برای دستیابی به یک سامانهی اتصال زمین کارآمد، بادوام و قابل اعتماد، باید جنبههای مختلفی، همچون طراحی، اجرا و انتخاب مصالح مناسب را مورد توجه قرار داد. اما در میان تمامی بخشهای مختلف این سامانه، چاه ارت از حساسیت و ویژگیهای خاصی برخوردار است، زیرا پس از اجرا امکان دسترسی مجدد به آن وجود ندارد و در صورت بروز اشکال، کار چندانی برای آن نمیتوان کرد؛ و با عنایت به این که این بخش نقشی تعیین کننده در کارآمدی سامانه اتصال زمین دارد، میتوان گفت مهمترین و حساسترین بخش سامانه، اتصال زمین است و طراحی و اجرای صحیح آن از اهمیت اساسی برخوردار است. در حال حاضر متأسفانه کمبود منابع کاربردی در مورد سامانهی اتصال زمین احساس میشود، که این خود موجب رواج یافتن برخی شیوههای اشتباه و بروز اختلاف نظرهایی، به ویژه در زمینهی اجرای چاه ارت شده است و اغلب شاهد اجراهای نادرست و در نتیجه عدم دستیابی به مقاومت مناسب و یا بیدوام بودن چاههای اجراشده هستیم. گاهی یک بیدقتی ساده در اجرای چاه باعث از دست رفتن کل هزینهها و ناکارآمدی سیستم اتصال زمین و در نتیجه ناایمن شدن شبکهی برق و بروز پیامدهای ناگوار ناشی از آن میشود. از این رو، شایسته است برای «اجرای چاه ارت» اهمیتی ویژه و جایگاهی خاص قائل شویم.
در نوشتار حاضر کوشیدهایم شناختی علمی و در عین حال ساده از مسائل اجرایی و عوامل مؤثر در کیفیت چاه ارت به دست داده و راهکارهایی مناسب و کاربردی برای اجرا و نیز حل مشکلات آن ارائه نماییم. همچنین، نحوهی کاربرد بنتونیت به عنوان یک الکترولیت خوب در چاه نشان داده شده است. انتخاب بنتونیت از این جهت بوده که این ماده تأثیر فوقالعاده مطلوبی در کاهش مقاومت چاه، کاهش هزینهها و پایداری و دوام طولانی مدت چاه زمین دارد.
عوامل مؤثر بر مقاومت چاه
۱- یخزدگی و خشکی خاک
میدانیم که هدایت الکتریسیته در فلزات ناشی از جابهجایی الکترونهاست و در این کار هستههای اتمها در جای خود میمانند و جابهجا نمیشوند. ولی در غیرفلزاتی مانند خاک، قضیه به شکل دیگریست؛ در این مواد هدایت الکتریسیته ماهیت شیمیایی داشته و از املاح یونیزه شدهی موجود در آنها سرچشمه میگیرد. همچنین، میدانیم که عبور جریان توسط یونها مستلزم حرکت و جابهجایی آنهاست. حال با توجه به این که یک یون، کل اتم را شامل میشود و اتمهای مواد جامد قادر به جابهجایی نیستند، خاک نیز در حالت جامد قادر به هدایت جریان برق نیست؛ ولی هنگامی که مقداری آب جذب خاک شود، املاح خاک، در این رطوبت حل و سپس یونیزه شده و آنگاه میتوانند عمل هدایت الکتریکی را انجام دهند. به همین دلیل، خاکهای خشک یا یخزده قادر به هدایت نبوده و مقاومت بسیار زیادی از خود نشان میدهند. بر همین اساس، هنگام تعیین عمق چاه، میباید به امکان یخ زدن سطح خاک در زمستان و خشک شدن آن در تابستان توجه کرد و با در نظر گرفتن آب و هوای منطقه، عمق مؤثر چاه را از سطحی که امکان یخ زدن و خشک شدن ندارد، به پایین در نظر گرفت. این موضوع به ویژه در اتصال زمینهای افقی (شبکهها یا مشهای ارت که در عمق کمی اجرا میشوند) درخور توجه است.
۲- فشردگی خاک
میدانیم که خاک از دانههایی با اندازههای مختلف تشکیل شده است که این دانهها در خاکهای دست نخورده، معمولاً به همدیگر فشرده شده و تودهای متراکم را به وجود میآورند. در این تودههای متراکم، دانههای خاک در همدیگر فرو رفته و فضای تهی قابل توجهی میان خودشان باقی نمیگذارند. بنابراین، سطح تماس بین دانهها زیاد بوده و در نتیجه مقاومت الکتریکی کمی ایجاد میشود؛ در حالی که در خاکهای دستی و نامتراکم، فضاهای خالی زیاد بین دانههای خاک، سطح تماس کمی ایجاد میکند و به همین دلیل مقاومت الکتریکی زیادی پدید میآید. نکتهی دیگر این که هر چه دانههای خاک درشتتر باشند، فاصلههای خالی بیشتری بین آنها به وجود آمده و مقاومت الکتریکی را افزایش میدهد.
اکنون نکتهی بسیار مهم دیگری را مورد توجه قرار میدهیم و آن این که اثر مقاومت ویژهی خاکهای نزدیک و اطراف الکترود ارت در مقاومت چاه، بسیار بیشتر از اثر خاکهای دور از آن است. توجه به این دو مطلب مهم نشان میدهد که اجرای چاه ارت در زمین دست نخورده اهمیت فوقالعادهای دارد و در صورت دستی بودن خاکهای سطحی، چاره آن است که نخست آن قدر پایین برویم تا به زمین دست نخورده برسیم و آنگاه کندن چاه را در زمین دست نخورده، به اندازهی کافی ادامه دهیم. بدیهی است که تنها آن بخش از چاه که در خاک دست نخورده قرار دارد، ارزشمند و مؤثر بوده و عمق مؤثر چاه نیز برابر ارتفاع همان بخش است.
