مقاله تخصصی اجرای سیستم ارت حلقه‌ای

(Ring Earthing System)

نویسنده: واحد فنی و مهندسی شرکت صنعت سازان مفرغ زمین

۱. مقدمه؛ چرا اجرای اصولی سیستم ارت اهمیت دارد؟

سیستم اتصال زمین (Earthing System) یکی از زیرساخت‌های اساسی ایمنی الکتریکی در ساختمان‌ها، کارخانه‌ها، پالایشگاه‌ها، پتروشیمی‌ها، نیروگاه‌ها و پست‌های برق است. طراحی و اجرای صحیح این سیستم، نقش مهمی در ایجاد مسیر مناسب برای عبور جریان‌های خطا، عملکرد صحیح تجهیزات حفاظتی، هم‌بندی اجزای فلزی و کاهش خطر برق‌گرفتگی ایفا می‌کند.

در میان روش‌های مختلف اجرای سیستم اتصال زمین، روش حلقه‌ای یا رینگ ارت (Ring Earthing) یکی از راهکارهای مهم برای ایجاد الکترود زمین گسترده و هم‌بندی پیرامونی سازه است. در این روش، یک هادی مدفون در خاک به شکل حلقه‌ای بسته در اطراف ساختمان یا محدوده موردنظر اجرا می‌شود و بر اساس طراحی، با الکترودهای عمودی، شبکه ارت، سیستم حفاظت در برابر صاعقه و شینه اصلی اتصال زمین ارتباط پیدا می‌کند.

این روش، به‌ویژه در پروژه‌هایی که به هم‌بندی گسترده، توزیع جریان خطا و صاعقه و کنترل اختلاف پتانسیل سطح زمین نیاز دارند، اهمیت ویژه‌ای دارد. البته عملکرد نهایی آن به مقاومت ویژه خاک، ابعاد حلقه، جنس و سطح مقطع هادی، کیفیت اتصالات و شرایط بهره‌برداری وابسته است.

۲. سیستم ارت حلقه‌ای چیست؟

سیستم ارت حلقه‌ای از یک هادی رسانای مدفون تشکیل می‌شود که معمولاً به شکل یک مسیر بسته در اطراف سازه یا محدوده تأسیسات نصب می‌شود. این هادی با برقراری تماس الکتریکی مناسب با خاک، بخشی از الکترود زمین را تشکیل می‌دهد.

در صورت نیاز، الکترودهای عمودی، هادی‌های رابط، شینه‌های اتصال زمین و سایر اجزای سیستم نیز به آن متصل می‌شوند تا عملکرد الکتریکی مجموعه بهبود یابد.

اجزای اصلی سیستم ارت حلقه‌ای

• هادی حلقه‌ای: هادی مسی، فولادی مس‌اندود یا نوع دیگری از هادی تأییدشده متناسب با شرایط طراحی و خوردگی.

• الکترودهای عمودی: میله‌های ارت که در صورت نیاز برای افزایش سطح تماس با خاک و بهبود عملکرد الکترود نصب می‌شوند.

• اتصالات الکتریکی: جوش احتراقی، اتصالات فشاری یا بست‌های مهندسی‌شده و سازگار با جنس هادی.

• هادی‌های اتصال به شینه اصلی ارت: برای اتصال سیستم الکترود به ترمینال اصلی زمین تأسیسات.

• نقاط آزمون و بازرسی: برای بررسی پیوستگی الکتریکی، امکان جداسازی کنترل‌شده و انجام آزمون‌های دوره‌ای.

• سیستم هم‌بندی حفاظتی: برای اتصال اجزای فلزی مرتبط به شبکه هم‌پتانسیل‌سازی مطابق طرح مصوب.

انتخاب جنس، سطح مقطع، عمق نصب و نحوه اتصال اجزا باید بر اساس طراحی مهندسی، شرایط محیطی، جریان خطای مورد انتظار و الزامات استاندارد انجام شود؛ استفاده از یک اندازه ثابت برای تمام پروژه‌ها از نظر فنی صحیح نیست.

