پاسخ کوتاه: بله. رطوبت یکی از مهم‌ترین عوامل مقاومت ویژهٔ خاک و در نتیجه مقاومت سیستم ارت است. یک خاک مشخص در حالت مرطوب بسیار رساناتر از حالت خشک است؛ در داده‌های استاندارد IEEE Std 142، مقاومت ویژهٔ خاک لوم شنی با رسیدن رطوبت از ۱۰ به ۲۰ درصد حدود ۲٫۴ برابر و مقاومت رس قرمز از ۱۲ به ۲۰ درصد حدود ۱۸ برابر کم میشود. اما رطوبت به‌تنهایی کافی نیست: آب وقتی رسانا است که نمکهای محلول داشته باشد و خاک بتواند آن را نگه دارد.
مقاومت یک الکترود ارت (میله یا چاه ارت) بیش از هر چیز به مقاومت ویژهٔ خاک محل نصب بستگی دارد (مقاومت ویژهٔ خاک چیست و چگونه اندازهگیری میشود). مقاومت ویژه هم به جنس خاک، نمکهای محلول، رطوبت و دمای آن بستگی دارد. ما در گروه کالوت در این مقاله با یک نمودار نشان داده‌ایم رطوبت چقدر اثر دارد و چطور میشود مقاومت ارت را در فصل خشک هم پایدار نگه داشت.
نمودار اثر رطوبت بر مقاومت ویژهٔ خاک
این نمودار از جدول ۴-۳ استاندارد IEEE Std 142 (کتاب سبز IEEE برای اتصال زمین سیستم‌های صنعتی و تجاری) رسم شده و سه نوع خاک را از خشک تا مرطوب نشان می‌دهد. محور عمودی لگاریتمی است؛ یعنی هر خط افقی چند برابر خط پایینی است. چند نکته از آن پیداست:
- زیر حدود ۱۰ درصد رطوبت، مقاومت تند بالا میرود. لوم شنی در ۲ درصد رطوبت حدود ۱۸۵۰ اهم‌متر است و در ۱۰ درصد به حدود ۲۲۰ اهم‌متر می‌رسد. رس قرمز زیر ۱۲ درصد در جدول اصلاً عددی ندارد، چون در ۱۲ درصد هم حدود ۱۸۰۰ اهم‌متر است.
- بین ۱۰ تا ۲۰ درصد، هنوز اثر رطوبت زیاد است. خاک سطحی از ۶۰۰ به ۱۲۰ اهم‌متر و لوم شنی از ۲۲۰ به ۹۰ اهم‌متر می‌رسد.
- بالای حدود ۲۰ درصد، منحنی‌ها تقریباً صاف میشوند. آب بیشتر، مقاومت را کمی بیشتر کم میکند، اما دیگر جهش بزرگی در کار نیست.
به همین دلیل استاندارد BS 7430:2026 (بند ۸٫۲٫۱) توصیه میکند جای سیستم ارت جایی انتخاب شود که رطوبت خاک در حالت ایدئال همیشه بین ۱۵ تا ۲۰ درصد باشد. عددهای این نمودار برای همان سه خاک آزمایش‌شده است؛ مقاومت ویژهٔ خاک هر محل را باید اندازه گرفت.
چرا خاک مرطوب رساناتر است؟
دانه‌های خاک (شن، سیلت و رس) خودشان تقریباً نارسانا هستند. طبق IEEE Std 142 (بند ۴٫۱٫۴)، مقاومت ویژهٔ خاک در واقع مقاومت «الکترولیت» درون آن است؛ یعنی جریان از آبِ منافذ خاک و نمکهای محلول در آن عبور میکند. BS 7430 (بند ۸٫۳) هم می‌گوید مقاومت ویژهٔ خاک اساساً الکترولیتی است و به رطوبت، توان خاک در نگه داشتن رطوبت و نوع و غلظت نمکهای محلول در آب بستگی دارد.
در خاک خشک، بین دانه‌ها هوا است و راهی برای جریان نمی‌ماند. وقتی خاک مرطوب میشود، لایهٔ نازکی از آب دور دانه‌ها را می‌گیرد، نمکهای خاک در آن حل میشوند و مسیر رسانای پیوسته‌ای ساخته میشود.
چرا رطوبت به‌تنهایی کافی نیست؟
جملهٔ مهمی در IEEE Std 142 هست: وجود آب در سطح زمین لزوماً به معنای مقاومت ویژهٔ کم نیست. چند دلیل دارد:
- آب بدون املاح رسانای خوبی نیست. رسانایی از یون‌های نمکهای محلول میآید؛ آبی که نمک کمی دارد، حتی اگر خاک را کاملاً خیس کند، رسانایی کمی می‌سازد.
- آب روان نمکهای خاک را میشوید. BS 7430 (بند ۸٫۲٫۱) می‌گوید از جاهایی که آب روی آن جریان دارد، مثل بستر جوی و رودخانه، پرهیز شود، چون نمکهای مفید خاک ممکن است کاملاً شسته شوند.
- شن و ماسه آب را نگه نمی‌دارند. طبق BS 7430 (بند ۸٫۱۴٫۳٫۳)، شن و ماسه رسانای ضعیفی‌اند و نباید پرکنندهٔ اصلی دور الکترود باشند؛ به‌ویژه وقتی خشک میشوند، مقاومت ارت را بالا می‌برند. همین استاندارد می‌گوید جای غرقاب لازم نیست، مگر اینکه خاک شنی یا سنگریزه‌ای باشد.