دقیقاً به همین دلیل است که در هنگام اجرای چاه ارت باید الکترولیت اطراف الکترود را به خوبی کوبیده و متراکم نمود. زیرا این کار در کاهش مقاومت چاه، اثر فراوان دارد. با توجه به این که سیم متصل به الکترود ارت (که تا سطح خاک بالا میآید) نیز مانند یک الکترود میلهای عمل نموده و در کاهش مقاومت کلی چاه مؤثر است، کوبیدن خاکهای لایههای بالاتر از الکترود (اطراف سیم ارت) نیز میتواند در کاهش مقاومت چاه مؤثر باشد و هر چه آنها را بیشتر کوبیده و متراکم کنیم، نتیجهی بهتری حاصل میشود.
در این جا برخی خواص ارزشمند خاک بنتونیت به عنوان الکترولیت مشخص میشود. دانهبندی این خاک فوقالعاده ریز بوده، دارای خاصیت تورمی شدیدی است و در اثر تورم ناشی از آبگیری، تمامی خلل و فرج موجود میان دانههای خود را پُرکرده و به تمام سطوح پیراونی نیز فشرده میشود؛ و همین موضوع یکی از دلایل پایین بودن مقاومت الکتریکی چاههای بنتونیتیست. از سوی دیگر، این تودهی متراکم نیاز به کوبیدن ندارد و در نتیجه اجرای آن آسان است و مقاومت حاصل از آن، بر خلاف الکترولیتهایی از قبیل ذغال و نمک، وابسته به چگونگی اجرا و دقت در کوبیدن الکترولیت نیست.
۳- رطوبت و آب
همان گونه که در تشریح اثر یخزدگی گفته شد، هدایت الکتریسیته در خاک ماهیت شیمیایی داشته و از املاح حل شده در رطوبت خاک سرچشمه میگیرد. بنابراین، هرچه رطوبت بیشتری در خاک موجود باشد، املاح بیشتری در آن حل شده و جابهجایی یونها نیز بهبود مییابد. بنابراین، میزان هدایت آن نیز افزایش مییابد، ولی برخلاف انتظار، آندسته از خاکهای سطحی یا زیرزمینی که به طور دائم در معرض رطوبت فراوان قرار دارند (مانند بستر جویها و رودخانهها) دارای هدایت کمی هستند. زیرا آب و رطوبت بسیار زیاد موجود در این خاکها، به تدریج و به مرور زمان، املاح و حتی دانههای ریز این خاکها را شسته و با خود به جاهای دیگر برده است در نتیجه هدایت آنها به دلیل فقر املاح، اندک است. پس با افزایش رطوبت خاک، هدایت آن افزایش مییابد؛ ولی هنگامی که مقدار این رطوبت بسیار زیاد شود، میزان هدایت کاهش خواهد یافت. پیش از این گفته شد که اثر مقاومت ویژهی خاکهای نزدیک و اطراف الکترود ارت در مقاومت چاه، بسیار بیشتر از اثر خاکهای دور از آن است. بنابراین، بهتر است چاه ارت را آن قدر بکنیم تا به خاک مرطوب که دارای مقاومت کمیست، برسیم و سپس درون خاک مرطوب نیز تا اندازهای حفاری را ادامه بدهیم. به این ترتیب، الکترود ارت در محاصرهی خاکی کم مقاومت قرار خواهد گرفت. به ویژه قابل توجه است که افزایش عمق چاه از یک سو موجب کاهش مقاومت آن شده و از سوی دیگر در اعماق بیشتر معمولاً درصد رطوبت نیز افزایش یافته و به شکلی مضاعف موجب کاهش مقاومت الکتریکی آن میشود. ولی هرگز نباید کار را تا رسیدن به سفرههای آب زیرزمینی ادامه داد؛ زیرا همان گونه که گفته شد، این کار اثر معکوس دارد.
۴- فاصلهی چاهها از یکدیگر
معمولاً تعداد و فاصلهی چاههای ارت و محل احداث آنها، با توجه به مقاومت موردنظر، از سوی طراح محاسبه و تعیین میشود، ولی به دلیل آن که فرمولهای محاسبهی مقاومت چاه ارت اصولاً با فرض همگن بودن خاک نوشته شدهاند و در عمل با خاکها و زمینهای غیرهمگن مواجهایم، و همچنین به علت وجود برخی موانع و دشواریهای اجرایی، ممکن است مقاومت عملی چاهها با مقدار محاسبه شده تفاوت داشته و پس از اجرا (به منظور کاهش مقاومت) نیاز به اضافه کردن چاه جدید داشته باشیم و گاهی نیز حین اجرای طرح، به دلیل وجود موانع عملی از قبیل وجود صخره یا لاشههای بزرگ بتنی در محل طراحی شده، ناگزیر از تغییر محل آن شویم. از این رو، لازم است محلهای جدیدی برای احداث چاه در نظر گرفته شود. به همین دلیل مهندس ناظر میباید به نکات حائز اهمیت در جانمایی چاه ارت مسلط باشد. یکی از نکات مهم در این کار، رعایت فاصلهی لازم میان چاههاست. میدانیم که هر چاه ارت دارای محدودهای در اطراف خود میباشد که در هنگام بروز خطا و جاری شدن جریان در الکترود ارت، دارای ولتاژ خواهد شد. این محدوده، حوزهی مقاومت (Resistance Area) نامیده میشود. نکتهی مهم این است که دو چاه ارت تا حد ممکن از هم دور باشند و یا فاصلهی آنها دست کم به اندازهای باشد که حوزههای مقاومت آنها همپوشانی نداشته باشند. (به شکلهای ۴ و ۵ توجه شود.) رعایت نشدن این نکته مشکلات زیر را به وجود میآورد:
الف) در صورتی که دو چاه برای دو شبکهی مستقل از هم به کار روند (مثلاً یکی برای ارت فشار ضعیف ترانسفورماتور و دیگری برای ارت فشار قوی آن)، هنگام بروز خطا در یکی از شبکهها، ارت شبکهی دیگر نیز برقدار خواهد شد و این موضوع میتواند بسیار خطرناک باشد.