۳. مزایای اجرای ارت به روش حلقه‌ای

۳.۱. گسترش سطح تماس الکترود با خاک

در سیستم حلقه‌ای، هادی مدفون در پیرامون سازه امتداد می‌یابد و امکان استفاده از سطح گسترده‌تری از خاک را فراهم می‌کند. این ویژگی می‌تواند در مقایسه با یک الکترود منفرد، به بهبود عملکرد سیستم اتصال زمین کمک کند؛ بااین‌حال، میزان بهبود به مقاومت ویژه خاک، هندسه حلقه و شرایط نصب وابسته است.

۳.۲. بهبود هم‌بندی الکتریکی سازه

اتصال اصولی اجزای فلزی و شینه‌های ارت به شبکه زمین می‌تواند اختلاف پتانسیل میان بخش‌های رسانای مرتبط را کاهش دهد. این موضوع برای سازه‌های فلزی، اتاق‌های برق، تابلوهای توزیع، تجهیزات صنعتی و ساختمان‌های دارای سامانه حفاظت در برابر صاعقه اهمیت دارد.

۳.۳. کمک به توزیع جریان خطا و صاعقه

یک شبکه زمین حلقه‌ای که به‌درستی طراحی و اجرا شده باشد، می‌تواند چندین مسیر موازی برای توزیع جریان ایجاد کند. در کاربردهای حفاظت در برابر صاعقه، طراحی مسیرهای هادی و اتصالات باید با الزامات اختصاصی سامانه صاعقه‌گیر هماهنگ باشد.

۳.۴. قابلیت توسعه و نگهداری

در صورت پیش‌بینی نقاط اتصال و آزمون مناسب، می‌توان بازرسی، بررسی پیوستگی و توسعه سیستم زمین را ساده‌تر کرد. البته اتصالات مدفون نیز باید از نظر دوام، خوردگی و قابلیت اطمینان بررسی شوند.

۳.۵. کاربرد در پروژه‌های متنوع

این روش می‌تواند در ساختمان‌های صنعتی و تجاری، اتاق‌های برق، مراکز مخابراتی، تأسیسات نفت و گاز، برخی پست‌های برق و سازه‌های مجهز به سیستم حفاظت در برابر صاعقه استفاده شود؛ مشروط بر آنکه طرح با نیازهای حفاظتی و شرایط محل سازگار باشد.

۴. مراحل مهندسی طراحی و اجرای چاه ارت حلقه‌ای

مرحله اول: بررسی محل و مطالعات اولیه خاک

پیش از آغاز عملیات اجرایی، محل پروژه باید از نظر شرایط زمین‌شناسی، نوع خاک، رطوبت، لایه‌بندی، تأسیسات مدفون و محدودیت‌های اجرایی بررسی شود.

یکی از مهم‌ترین پارامترهای طراحی، مقاومت ویژه الکتریکی خاک (Soil Resistivity) است. این پارامتر با مقاومت الکتریکی یک الکترود مشخص یکسان نیست و باید با روش اندازه‌گیری مناسب تعیین شود.

روش چهارالکترودی ونر (Wenner Four-Point Method) یکی از روش‌های شناخته‌شده برای اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک است. نتایج اندازه‌گیری در فواصل مختلف می‌تواند اطلاعات مفیدی درباره تغییرات مقاومت ویژه در عمق‌های مؤثر خاک فراهم کند.

اندازه‌گیری میدانی باید با در نظر گرفتن تداخل تأسیسات فلزی مدفون، شرایط سطح زمین، رطوبت و محدودیت‌های دستگاه انجام شود.

مرحله دوم: طراحی هندسی حلقه ارت

پس از بررسی شرایط خاک و نیازهای حفاظتی، مسیر حلقه روی نقشه مشخص می‌شود. در این مرحله باید موارد زیر تعیین شوند:

• ابعاد و محیط حلقه بر اساس هندسه سازه و محدوده تحت پوشش.

• فاصله حلقه از فونداسیون و سایر اجزای سازه طبق طرح مصوب.