- اقلیم هم اثر دارد. در جدول ۲ همین استاندارد، مقاومت ویژهٔ خاک رس در مناطق پرباران بین ۵ تا ۲۰ اهم‌متر و در مناطق کم‌باران و بیابانی بین ۱۰ تا ۱۰۰ اهم‌متر آمده است.
تماس خوب الکترود با خاک هم مهم است. BS 7430 می‌گوید خاک دور الکترود باید کوبیده و متراکم شود، چون رسانایی خاک با تراکم آن بیشتر میشود.
عمق، فصل و دما
رطوبت لایههای بالایی خاک با فصل عوض میشود: در تابستان خشک میشوند و در زمستان ممکن است یخ بزنند. طبق IEEE Std 142 (جدول ۴-۴)، مقاومت ویژهٔ یک خاک نمونه در دمای صفر درجه از حدود ۱۰۰ اهم‌متر (آب) به ۳۰۰ اهم‌متر (یخ) و در ۵ درجه زیر صفر به ۷۰۰ اهم‌متر می‌رسد. برای همین:
- BS 7430 (بند ۸٫۳) می‌گوید بخشی از الکترود که کمتر از ۰٫۵ متر زیر زمین است مؤثر حساب نشود.
- الکترود را تا جایی که ممکن است به لایه‌ای برسانید که همیشه مرطوب است؛ همان توصیهٔ قدیمی که «حفاری یا کوبیدن میله تا رسیدن به نم خاک ادامه یابد». میله‌های ارت مس‌پوش (کاپربند) را میشود با بوشن به هم وصل کرد و عمیقتر کوبید.
- مقاومت اندازه‌گیری‌شده در فصل مرطوب ممکن است در فصل خشک بالاتر برود. BS 7430 هم می‌گوید عددی که مدت‌ها بعد از نصب اندازه گرفته میشود ممکن است با عدد اولیه خیلی فرق داشته باشد. پس اندازهگیری دورهای لازم است (روش اندازهگیری مقاومت پایانهٔ زمین).
یک نکتهٔ دیگر: جریان زیاد خطا هم خاک دور الکترود را گرم و خشک میکند. طبق BS 7430، با دور شدن رطوبت از سطح الکترود مقاومت بالا میرود و اگر دما به حدود ۱۰۰ درجه برسد، الکترود عملاً از کار می‌افتد. پس اندازه و سطح الکترود باید برای جریان خطا کافی باشد (فرمول محاسبهٔ مقاومت الکترود زمین).
آب دادن به چاه ارت و تزریق محلول
در بسیاری از چاه‌های ارت لوله‌ای کار می‌گذارند تا در فصل خشک به آن آب بدهند. IEEE Std 142 (بند ۴٫۱٫۷) هم از چکه دادن آب با لوله کنار الکترود نام برده و در بند ۴٫۴٫۳ «افزایش رطوبت» را یکی از راه‌های کم کردن مقاومتی که بالا رفته می‌داند. اما آب دادن یک راه نگهداری است، نه طراحی: اگر سیستم ارت فقط با آب دادن به عدد لازم می‌رسد، در اولین فصل خشک یا با فراموش شدن آب، از کار می‌افتد.
ریختن آبنمک یا «مایع کاهنده» در چاه هم راه‌حل ماندگار نیست. طبق IEEE Std 142، نمک‌هایی مثل کلرید سدیم، سولفات منیزیم و سولفات مس مقاومت را کم میکنند، اما دائمی نیستند، باید دورهای تجدید شوند و به حفاظت الکترود در برابر خوردگی آسیب میزنند. BS 7430 (بند ۸٫۲٫۲) هم می‌گوید تیمار شیمیایی خاک اثر زیست‌محیطی دارد، خطر خوردگی سیستم ارت را بالا می‌برد و نباید راه‌حل بلندمدت به حساب آید. توضیح بیشتر در آیا نمک و زغال مادهٔ استاندارد است؟ و مواد کاهنده و خوردگی سیستم ارت آمده است.
مادهٔ کاهنده چه نقشی دارد؟
مادهٔ کاهندهٔ مقاومت زمین دور الکترود را پر میکند و تماس آن با خاک را کامل میکند. رفتار انواع آن با رطوبت فرق دارد:
- بنتونیت: طبق BS 7430 (بند ۸٫۱۴٫۲٫۲) رسی است که رطوبت را خوب نگه می‌دارد و در جاهایی که رطوبت خاک در فصل‌ها زیاد و کم میشود کمک میکند؛ اما خودش به رطوبت وابسته است و در خشکی جمع میشود (آیا بنتونیت مادهٔ استاندارد است؟). BS 7430 (بند ۸٫۲٫۲) هم تأکید میکند ماده باید پس از خشک شدن در تماس با الکترود بماند و جمع یا از آن جدا نشود.
- مواد پایه‌کربنی: بخش رسانای آن‌ها کربن است و رسانایی‌اش به آب منافذ وابسته نیست؛ برای همین در فصل خشک پایدارتر می‌مانند و شسته نمی‌شوند (مواد کاهندهٔ پایه‌کربنی).
ما خانوادهٔ مواد کاهندهٔ GIM را طبق IEC 62561-7 عرضه می‌کنیم: GIM برای خاک‌ها و محیط‌های بسیار خورنده، GIM LIGHT برای شرایط معمولی و ECO GIM. اینکه مادهٔ کاهنده چقدر مقاومت را کم میکند، با یک محاسبهٔ ساده در چرا استفاده از مواد کاهنده ارت مفید است؟ آمده است.