ب) در صورتی که دو چاه به یکدیگر متصل شده و هر دو برای یک سامانه به کار روند، رعایت نشدن حداقل فاصله باعث میشود که پس از متصل کردن دو چاه به یکدیگر، کاهش مورد نظر در مقاومت کل به دست نیامده و مقاومت حاصل شده، بیشتر از حد انتظار شود.
ابعاد حوزهی مقاومت بستگی به مقاومت ویژهی خاک و عمق چاه دارد. هر چه مقاومت ویژهی خاک بیشتر باشد و یا عمق چاه افزایش یابد، حوزهی مقاومت بزرگتر میشود. به طور کلی برای چاههایی که به هم متصل شده و ارت واحدی را تشکیل میدهند، این فاصله نباید کمتر از ۶ متر باشد؛ و برای دو چاه که متعلق به دو سامانهی مختلف میباشند، این فاصله نباید کمتر از ۲۰ متر یا دو برابر عمق چاه (هر کدام که بیشتر بود) بشود.
انواع الکترودها
اکنون که تأثیر عوامل مختلف بر مقاومت چاه ارت شرح داده شد، به تشریح رایجترین انواع الکترودها میپردازیم:
۱- الکترود میلهای
این نوع الکترود به دو دسته تقسیم میشود:
الف) الکترود میلهای نوع اول
این الکترود معمولاً یک میلهی فولادی نوکتیز است که بدنهی آن گالوانیزه شده و یا آن را با لایهای از مس پوشاندهاند تا دوام آن در زیر خاک افزایش یافته و از پوسیده شدن سریع آن جلوگیری شود. برای نصب این الکترود نیازی به حفر چاه نیست و آن را در زمین دست نخورده به طور عمودی میکوبند. ساختار آن نیز برای کوبیدن طرح شده است. مغز فولادی آن سخت و محکم بوده و با وارد شدن ضربه، در خاک فرو میرود. انتهای سخت میله نیز قادر به تحمل ضربههای چکش است. گاهی نیز یک قطعهی فولادی بسیار سخت را به انتهای میله متصل میکنند تا از تغییر فرم آن در اثر ضربههای چکش جلوگیری شود. نوک میله را نیز برای فرورفتن بهتر، تیز کردهاند و یا یک قطعه فولادی نوک تیز و سخت به سر آن متصل نمودهاند.
طول این میلهها حدود ۱/۵ تا ۳ متر است. میلههای بلندتر ممکن است به هنگام کوبیده شدن در زمینهای سخت، کج شوند. گاهی این میلهها را طوری میسازند که بتوان پس از کوبیدن یک میله، به کمک یک قطعهی واسطه، میلهی دوم را به ته آن متصل کرد و کوبیدن را ادامه داد. سپس میلهی سوم را به همان روش به ته میلهی دوم متصل و این عمل را تکرار میکنند. به این ترتیب، با اتصال میلههای متعدد میتوان الکترود بلندتری به دست آورد و آن را بدون کج شدن تا عمق بیشتری در زمین فرو کرد. منتها این اشکال وجود دارد که همین قطعات واسطه که ساختار آنها شبیه پیچ و مهره است، اغلب تحمل ضربههای لازم برای فروکردن میله در زمینهای بسیار سخت را ندارند و در اثر ضربه ممکن است لق شده و اتصال میان میلهها دچار اشکال شود. از این رو الکترود میلهای نوع اول بیشتر مناسب کوبیدن در خاکهای نرم یا در زمینهاییست که رطوبت در نزدیکی سطح آن قرار دارد. کوبیدن این الکترود در زمینهای سخت، حتی در همان عمق کم نیز خالی از دردسر نیست.
مهمترین حسن این نوع الکترود، آسانی اجرا و ارزان بودن آن است. زیرا هزینهی حفر چاه و خرید الکترولیت را ندارد و قیمت آن هم ارزان است؛ اما اساساً مقاومت بیشتری نسبت به الکترود صفحهای دارد. از همین رو، برای حصول مقاومت کم باید چند عدد از آنها را نصب و به همدیگر متصل کرد، که با توجه به لزوم رعایت فاصلهی مجاز میان الکترودها، به زمینی بزرگ نیاز است. بنابراین، به دست آوردن مقاومت کم در یک زمین کوچک به کمک این نوع الکترود، مشکل است. ضمن آن که افزایش بیش از حد تعداد الکترودها میتواند هزینهی تهیهی سیم و ترانشهکنی مورد نیاز برای ارتباط دادن آنها و نیز هزینهی اتصال سیمهای ارتباطی به الکترودها را افزایش داده و مزیت اقتصادی استفاده از این نوع الکترود را از بین ببرد.
این میلهها در طولهای از ۱/۵ تا ۳ متر و قطرهای ۱۶، ۱۹ و ۲۵ میلیمتر ساخته میشوند. قطر میله تأثیر چندانی در مقاومت ارت حاصل از آن ندارد و با افزایش قطر، صرفاً استحکام مکانیکی میله افزایش مییابد و میتوان آن را برای زمینهای سختتر به کار بُرد.