• عمق دفن و نحوه حفاظت مکانیکی هادی.

• تعداد و محل الکترودهای عمودی احتمالی.

• محل انشعاب‌ها، نقاط اتصال به شینه اصلی ارت و نقاط آزمون.

• هماهنگی با فونداسیون، لوله‌های مدفون، مسیر کابل‌ها و سایر شبکه‌های تأسیساتی.

برای سامانه‌های حفاظت در برابر صاعقه، محل حلقه و ارتباط آن با هادی‌های نزولی باید مطابق طراحی سامانه صاعقه‌گیر و الزامات استاندارد مربوطه انتخاب شود.

نکته مهندسی: حلقه ارت پیرامونی با شبکه مشبک ارت پست برق یکسان نیست. در پست‌ها و تأسیسات با جریان اتصال کوتاه بالا، طراحی باید علاوه بر مقاومت زمین، ولتاژ تماس، ولتاژ گام و افزایش پتانسیل زمین را نیز ارزیابی کند.

مرحله سوم: انتخاب هادی و تجهیزات اتصال

انتخاب هادی باید بر اساس الزامات الکتریکی، حرارتی، مکانیکی و خوردگی انجام شود.

عوامل مهم عبارت‌اند از:

1. مقدار و مدت جریان خطای مورد انتظار.

2. جریان و انرژی مرتبط با تخلیه صاعقه در کاربردهای مربوطه.

3. مقاومت در برابر خوردگی در خاک محل.

4. سازگاری الکتروشیمیایی میان فلزات مختلف.

5. استحکام مکانیکی و قابلیت اطمینان اتصالات.

6. الزامات استاندارد، مشخصات فنی پروژه و دستورالعمل سازنده.

در اتصالات مدفون، استفاده از اتصال مناسب اهمیت زیادی دارد؛ زیرا اتصال ضعیف یا ناسازگار ممکن است در طول زمان دچار افزایش مقاومت، خوردگی یا گسیختگی شود.

جوش احتراقی (Exothermic Welding) یکی از روش‌های متداول برای ایجاد اتصال دائمی در شبکه‌های زمین است. اتصالات فشاری و بست‌های مکانیکی تأییدشده نیز در شرایط مناسب قابل استفاده‌اند. اتصال صرفاً متکی بر لحیم‌کاری نرم نباید جایگزین اتصال مکانیکی یا الکتریکی موردنیاز سیستم شود.

مرحله چهارم: عملیات خاک‌برداری و آماده‌سازی مسیر

پس از تأیید نقشه اجرایی و شناسایی تأسیسات مدفون، مسیر حلقه مطابق نقشه علامت‌گذاری می‌شود. عملیات حفاری باید با رعایت الزامات ایمنی، پایداری جداره ترانشه و جلوگیری از آسیب به کابل‌ها و لوله‌های موجود انجام گیرد.

کف ترانشه باید به‌گونه‌ای آماده شود که هادی در معرض لبه‌های تیز، اجسام آسیب‌رسان یا شرایطی که موجب صدمه به عایق یا پوشش محافظ آن می‌شوند قرار نگیرد. در صورت نیاز، تمهیدات مناسب برای حفاظت مکانیکی و کنترل شرایط بستر در نظر گرفته می‌شود.

عمق و عرض ترانشه، فاصله از فونداسیون و سایر ابعاد اجرایی باید از نقشه مصوب و مشخصات فنی پروژه استخراج شوند؛ زیرا این مقادیر در تمام پروژه‌ها یکسان نیستند.

مرحله پنجم: نصب هادی حلقه و الکترودهای کمکی

هادی در مسیر طراحی‌شده نصب و با رعایت شعاع خمش مجاز، پیوستگی مسیر و الزامات نصب، به شکل حلقه بسته اجرا می‌شود.

