انواع الکترودهای زمین در سیستم‌ های ارتینگ

میله متحرک استاندارد یا میله با روکش مس از یک فولاد به طول ۸ تا ۱۰ فوت با پوشش مسی با ضخامت ۵ تا ۱۰ میل تشکیل شده است. این میله رایج ترین دستگاه زمینی است که امروزه در این زمینه مورد استفاده قرار می‌گیرد. میله متحرک از اولین روزهای مطالعه الکتریسیته استفاده می‌شده و سابقه آن به دوران بنیامین فرانکلین باز می‌گردد.

میله های متحرک نسبتاً ارزان هستند، با این حال سهولت نصب بستگی به نوع خاک و زمینی دارد که میله در آن نصب می‌شود. فولاد مورد استفاده در ساخت میله متحرکِ استاندارد باید نسبتاً نرم باشد. از آنجا که میله در قسمت پایین با سنگ ها مواجه می شود و در قسمت انتهایی نیز برای راندن میله از روی زمین به آن نیرو وارد می شود، می‌تواند حالت قارچی شکل به خود بگیرد. جابجایی این میله‌ها در زمین-های صخره ای می‌تواند بسیار سخت باشد، زیرا نوک میله‌ها قارچی شکل می‌شوند. این میله‌ ها اغلب به سنگ برخورد می‌کنند و به سمت خود برمی‌گردند و قدری دورتر از محل نصب بالا می‌آیند.

از آنجاکه محدوده طولی این میله ­ها بین ۸ تا ۱۰ فوت است، برای رسیدن به بالای این میله نیازمند نردبان می­باشیم. این امر می­تواند به یک مساله ایمنی تبدیل شود. بسیاری از سقوط‌ها ناشی از تلاش پرسنل­ها برای «کوبیدن» این میله‌ها به زمین است، در حالی که از یک نردبان در فاصله چند فوتی در هوا آویزان هستند.

مطابق با نظامنامه ملی برق(NEC) حداقل طول میله متحرک بایستی ۸ فوت بوده و این ۸ فوت لازم است تا در تماس مستقیم با خاک باشد. به طور معمول، از یک بیل برای حفاری ۱۸ اینچی در زمین قبل از نصب میله متحرک استفاده می شود. متداول‌ترین میله‌هایی که توسط پیمانکاران تجاری و صنعتی مورد استفاده قرار می­گیرند، ۱۰ فوت طول دارند. همچنین در بسیاری از معیارهای صنعتی حداقل این طول مورد نیاز است.

یک تصور غلط رایج در مورد میله متحرک این است که پوشش مسی روی میله متحرک استاندارد برای دلایل الکتریکی است زیرا مس ماده رسانای خوبی می باشد. این درحالی است که هدف اصلی استفاده از این پوشش مسی حفاظت از فولاد زیر پوشش مسی در برابر خوردگی است. از آنجا که مس همواره بهترین انتخاب برای حفاظت در برابر خوردگی نیست، منجر به ایجاد مشکلاتی در بحث خوردگی می‌شود. لازم به ذکر است که میله های متحرک گالوانیزه برای رفع مسائل مربوط به خوردگی مس ایجاد شده‌اند و در بسیاری از موارد انتخاب بهتری برای افزایش عمر میله زمین و سیستم های زمین هستند. به طور کلی میله های گالوانیزه در همه محیط ها به جز محیط های پر نمک انتخاب بهتری هستند.
یکی دیگر از ایرادات میله های متحرک با پوشش مسی این است که مس و فولاد دو فلز متفاوت هستند. هنگامی که جریان الکتریکی اعمال می شود، عمل الکترولیز اتفاق می افتد. علاوه بر این، عمل راندن میله به داخل خاک می تواند به روکش مسی آسیب برساند و در نتیجه به عناصر خورنده در خاک اجازه می دهد تا به فولاد بدون پوشش حمله ور شده و نهایتا طول عمر میله را بیشتر کاهش دهد. شرایط محیطی، کهنگی، دما و رطوبت نیز به راحتی بر روی میله‌های متحرک تأثیر می‌گذارد و در شرایط خاک مطلوب، طول عمری بین ۵ تا ۱۵ سال به آن می‌دهد. میله های متحرک همچنین دارای سطح مقطع بسیار کمی هستند که اغلب برای تماس خوب با خاک مناسب نیست. این موضوع مخصوصاً در خاک های سنگی که در آن میله فقط با لبه سنگ های اطراف تماس برقرار می کند، صادق است. یک مثال خوب برای این امر آن است که میله متحرک توسط سنگ های مرمری بزرگ(یا سنگ‌های رگه‌دار) احاطه شده باشد. در این حالت سطح تماس بین میله متحرک و سنگ ها بسیار کوچک خواهد بود. به علت این سطح تماس کوچک با خاک اطراف، میله منجر به افزایش مقاومت زمین و کاهش کندوکتانس(هدایت الکتریکی) شده و توانایی آن برای رسیدگی به خطاهای جریان بالا محدود می‌شود.