این میلهها باید مشخصههای زیر را دارا باشند:
۱- ضخامت لایهی گالوانیزه نباید کمتر از ۷۰ میکرون باشد. چون ایجاد لایهای با قطر ۷۰ میکرون با روش گالوانیزاسیون سرد (الکترولس) امکانپذیر نیست، حتماً باید از روش گالوانیزاسیون گرم استفاده شود.
۲- ضخامت میلهی فولادی نباید کمتر از ۱۶ میلیمتر باشد.
۳- سطح مقطع روکش مسی نباید کمتر از ۲۰ درصد سطح مقطع مغز فولادی باشد.
۴- حداقل خلوص مس مورد استفاده برابر ۹۹/۹ درصد باشد (مس کاتد).
۵- لایهی مسی باید به روش جوش مولکولی (آبکاری الکتریکی) روی بدنهی میله قرار گیرد. در بازار اغلب میلههای ارزان قیمتی به فروش میرسد که با فروکردن یک میلهی فولادی درون یک لولهی مسی هم اندازه با آن ساخته شدهاند. این الکترودها دارای عیوب زیر میباشند و به کارگیری آنها توصیه نمیشود.
عیب یکم: در اثر وجود فواصل ذرهبینی میان روکش مسی و مغز فولادی، رطوبت و املاح خاک به این فواصل نفوذ کرده و پیل الکتریکی تشکیل میدهند که موجب خوردگی سریع میله میگردد.
عیب دوم: به علت یکپارچه نبودن روکش مسی و مغز فولادی آن، در موقع کوبیدن میله ممکن است روکش مسی جدا شده و همراه میله در خاک فرو نرود.
عیب سوم: هنگام ساخت این الکترودها، میلهی فولادی تا دمای زیادی داغ میشود و این موضوع میتواند بر روی خواص متالورژیک میله تأثیر گذاشته و از استحکام آن بکاهد و در نتیجه گاه شاهد کج شدن الکترود در هنگام کوبیدن آن خواهیم بود.
شایان ذکر است که رعایت نشدن نکات فوق موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد.
ب) الکترود میلهای نوع دوم
نوع دوم الکترود میلهای برای نصب در چاههای کنده شده با دستگاه حفاری به کار میرود. این نوع الکترود را در چاه قرار داده و اطرافش را با الکترولیتی مناسب (مثلاً دوغاب بنتونیت) پُر میکنند که در این حالت نیازی به میلهای محکم با مشخصات نوع اول نیست و به جای آن میتوان از سیم یا تسمهی مسی یا گالوانیزه و یا حتی از لولهی گالوانیزه آب نیز استفاده کرد. (استفاده از این نوع الکترود در چاههای کنده شده با دست، به علت زیاد بودن عرض چاه و نیاز به مقدار زیاد الکترولیت توصیه نمیشود.) مهمترین حُسن این روش آن است که بر خلاف روش نخست میتوان با عمیقتر کردن چاه، الکترود را تا عمق دلخواه در زمین وارد کرد و مقاومت آن هم به دلیل عمق بیشتر و استفاده از الکترولیت، کمتر از روش نخست میباشد. در عوض، هزینههای حفر چاه و خرید الکترولیت به سایر هزینهها افزوده میشود.
مشخصات مهمی که این الکترودها باید داشته باشند، عبارتاند از:
۱- حداقل ضخامت تسمهی مسی ۲ میلیمتر و حداقل سطح مقطع آن ۵۰ میلیمتر مربع باشد.
۲- حداقل سطح مقطع سیم مسی چند مفتولی ۳۵ میلیمتر مربع و حداقل قطر هر مفتول آن ۱/۸ میلیمتر باشد.
۳- حداقل خلوص مس مورد استفاده برابر ۹۹/۹ درصد باشد. (مس کاتد)
۴- حداقل ضخامت تسمهی فولادی (گالوانیزه) ۳ میلیمتر و حداقل سطح مقطع آن ۱۰۰ میلی متر مربع باشد.
۵- ضخامت لایهی گالوانیزه نباید کمتر از ۷۰ میلیمتر باشد. استفاده از گالوانیزاسیون گرم برای این نوع الکترود نیز اجباریست.
۶- قطر لولهی گالوانیزه نباید کمتر از in1 (یک اینچ) باشد. دوباره تأکید میشود که رعایت نشدن نکات فوق، موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد.
۲- الکترود صفحهی مسی
این الکترود یک صفحهی مسی مربع شکل است که در موقع نصب، آن را به طور افقی یا عمودی در چاه قرار داده و در میان الکترولیت مناسبی دفن میکنند. در بین الکترودهای مختلف، گرانترین نوع محسوب میشود. زیرا وزن مس مورد نیاز برای ساخت آن بیش از سایر الکترودهاست و همچنین نیاز به حفر چاه و مقدار بیشتری الکترولیت دارد. در عوض مقاومت کمتری ایجاد میکند و از این راه تعداد چاه مورد نیاز برای رسیدن به یک مقاومت معین را کاهش میدهد؛ که این خود، موجب صرفهجویی در هزینههای حفر چاه و تأمین سیمهای ارتباطی میان چاهها و اتصال آنها به الکترودها و ترانشهکنیهای مورد نیاز میشود، از این رو، بسته به مشخصات زمین، در بعضی موارد اقتصادیتر از الکترودهای میلهای خواهد بود. از سوی دیگر، در زمینهای کوچک که امکان حفر چاههای متعدد وجود ندارد و با توجه به این که مقاومت سامانهی احداث شده نباید از حد معینی بیشتر باشد، ممکن است تنها راه احداث سامانهی اتصال زمین، استفاده از این نوع الکترود باشد.