در صورت نیاز به الکترودهای عمودی، محل نصب، طول و تعداد آن‌ها باید بر اساس طرح محاسباتی و نتایج اندازه‌گیری خاک تعیین شود. افزایش تعداد میله‌ها به‌تنهایی تضمین‌کننده کاهش متناسب مقاومت زمین نیست؛ زیرا اثر متقابل الکترودها و فاصله آن‌ها از یکدیگر نیز اهمیت دارد.

اتصالات باید از نظر کیفیت اجرا، استحکام مکانیکی، سطح تماس و سازگاری مواد بررسی شوند. پیش از پوشاندن ترانشه، مسیر حلقه، محل اتصالات، ابعاد اجراشده و انشعاب‌ها باید بازرسی و مستندسازی شوند.

مرحله ششم: اتصال به شینه اصلی ارت و هم‌بندی

هادی حلقه باید مطابق نقشه به ترمینال اصلی اتصال زمین یا شبکه ارت تأسیسات متصل شود. در این مرحله، پیوستگی هادی حفاظتی و اتصال اجزای فلزی موردنیاز باید بررسی شود.

در پروژه‌های صنعتی، هماهنگی سیستم ارت با موارد زیر اهمیت دارد:

• تابلوهای برق فشار ضعیف و فشار متوسط.

• بدنه تجهیزات و سازه‌های فلزی.

• سینی کابل‌ها و مسیرهای کابل‌کشی، مطابق الزامات طرح.

• سیستم حفاظت در برابر صاعقه.

• تجهیزات ابزار دقیق و مخابرات، با توجه به نیازهای عملکردی و الزامات سازنده.

• سیستم‌های حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ و سرج، در صورت وجود.

اتصال تمام سامانه‌ها به یکدیگر بدون بررسی طرح مجاز نیست. به‌ویژه در مدارهای ابزار دقیق، سامانه‌های حساس و محیط‌های دارای خطر انفجار، نحوه هم‌بندی، شیلدینگ و زمین‌کردن باید با معماری سیستم، الزامات EMC و استانداردهای مرتبط هماهنگ شود.

مرحله هفتم: کنترل کیفیت، ثبت اطلاعات و خاک‌ریزی

پس از تکمیل اتصالات، بازرسی چشمی و کنترل‌های لازم انجام می‌شوند. در صورت پیش‌بینی در برنامه بازرسی و آزمون پروژه (ITP)، نقاط توقف بازرسی باید پیش از پوشاندن هادی‌ها تأیید شوند.

پس از تأیید ناظر یا واحد کنترل کیفیت، خاک‌ریزی باید با مصالح مناسب و به روشی انجام شود که به هادی و اتصالات آسیب وارد نکند.

ثبت مختصات تقریبی حلقه، مسیر اجراشده، محل اتصالات، مشخصات هادی، نتایج آزمون‌ها و عکس‌های پیش از خاک‌ریزی، برای تحویل نهایی و تعمیرات آینده ضروری است.

۵. آزمون و اندازه‌گیری سیستم ارت حلقه‌ای

اجرای ظاهراً صحیح سیستم ارت به‌تنهایی نشان‌دهنده عملکرد ایمن آن نیست. پس از تکمیل عملیات نصب، لازم است آزمون‌های الکتریکی متناسب با نوع سیستم و الزامات پروژه انجام شوند.

۵.۱. اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک

این آزمون معمولاً در مرحله مطالعات اولیه انجام می‌شود و اطلاعات موردنیاز برای طراحی الکترود زمین را فراهم می‌کند. نتیجه آزمون به‌صورت مقاومت ویژه خاک، معمولاً بر حسب اهم‌متر، گزارش می‌شود.

۵.۲. اندازه‌گیری مقاومت سیستم اتصال زمین

برای اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین، بسته به شرایط نصب و آرایش سیستم می‌توان از روش‌هایی مانند افت پتانسیل (Fall-of-Potential) استفاده کرد. روش انتخابی باید با ساختار سیستم زمین و محدودیت‌های محل سازگار باشد.

