژه بوده و هریک از مواد تشکیل دهنده آن خود به تنهایی قادر به تخلیه بار الکتریکی به زمین هستند و چون در یک جا جمع شده‌اند هریک مکمل دیگری شده و ترکیب حاصله از توانایی بسیار بالایی برخوردار شده است. نانو گرافیت و نانو کربن موجود در الکترولیت جبرانی درمقابل تمامی مواد خورنده چه اسیدی و چه قلیایی یا حلال‌ها آسیب‌ناپذیرند و با نفوذ به پستی‌وبلندی خاک چاه به مرور و با چند بار شارژ یک هادی الکتریکی بسیار قوی حتی بدون حضور آب و الکترولیت‌ها ایجاد می‌کنند و در نتیجه سیستم ارت دارای کارآمدی بسیار بالایی می‌شود.
این نوع سیمان شامل ترکیبات ۴۰ تا ۴۸درصد از سیمان، ۵ تا ۳۰درصد از نانو گرافیت، ۶ تا ۱۵درصد از عنصر کربن، ۱ تا ۸درصد از بنتونیت فعال شده است. این سیمان رسانا، خوردگی را کاهش می‌دهد و در کنار هادی‌های فلزی موجب جذب آب، حفظ رطوبت، و ثبات زیرعمل را افزایش می‌دهد. این خواص موجب افزایش طول عمر چاره ارت، بهبود کارآیی آن و اطمینان داشتن از اتصال به زمین می‌شود.
منبع:smtnews.ir