مشخصاتی که لازم است این الکترود داشته باشد، به شرح زیر است:
۱- طول و عرض آن، حداقل cm50×۵۰ باشد. ۲- قطر آن از ۲ میلیمتر کمتر نباشد.
۳- خلوص مس مورد استفاده حداقل برابر ۹۹/۹ درصد باشد. (مس کاتد)
توجه شود که رعایت نشدن نکتهی ردیف ۱ موجب افزایش مقاومت چاه شده و بیتوجهی به ردیفهای ۲ و ۳ موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد. متأسفانه در حال حاضر، صفحات مسی آلیاژی که مناسب استفاده در زیر خاک نمیباشند، به طور وسیعی مورد استفاده قرار میگیرند. همچنین صفحات فولادی پوشیده شده با مس را فقط به شرطی میتوان به جای صفحهی مسی به کار بُرد که ضخامت لایهی مس روی آن از حداقلهای لازم، کمتر نباشد.
هادی یا سیم ارت
پس از شرح انواع الکترود، اینک به بیان جزئیات مهم در انتخاب و استفاده از هادی ارت میپردازیم. نخست هادیهای ارت را از نظر محل استفاده به دو دسته تقسیم میکنیم.
دستهی اول: هادیهایی که در زیر زمین و در تماس با خاک قرار میگیرند.
دستهی دوم: هادیهایی که روی زمین قرار گرفته و با خاک تماس ندارند.
این طریقهی دستهبندی از آن روست که انتخاب جنس هادی ارت و همچنین منظور کردن روکش و عایق برای آن، به محل استفاده بستگی دارد. چون در این نوشته توجه خود را بر آن قسمت از شبکهی ارت که در زیر خاک قرار گرفته، معطوف نمودهایم، صرفاً به بررسی مسائل دستهی اول میپردازیم: نخست این که هادی ارت در زیر خاک نیاز به روکش نداشته و لخت بودن آن موجب تماس بیشتر با خاک و کاهش مقاومت کلی شبکهی ارت میشود؛ و دیگر این که در زیر خاک به علت دخالت عوامل خورنده از قبیل رطوبت و املاح خاک، عمر هادی ارت کوتاه شده و زودتر از بین خواهد رفت. مسألهی خوردگی به ویژه در هنگام تشکیل پیلهای گالوانیک بسیار جدی و خطرناک میشود. در این وضعیت، در اندک زمانی هادی ارت نابود خواهد شد. (بررسی دقیق چگونگی تشکیل پیل و عوامل مؤثر در سرعت تخریبهای ناشی از آن نیاز به مبحثی جداگانه داشته و در این مقاله نمیگنجد.)
هادی ارت میتواند به صورت سیم یا تسمه بوده و از جنس مس یا فولاد گالوانیزه ساخته شود. مشخصات ذکر شده در ردیفهای ۱ تا ۵ الکترود میلهای نوع دوم در مورد این هادیها نیز صدق میکند. بدیهیست هادی و الکترود ارت میباید هم جنس باشند تا از تشکیل پیل و گالوانیک و خوردگیهای ناشی از آن جلوگیری شود. شایان ذکر است که متأسفانه در حال حاضر سیمهای مس آلیاژی که در اصل برای استفاده در خطوط هوایی برق ساخته شدهاند، به جای سیم مسی خالص در چاههای ارت به کار بُرده میشوند که این عمل اشتباه، دوام هادی ارت را تحت تأثیر قرار داده و از عمر آن میکاهد.
روشهای اجرا با انواع الکترودها
پیش از این گفته شد که مقاومت ویژهی خاکهای اطراف و نزدیک الکترود نقش مهمی در تعیین مقاومت چاه بازی میکند از طرف دیگر دیدیم که خاکهای دستی و نامتراکم میتواند موجب افزایش شدید مقاومت چاه شود. پس به این نتیجه میرسیم که باید زیر، بالا و دور تا دور الکترود را با مادهای مانند بنتونیت که هر دو خاصیت مقاومت ذاتی کم و فشردگی را داراست، پُر کنیم؛ به نحوی که این ماده تمام فضای موجود میان الکترود با دیواره و کف چاه را پُر کند و در مورد الکترود صفحهای، روی الکترود را نیز بپوشاند. متأسفانه دیده میشود که برخی مجریان به این نکات مهم بیتوجهی نموده و وجود یک لایهی بنتونیت در اطراف الکترود را کافی میدانند و پس از آن که این لایه را با روشهای مختلفی دور الکترود ایجاد نمودند، فاصلهی باقی مانده تا دیوارهی چاه را با خاک معمولی یا خاک کشاورزی یا از این قبیل، پُر میکنند و به این ترتیب با ایجاد یک لایهی واسطهی نه چندان مرغوب بین لایهی بنتونیت و دیوارهی چاه بخش قابل توجهی از نتیجه را از دست میدهند. شایسته است هنگام اجرای چاه، سطح الکترود ارت را از نظر عاری بودن از آلودگیهایی از قبیل لکههای رنگ یا چربی و یا لایههای اکسیدشده، سولفاته شده و غیره بررسی نماییم. این مواد سطح الکترود را عایق کرده و از تماس مؤثر آن با خاک جلوگیری مینمایند و میتوانند تأثیر نامطلوبی بر میزان مقاومت چاه ارت بگذارند. لازم به ذکر است که به ازای هر لیتر از فضایی که باید پُر شود، به حدود یک کیلوگرم بنتونیت نیازمندیم و مقدار آب لازم نیز تقریباً ۳ لیتر در ازای هر کیلوگرم بنتونیت است.