در سیستم‌های حلقه‌ای متصل به شبکه‌های گسترده، وجود مسیرهای موازی مانند لوله‌های فلزی، شبکه‌های زمین مجاور و هادی‌های متصل ممکن است بر نتیجه آزمون اثر بگذارد. بنابراین، عدد نمایش‌داده‌شده توسط دستگاه باید با توجه به روش اندازه‌گیری و شرایط اتصال سیستم تفسیر شود.

۵.۳. آزمون پیوستگی الکتریکی

پیوستگی هادی حلقه، اتصالات، هادی‌های حفاظتی و هم‌بندی‌های پیش‌بینی‌شده باید بررسی شود. این آزمون با هدف شناسایی قطع‌شدگی، اتصال نامناسب و افزایش غیرعادی مقاومت مسیر انجام می‌شود.

۵.۴. بررسی ولتاژ تماس و ولتاژ گام

در پست‌های برق و تأسیسات دارای جریان خطای قابل‌توجه، صرفاً اندازه‌گیری مقاومت زمین برای اثبات ایمنی کافی نیست. توزیع پتانسیل سطح زمین، زمان قطع خطا، جریان عبوری از بدن و شرایط تماس باید در ارزیابی مهندسی لحاظ شوند.

راهنمای IEEE 81 روش‌های اندازه‌گیری مقاومت ویژه خاک، امپدانس زمین، پتانسیل سطحی و بررسی پیوستگی شبکه زمین را پوشش می‌دهد. برای طراحی ایمنی سیستم زمین پست‌های برق نیز راهنمای IEEE 80 از مراجع شناخته‌شده این حوزه است.

۶. مقاومت مجاز چاه ارت حلقه‌ای چقدر است؟

یکی از پرسش‌های متداول کارفرمایان این است که مقاومت سیستم ارت حلقه‌ای باید چند اهم باشد.

پاسخ مهندسی این است که مقدار مجاز مقاومت زمین باید بر اساس کاربرد سیستم، استاندارد حاکم، مشخصات فنی پروژه، آرایش شبکه و الزامات حفاظتی تعیین شود.

برای مثال، معیار پذیرش سیستم زمین یک ساختمان معمولی ممکن است با معیار طراحی شبکه زمین یک پست برق فشار قوی یا تأسیسات حساس صنعتی متفاوت باشد.

در طراحی حرفه‌ای، عوامل زیر بررسی می‌شوند:

• مقاومت ویژه خاک و تغییرات آن با عمق و فصل.

• سطح و هندسه الکترود زمین.

• جریان اتصال کوتاه و مدت تداوم آن.

• نوع سیستم توزیع برق و نحوه عملکرد حفاظت‌ها.

• ولتاژ تماس و ولتاژ گام در شرایط خطا.

• الزامات اختصاصی حفاظت در برابر صاعقه و تجهیزات حساس.

رسیدن به یک مقدار مقاومت پایین‌تر، به‌تنهایی تضمین‌کننده ایمنی کامل نیست. همچنین، افزودن مواد کاهنده مقاومت خاک بدون بررسی دوام، سازگاری شیمیایی و اثرات بلندمدت آن‌ها، جایگزین طراحی صحیح نمی‌شود.

۷. تفاوت سیستم ارت حلقه‌ای با چاه ارت سنتی

این مقایسه عمومی است؛ هیچ‌یک از دو روش در همه شرایط برتر نیست. انتخاب مناسب باید بر اساس محاسبات، نتایج آزمون خاک، الزامات ایمنی و هزینه چرخه عمر انجام شود.

۸. اشتباهات رایج در اجرای ارت حلقه‌ای

برخی از خطاهای اجرایی می‌توانند عملکرد سیستم را به‌شدت کاهش دهند:

1. اجرای حلقه بدون بررسی مقاومت ویژه خاک و شرایط محل.

2. انتخاب سطح مقطع هادی بدون محاسبات حرارتی و مکانیکی.

3. استفاده از اتصالات نامناسب یا ناسازگار با جنس هادی.

4. پوشاندن ترانشه پیش از بازرسی و ثبت وضعیت اتصالات.

5. اتصال غیراصولی سامانه صاعقه‌گیر، تجهیزات برق و مدارهای ابزار دقیق.