صفحات زمین معمولاً صفحات نازک مسی هستند که در تماس مستقیم با زمین، دفن شده‌اند. مطابق با نظامنامه ملی برق، حداقل مساحت صفحات زمین که در معرض خاک قرار می‌گیرد، ۲ فوت مربع است. مواد آهنی(فروس) باید دارای حداقل ضخامت ۲۰/۰ اینچ باشند، در حالی که مواد غیر آهنی (مس) تنها باید ۰۶۰/۰ اینچ ضخامت داشته باشند. صفحات زمینی معمولاً در زیر قطب ها یا پاره سنگ های مکمل قرار می گیرند.

همان‌گونه که در شکل مشاهده می‌شود، صفحات زمین باید حداقل در فاصله ۳۰ اینچی زیر سطح زمین دفن شوند. در حالی که سطح مقصع صفحات زمین نسبت به میله متحرک بسیار افزایش یافته است، اما ناحیه مؤثر، همانطور که در “B” نشان داده شده است، نسبتاً کوچک است. ناحیه مؤثر صفحه زمین می‌تواند به کوچکی ۱۷ اینچ باشد. این ناحیه مؤثر بسیار کوچک باعث می‌شود صفحات اتصال به زمین نسبت به سایر الکترودهای با جرم مشابه، مقاومت بالاتری داشته باشند. شرایط محیطی مشابهی که منجر به خرابی میله متحرک می شود، همچون خوردگی، کهنگی، دما و رطوبت، صفحه زمین را نیز تحت تأثیر قرار می‌دهد.

زمین های Ufer در اصل، الکترودهای مسی بودند که در بتون موجود در اطراف سنگرهای مهمات محصور شده بودند. در اصطلاح امروزی، زمین های Ufer شامل هر الکترود پوشیده شده با بتون مانند میلگردهای موجود در فونداسیون ساختمان می‌باشد که برای زمین کردن یا سیم یا شبکه سیمی در بتون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نظامنامه ملی برق مستلزم آن است که الکترودهای محصور شده در بتن از حداقل سیم مسی شماره ۴ AWG با حداقل طول ۲۰ فوت و در حداقل ۲ اینچ بتن محصور شده استفاده شود. مزیت الکترودهای پوشیده شده با بتون این است که سطح و درجه تماس با خاک اطراف را به طور چشمگیری افزایش می دهند. با وجود این امر، ناحیه مؤثر افزایش نمی یابد و بنابراین مقاومت در برابر زمین کمی از سیم بدون بتون کمتر است.
الکترودهای پوشیده شده با بتون دارای معایبی نیز هستند. برای مثال هنگام وقوع خطای الکتریکی، جریان الکتریکی باید از طریق بتون وارد زمین شود. بتن طبیعتاً مقدار زیادی آب را در خود نگه می‌دارد که با عبور جریان الکتریسیته، دمای آن افزایش می‌یابد. اگر اندازه الکترود به قدر کافی برای کل جریان جاری شده بزرگ نباشد، ممکن است آب به نقطه جوش رسیده و منجر به تبدیل انفجاری آب به بخار شود. به همین دلیل، الکترودهای پوشیده شده با بتون زیادی پس از دریافت خطاهای الکتریکی نسبتاً کوچک از بین رفته‌اند.
هنگامی که بتن از هم جدا شده و از هادی دور شود، قطعات بتن به مانند محافظی عمل می کنند که از تماس سیم مسی با خاک اطراف جلوگیری می کند و در نتیجه مقاومت الکترود نسبت به زمین را افزایش می دهد.