در این جا به شرح جزئیات اجرای صحیح چاه با استفاده از انواع الکترودها پرداخته میشود:
الف) کوبیدن الکترود میلهای نوع اول در سطح خاک
معمولاً خاک سطح زمین در فصول گرم سال، خشک و در زمستان یخ زده است. از این رو، تأثیر مثبتی در کاهش مقاومت چاه ندارد. همچنین، به منظور حفظ خود الکترود و نقطهی اتصال سیم به آن باید انتهای میله در عمق مناسبی پایینتر از سطح خاک قرار گیرد. بنابراین، پیش از کوبیدن الکترود میباید گودالی که عمق آن بستگی به شرایط اقلیمی محل دارد (معمولاً حدود یک متر) ایجاد کرد و سپس الکترود را در کف گودال مزبور کوبید. با این کار، عمق نفوذ الکترود هم بیشتر میشود. در صورت نیاز، در همین گودال میتوان چاهک بازرسی را نیز احداث نمود. همچنین، در زمینهای سخت میتوان پس از کندن گودال، آن را پُر از آب کرد و روز بعد اقدام به کوبیدن الکترود کرد. این کار موجب نفوذ رطوبت به درون خاک و نرمتر شدن آن و در نتیجه کوبیدن راحتتر الکترود میشود.
ب) کوبیدن الکترود میلهای نوع اول در کف چاه
در این روش، چاهی با عمق مناسب حفر نموده و الکترود را در کف آن میکوبیم. به طوری که بخشی از طول الکترود بالاتر از کف چاه بماند. اکنون سیم را با استفاده از جوش کدولد به الکترود متصل نموده و سپس مطابق شکل مقداری آب در چاه ریخته و بنتونیت را به تدریج اضافه میکنیم. دانههای بنتونیت باید درون آب غرق شوند. ریختن آب و افزودن بنتونیت آن قدر ادامه مییابد که الکترود کاملاً با دوغاب بنتونیت پوشیده شود. مابقی چاه با خاک سرندشده پُر میشود. در این روش با عمیقتر کردن چاه میتوان الکترود را تا عمق دلخواه در زمین فرو کرد.
ج) اجرای الکترود میلهای نوع دوم در چاه
همان گونه که گفته شد، این نوع الکترود را نمیتوان کوبید، بلکه آن را در یک چاه کنده شده با دستگاه حفاری قرار میدهند و اطراف آن را با الکترولیتی مناسب مانند بنتونیت پُر میکنند. این چاهها دارای قطر بسیار کمی مثلاً حدود ۱۰ تا ۱۵ سانتیمتر هستند و برای پر کردن آنها باید از بنتونیت ریزدانه استفاده شود. زیرا دانههای درشت به ویژه به علت قطر کم چاه، مشکلاتی ایجاد میکنند. الکترود را در چاه طوری آویزان میکنیم که نوک آن چند سانتیمتر بالاتر از کف قرار گیرد. اکنون مقداری آب در چاه ریخته و بنتونیت ریزدانه را به تدریج میافزاییم. ریختن آب و بنتونیت به طور هم زمان یا به تناوب، آن قدر ادامه مییابد تا ارتفاع آن به حد کافی برسد.
در حقیقت باید از کف تا جایی که خاک آن نمناک است و یا بهتر از آن، تا نزدیکی سطح زمین با بنتونیت پُر شود.
در صورتی که بنتونیت موجود، پودری و نرم باشد، نباید آن را روی سطح آب داخل چاه ریخت و لازم است یک بشکه یا سطل مناسب تهیه کرد و آب و پودر موجود را در آن مخلوط نمود تا به صورت دوغابی یکنواخت در آید. سپس الکترود را مانند قبل آویزان نموده و چاه را تا ارتفاع لازم با دوغاب آماده شده پُر میکنیم.
توجه شود که مقدار آب موجود در دوغاب باید طوری تنظیم شود که دوغاب ساخته شده به اندازهی کافی نرم و روان باشد و زوایا و گوشههای چاه را به خوبی پُر کند؛ ولی شُل بودن زیاده از حدِ آن نیز باعث میشود که حجم دوغاب افزایش یابد، و چون رطوبت بیش از حد چنین دوغابی ماندگار نیست، پس از زمانی کوتاه و با از دست رفتن رطوبت اضافه، شاهد کاهش یافتن حجم الکترولیت و در نتیجه ترک خوردن تودهی بنتونیت و سرانجام افزایش مقاومت چاه خواهیم بود. این موضوع کلیست و باید در تمامی روشهای مختلف اجرای چاه ارت مورد توجه قرار گیرد.