6. اتکا به یک عدد مقاومت زمین، بدون بررسی شرایط اندازه‌گیری و الزامات حفاظتی.

7. بی‌توجهی به خوردگی خاک و سازگاری الکتروشیمیایی فلزات.

8. نداشتن نقشه چون‌ساخت (As-Built)، گزارش آزمون و سوابق بازرسی.

9. فرض اینکه هر سیستم ارت باید الزاماً به یک مقدار ثابت و عمومی مانند یک یا دو اهم برسد.

رفع این موارد مستلزم نظارت مهندسی، کنترل کیفیت مرحله‌ای و اجرای آزمون‌های متناسب با کاربرد سیستم است.

۹. استانداردهای مرجع طراحی و اجرا

برای طراحی، اجرا و ارزیابی سیستم‌های اتصال زمین و حفاظت در برابر صاعقه، بررسی نسخه معتبر استانداردهای مرتبط با نوع پروژه ضروری است.

الزامات قراردادی، مقررات ملی برق، استانداردهای مورد پذیرش کارفرما و نسخه‌های معتبر اسناد فوق باید در زمان طراحی بررسی شوند. استاندارد IEEE 80 برای همه پروژه‌های ارت ساختمانی الزاماً مرجع اصلی نیست و کاربرد آن باید متناسب با پروژه تعیین شود.

۱۰. خدمات تخصصی اجرای سیستم ارت حلقه‌ای

شرکت صنعت سازان مفرغ زمین با تمرکز بر فعالیت‌های تخصصی برق و ابزاردقیق، آمادگی دارد خدمات مرتبط با سیستم‌های اتصال زمین را متناسب با مشخصات فنی پروژه و الزامات کارفرما ارائه کند.

دامنه خدمات قابل ارائه، بر اساس قرارداد و طراحی مصوب، می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• بررسی فنی محل و همکاری در مطالعات مقاومت ویژه خاک.

• اجرای هادی حلقه‌ای و نصب الکترودهای زمین.

• اجرای اتصالات، انشعاب‌ها و اتصال به شینه اصلی ارت.

• اجرای هم‌بندی تجهیزات و سازه‌های فلزی.

• اجرای سیستم ارت مرتبط با پست‌های برق و تأسیسات صنعتی.

• هماهنگی فنی شبکه ارت با سامانه حفاظت در برابر صاعقه.

• انجام آزمون‌های پیوستگی و اندازه‌گیری‌های موردنیاز.

• تهیه مستندات کنترل کیفیت، گزارش آزمون و نقشه چون‌ساخت، مطابق محدوده قرارداد.

هدف از اجرای اصولی سیستم اتصال زمین، صرفاً دستیابی به یک عدد مقاومت نیست؛ بلکه ایجاد زیرساختی پایدار و قابل ارزیابی برای ایمنی اشخاص، حفاظت تجهیزات و عملکرد مطمئن تأسیسات الکتریکی است.

جمع‌بندی

سیستم ارت حلقه‌ای، در صورت انتخاب صحیح و اجرای اصولی، می‌تواند بخش مهمی از راهکار مهندسی اتصال زمین در ساختمان‌ها و تأسیسات صنعتی باشد. موفقیت این سیستم به طراحی مبتنی بر شرایط واقعی خاک، انتخاب مناسب هادی و اتصالات، رعایت اصول هم‌بندی، کنترل کیفیت پیش از خاک‌ریزی و انجام آزمون‌های معتبر وابسته است.

در پروژه‌های حساس، ارزیابی ولتاژ تماس و گام، شرایط جریان خطا و هماهنگی با سامانه حفاظت در برابر صاعقه باید در کنار اندازه‌گیری مقاومت زمین انجام شود.

شرکت صنعت سازان مفرغ زمین با رویکرد مهندسی و اجرایی در حوزه برق و ابزاردقیق، آماده بررسی نیازهای فنی پروژه‌های ساختمانی، صنعتی و زیرساختی در زمینه اجرای سیستم‌های اتصال زمین است.