محصولات زیادی در بازار موجود است که به کمک آن می‌توان الکترود پوشیده شده با آهن را بهبود داد. متداول ترین آن بتن اصلاح شده است که از ترکیب مواد رسانا مانند کربن در مخلوط سیمان ایجاد شده است. مزیت این محصولات آن است که در کاهش مقاومت بتون تأثیر بسزایی دارد. این امر منجر به کاهش مقاومت زمین الکترود پوشیده شده با بتون می‌شود. مهم‌ترین پیشرفت این محصولات جدید در کاهش تجمع گرما در بتن در شرایط فالت است که می‌تواند احتمال تخریب الکترود پوشیده شده با بتون را توسط بخار کاهش دهد. علیرغم مزایای گفته شده، همچنان شاهد معایبی نیز هستیم. این محصولات، مشابه با قبل، ناحیه مؤثر را افزایش نمی‌دهند. همچنین مقاومت زمین در حالت الکترود پوشیده شده با بتون به مقدار کمی نسبت به سیم مسی بدون پوشش و میله متحرک بهبود پیدا کرده است. همچنین یکی از نگرانی‌های اولیه در مورد بتن های تقویت شده زمین، استفاده از کربن در مخلوط آن است. کربن و مس از ساختار کاملا متفاوتی برخوردارند و در طول زمان به شدت منجر به خوردگی در همدیگر می‌شوند. بسیاری از این محصولات ادعا می‌کنند که دارای مواد بافری هستند که به منظور کاهش سرعت خوردگی مس ناشی از افزودن کربن به مخلوط طراحی شده‌اند. با این حال، مطالعاتی برای آزمایش این ادعاها انجام شده است.

درصورتیکه بتن در تماس مستقیم با زمین بوده (بدون مانع رطوبت پلاستیک)، میلگرد دارای حداقل قطر ۵۰۰/۰ اینچ قطر باشد و اتصال فلزی مستقیم از زمین سرویس به میلگرد دفن شده در بتون وجود داشته باشد، می توان از زمین های Ufer یا فونداسیون ساختمان استفاده کرد.
این مفهوم مبتنی بر رسانایی بتن و سطع مقطع بزرگ است که معمولاً سیستم زمینی را ایجاد می‌کند که توانایی تحمل بارهای با جریان بسیار بالایی را دارد. اشکال اولیه در شرایط فالت رخ می دهد؛ اگر جریان خطا در مقایسه با مساحت سیستم میلگرد بسیار زیاد باشد، زمانی که رطوبت در بتن به شدت گرم و به سرعت منبسط شود، منجر به ایجاد ترک در بتون اطراف می‌شود و یکپارچگی فونداسیون ساختمان را تهدید می¬کند. یکی دیگر از اشکالات زمین Ufer آن است که در شرایط عادی قابل آزمایش نیستند زیرا جداسازی لایه بتونی به منظور انجام صحیح آزمایش مقاومت در برابر زمین تقریباً غیرممکن است.
اسکلت فلزی ساختمان نیز می‌تواند به عنوان نقطه زمین مورد استفاده قرار گیرد، مشروط بر اینکه فونداسیون ساختمان شرایط فوق را داشته باشد. از این موضوع معمولاً در ساختمان های بلند استفاده می شود. لازم به ذکر است که بسیاری از مالکان ساختمان‌های بلند این عمل را ممنوع کرده و اصرار دارند که مستاجرین سیم‌های زمینی را تا مکان‌های خدمات ثانویه در هر طبقه اجرا کنند. مالکان قبلاً سیم‌های زمین را از سرویس‌های ثانویه به مکان‌های خدمات اولیه راه‌اندازی کرده و سیستم‌های زمین اختصاصی را در مکان‌های سرویس نصب کرده‌اند. هدف از این کار جلوگیری از جاری شدن جریان های هرز است که می تواند در عملکرد تجهیزات الکترونیکی حساس اختلال ایجاد کند.

لوله های آب در طول زمان به طور گسترده‌ای به عنوان الکترود زمین مورد استفاده قرار گرفته‌اند. اتصالات لوله های آب به دلیل استفاده از پوشش های قیر و اتصالات پلاستیکی قابل آزمایش نبوده و غیر قابل اعتماد هستند. ادارات آب شهری به منظور جلوگیری از جاری شدن جریان و کاهش اثرات خورنده الکترولیز، شروع به نصب عایق های پلاستیکی در خطوط لوله کرده‌اند. مطابق با نظامنامه ملی برق حداقل یک الکترود اضافی در هنگام استفاده از لوله های آب به عنوان الکترود، نصب شود. همچنین چندین الزامات اضافی دیگری نیز وجود دارد از جمله:

* هنگامی که آب موجود در بتن به سرعت به بخار تبدیل می شود، تخلیه با جریان بالا می تواند به پی آسیب برساند.

** هنگامی که بخشی از سیستم آب گسترده، لخت، فلزی و پیوسته الکتریکی است.