د) اجرای الکترود صفحهای به طور عمودی
برای این کار، نخست ۱۵۰ لیتر آب در کف چاه ریخته و بعد حدود ۵۰ کیلوگرم بنتونیت، به تدریج روی سطح آب میریزیم. این کار طوری انجام میگیرد که در پایان، آب تنها و یا بنتونیت خشک و بی آب روی سطح باقی نماند. سپس حدود ۱۰ دقیقه صبر میکنیم تا بنتونیت خود را بگیرد. در این فرصت میتوانیم صفحهی مسی را به سیم ارت متصل کنیم. اکنون صفحهی مسی را به کمک سیم متصل به آن به درون چاه میفرستیم تا در وسط چاه به طور عمودی روی لایهی بنتونیت بایستد. مهم است که لایهی بنتونیت در فرصت داده شده آن قدر سفت شده باشد که صفحهی مسی در آن فرو نرود. به هر حال، اگر به علت شُل بودن مخلوط ریخته شده و علی رغم صبر کافی، هنوز هم صفحه در لایه اجرا شده فرو میرود، میباید مقدار کمی صبر کرد تا بنتونیت خشک جدید با جذب مقداری از رطوبت، سطح کار را سفت کند. پس از قرار گرفتن صفحه، آب و بنتونیت به طور همزمان یا به تناوب درون چاه ریخته میشوند، به طوری که دانههای بنتونیت درون آب غرق شوند. این کار آن قدر ادامه مییابد تا سطح بنتونیت حداقل به ۵ سانتیمتری بالای صفحه برسد. در این مرحله باید حداقل یک ساعت و بهتر از آن چند ساعت صبر کنیم تا دوغاب بنتونیت کاملاً خود را بگیرد. سپس میتوانیم بقیهی چاه را با خاک سرندشده و نرم پُر کنیم. مهم است که پیش از آغاز ریختن خاک، سطح لایهی بنتونیت آن قدر سفت شده باشد که خاک ریخته شده از بالای چاه درون بنتونیت فرو نرود. برای این کار توصیه میشود پس از آن که آب موجود در چاه کاملاً جذب شد، مقداری بنتونیت خشک در حد یک لایهی نازک (حدود ۲ تا ۳ سانتیمتر) روی لایهی قبلی بریزیم تا پس از گذشت زمان کافی، سطح کار کاملاً قوام یابد. همچنین توصیه میشود همراه خاک پُرکننده، مقداری آب نیز به منظور نشست دادن و متراکم کردن آن اضافه شود.
در صورتی که بنتونیت موجود پودری و نرم باشد، به همان شکلی که قبلاً توضیح داده شد، در بیرون چاه آن را به صورت دوغاب یکنواختی در آورده و تا ارتفاع لازم در چاه میریزیم.
معمولاً برای چاهی به قطر حدود ۸۰ سانتیمتر و صفحهای به ارتفاع ۵۰ سانتیمتر، حدود ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلوگرم بنتونیت و ۳ برابر آن آب لازم است.
ه) اجرای الکترود صفحهای به طور افقی
برای این کار، نخست ۴۵۰ لیتر آب در کف چاه ریخته و سپس حدود ۱۵۰ کیلوگرم بنتونیت، به تدریج روی سطح آب میریزیم. این کار طوری انجام میگیرد که در پایان، آب تنها و یا بنتونیت خشک و بی آب روی سطح باقی نماند. سعی شود سطح تودهی بنتونیت مسطح باشد. در غیر این صورت، باید کسی داخل چاه شده و آن را تسطیح کند. سپس حدود ۱۰ دقیقه صبر میکنیم تا بنتونیت خود را بگیرد. در این فرصت میتوانیم صفحهی مسی را به سیم ارت متصل کنیم. مهم است که لایهی بنتونیت در فرصت داده شده آن قدر سفت شده باشد که صفحهی مسی در آن فرو نرود. اکنون حدود ۱۰ لیتر آب و مقدار کمی بنتونیت (حدود ۲ کیلوگرم) را در ظرفی مخلوط کرده و به صورت دوغابی یکنواخت و روان در میآوریم و درون چاه میریزیم و بعد صفحهی مسی را به کمک سیم ارت به درون چاه فرستاده و به طور افقی روی سطح دوغاب بنتونیت مینشانیم. ریختن دوغاب شُل و روان به این دلیل است که الکترولیت به طور کامل با تمام سطح زیرین صفحه تماس پیدا کند و فضای خالی باقی نماند. اشکالی ندارد که صفحه در این دوغاب سطحی فرو رود. مجدداً ۴۵۰ لیتر آب درون چاه ریخته و به تدریج حدود ۱۵۰ کیلوگرم بنتونیت اضافه میشود (به طور کلی ریختن آب و بنتونیت به طور همزمان، یا به تناوب تفاوت ندارد). در این مرحله میباید حداقل یک ساعت و بهتر از آن چند ساعت صبر کنیم تا بنتونیت کاملاً خود را بگیرد. در صورتی که بنتونیت موجود پودری و نرم باشد، به همان شکلی که قبلاً توضیح داده شد، بیرون چاه آن را به صورت دوغابی یکنواخت در آورده و تا ارتفاع لازم در چاه میریزیم.
در پایان کار بقیهی چاه را به همان نحو و با در نظر گرفتن همان ملاحظاتی که در مورد الکترود عمودی توضیح داده شد، پُر میکنیم. بنتونیت لازم به قطر چاه بستگی دارد و مانند اجرای صفحهی عمودی برای چاهی به قطر ۸۰ سانتیمتر و صفحهای به ارتفاع ۵۰ سانتیمتر، حدود ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلوگرم بنتونیت و ۳ برابر آن آب لازم است.
اتصال هادی به الکترود ارت
محل اتصال سیم یا تسمه به الکترود ارت یکی از آسیبپذیرترین قسمتهای چاه و نخستین قربانی خوردگی است و در عین حال یکی از اجزای مهم چاه ارت است؛ به طوری که بسیاری از چاهها کارآیی خود را فقط به دلیل پوسیده و جدا شدن تدریجی این اتصال از دست دادهاند.
گرچه با استفاده از الکترولیتهای ناخورنده مانند بنتونیت، عمر اتصال افزایش مییابد، برای تضمین عمر طولانی چاه لازم است این اتصال نیز مورد توجه قرار گیرد. روشهای به کار رفته برای اجرای آن عبارتاند از:
ـ جوش انفجاری
ـ کابلشو
ـ انواع کلمپ Clamp (بست)
عمر اتصالاتی که با کلمپ و یا کابلشو اجرا میشوند، نسبتاً کوتاه است. زیرا رطوبت موجود در خاک که دارای املاح زیادیست، به فواصل ذرهبینی موجود بین الکترود و کلمپ یا کابلشو نفوذ کرده و باعث ایجاد خوردگی و نیز ایجاد ترکیبات عایق در سطح تماس بین الکترود و کلمپ میشود. بنابراین، این نوع اتصالات برای استفاده در زیر خاک توصیه نمیشود. ولی در صورت استفاده از جوش انفجاری با چنین مشکلی مواجه نخواهیم شد. در این نوع اتصال، طی یک فرآیند خاص ذرات مس در یک قالب مخصوص به صورت مذاب درآمده و بر روی محل تماس قطعات مورد جوشکاری ریخته میشود. با این کار لایهی سطحی قطعات مذکور ذوب شده و با مس مذاب ریخته شده، تودهای یکپارچه را تشکیل میدهد.
ویژگیهای جوش انفجاری یا Cad Weld
جوش انفجاری یا کدولد نوع خاصی از جوشکاریست که برای ایجاد اتصال الکتریکی بین چند قطعهی مسی یا بین قطعات مس و یک فلز دیگر مانند فولاد گالوانیزه یا فولاد معمولی طراحی شده و به کار میرود.
این نوع جوشکاری دارای ویژگیهای زیر است:
ـ یکپارچه شدن قطعات مورد اتصال (که باعث میشود در محل اتصال فاصلهای برای نفوذ رطوبت باقی نماند).
ـ ضخامت زیاد جوش.
ـ سطح تماس زیاد.
ـ عدم تغییر قابل توجه بر خواص متالوژیک قطعات مورد اتصال.
ـ سرعت و سهولت در انجام عملیات جوشکاری.
ـ بینیازی از برق و ابزارهایی مانند پرس هیدرولیک و دریل.
یکپارچه شدن قطعات مورد اتصال و ضخامت زیاد جوش موجب استحکام مکانیکی قابل توجه، عدم ایجاد مقاومت الکتریکی در محل تماس و نفوذناپذیری نسبت به رطوبت میشود که این خود پایداری بلندمدت در مقابل خوردگی را تضمین میکند. همچنین، در این جوش به دلیل ایجاد سطح تماس زیاد و کیفیت خوب آن، انتقال مطلوب جریانهای اتصال کوتاه به آسانی امکانپذیر میگردد. ضمن این که این جوش اثر منفی قابل توجهی روی خواص متالوژیک قطعات مورد اتصال ندارد. نکتهی دیگر این که اجرای ارت اغلب در مراحل ابتدایی احداث ساختمانها یا عرصههای صنعتی انجام میشود و معمولاً در این مراحل دسترسی به برق مشکل است. بنابراین، از این نظر نیز جوش انفجاری برتری دارد.
به کمک این نوع جوش میتوان اتصالات متنوعی پدید آورد و قطعات مسی مانند سیم، تسمه، میله و صفحهی مسی را به یکدیگر جوش داد. حتی میتوان قطعات مس و فولاد ساده یا گالوانیزه را نیز به یکدیگر متصل کرد. برای مثال، برای اجرای همبندی شبکهی آرماتور و سامانهی ارت میتوان آرماتور را با استفاده از جوش انفجاری به سیم مسی متصل کرد. البته شایان توجه است که انجام هر نوع عملیات بر روی شبکهی آرماتور ساختمان میباید با اطلاع و اجازهی مهندسان ناظر و طراح سازه انجام پذیرد.
در مجموع، ویژگیهای این نوع جوش برای سیستمهای ارتینگ بسیار عالیست. این روش یکی از بهترین راههای اتصال سیم به الکترود ارت است.
اضافه میشود که به این نوع جوش نامهای دیگری از قبیل جوش احتراقی، exothermic و thermit نیز اطلاق میشود.
روش اجرای جوش انفجاری
اجرای این جوش بسیار آسان و سریع بوده و نیاز به برق و یا ابزار خاصی ندارد. ابزارهای مورد نیاز فقط شامل یک قالب سبک و کوچک گرافیتی و فندک مناسبی برای روشن کردن فتیله میشود.
قالبهای کدولد دارای شکلهای مختلف و متنوعی هستند و شکل آنها به نوع قطعاتی که باید جوشکاری شوند، بستگی دارد. همچنین مقدار پودر جوش نیز بستگی به نوع اتصال و ابعاد قطعات مورد جوشکاری دارد. برای انتخاب شکل قالب و مقدار پودر جوش و اندازهی پولک، باید به کاتالوگهای سازندگان مراجعه کرد.
آموختن و کسب مهارتهای لازم برای اجرای این نوع جوشکاری مستلزم قدری تمرین در حضور و تحت نظر فرد خبره، با رعایت نکات ایمنی مربوطه میباشد. با این حال، به منظور آشنایی کلی خواننده با روش انجام کار، در این بخش به شرح مختصر مراحل آن میپردازیم:
پس از انتخاب قالب و پودر جوش مناسب، قطعات مورد جوشکاری را در قالب قرار داده و سپس یک پولک مناسب داخل قالب در ته محفظهی پودر میگذاریم. اکنون به اندازهی کافی پودر جوشکاری در محفظه ریخته و فتیله را روی پودر قرار میدهیم. حال باید فتیله را به کمک فندک روشن کرد. پس از چند لحظه شعلهی فتیله به تودهی پودر جوش میرسد و آن را به طور ناگهانی شعلهور میکند و عمل جوشکاری انجام میگیرد.
تصاویر ۱۱ تا ۱۹ یک قالب کدولد آمادهی جوشکاری و چند اتصال نمونه را نشان میدهند.
