پاسخ کوتاه: مواد کاهندهٔ مقاومت زمین را بیشتر بر اساس پایهٔ شیمیایی (Base) دسته‌بندی می‌کنند: پایهٔ رسی مثل بنتونیت، پایهٔ کربنی، پایهٔ پلیمری (ژل‌ها و مایع‌ها)، پایهٔ فلزی و نمکها و مواد شیمیایی. تفاوت اصلی آن‌ها در این است که جریان را چگونه از خود عبور می‌دهند: مواد کربنی و فلزی خودشان رسانا هستند، اما رس، ژل و نمک فقط وقتی آب دارند رسانا می‌شوند. برای سیستم ارت دائمی، نوع ماده به‌تنهایی کافی نیست؛ ماده باید آزمونهای IEC 62561-7 را گذرانده باشد.
ما در گروه کالوت در این مقاله هر نوع را ساده توضیح می‌دهیم و می‌گوییم کجا به کار می‌آید. اینکه مواد کاهنده در طول زمان چطور از نمک و زغال به مواد استاندارد رسیدند را در مواد کاهندهٔ مقاومت زمین از چه نوع موادی است؟ آورده‌ایم.
مادهٔ کاهنده دقیقاً چه کاری میکند؟
الکترود ارت (میله، صفحه یا تسمه) جریان را به خاک میدهد. بیشترین مقاومت در همان خاکِ نزدیکِ الکترود است، چون جریان در آنجا از سطح کوچکی عبور میکند. برای نمونه، در یک میلهٔ ارت ۳ متری حدود یک‌پنجم مقاومت در ۳ سانتی‌متر اول اطراف میله و حدود ۴۰ درصد آن در ۱۰ سانتی‌متر اول است (محاسبه با رابطهٔ مقاومت میله در خاک یکنواخت). مادهٔ کاهنده دقیقاً همین ناحیه را با مادهای رساناتر از خاک پر میکند؛ مثل اینکه قطر الکترود بزرگ‌تر شده باشد و تماس آن با خاک کامل‌تر.
این ماده جای خاکِ دورتر را نمی‌گیرد. پس در خاک بسیار پرمقاومت، مادهٔ کاهنده مقاومت را کم میکند اما معجزه نمیکند و گاهی باید الکترود بلندتر یا بیشتر هم اجرا شود. مقدار اثر را با یک مثال عددی در چرا استفاده از مواد کاهنده ارت مفید است؟ حساب کرده‌ایم.
رسانایی الکترونی و یونی: کلید فهم انواع مواد کاهنده
- رسانایی الکترونی: دانه‌های کربن یا فلز به هم می‌چسبند و جریان مثل یک سیم از خودِ ماده می‌گذرد. این رسانایی به آب وابسته نیست؛ پس در فصل خشک هم پابرجاست.
- رسانایی یونی: جریان با یون‌های محلول در آب منتقل میشود؛ مثل رس مرطوب، ژل آب‌دار یا محلول نمک. تا وقتی آب هست کار میکند، اما با خشک شدن خاک، مقاومت بالا می‌رود. نمکها هم در آب حل و بهتدریج شسته می‌شوند.
به همین دلیل اثر رطوبت خاک روی هر نوع ماده فرق میکند (آیا رطوبت خاک یک عامل اساسی در کاهش مقاومت مواد کاهنده است؟).
انواع مواد کاهنده بر اساس پایهٔ شیمیایی
۱. مواد با پایهٔ خاک‌های معدنی یا رسی (Clay-based)
شناخته‌شده‌ترین نمونهٔ این گروه بنتونیت است؛ خاک رسی از کانی مونت‌موریلونیت که با آب چند برابر حجم خشکش متورم میشود و رطوبت را نگه می‌دارد. BS 7430:2026 بنتونیت را برای خاک‌هایی که رطوبتشان فصلی تغییر میکند مناسب می‌داند، به شرط آنکه هنگام نصب کاملاً آب‌دهی شود. ضعف آن هم از همین‌جا می‌آید: رسانایی بنتونیت یونی است؛ در کمبود رطوبت مقاومتش به‌سرعت بالا می‌رود و با خشک شدن جمع میشود و از الکترود فاصله میگیرد. برخی بنتونیت‌های تجاری هم نمک دارند (آیا بنتونیت یک ماده استاندارد است؟).
۲. مواد با پایهٔ کربنی (Carbon-based)
این مواد از ذرات رسانای کربن یا گرافیت ساخته می‌شوند و معمولاً با سیمان و آب به شکل دوغاب دور الکترود ریخته می‌شوند تا پس از سفت شدن، ستونی یکپارچه و چسبیده به الکترود بسازند؛ نمونهٔ دیگرش بتن رسانا است که در آن به‌جای ماسه و سنگ‌دانه، دانه‌های رسانای کربنی به کار می‌رود. رسانایی آن‌ها الکترونی است و در آب حل و شسته نمی‌شوند. BS 7430:2026 دوغاب‌های حاوی گرافیت یا پودر کربن را برای پر کردن اطراف میله و تسمهٔ ارت قابل قبول می‌داند و در زمین سنگی و پرمقاومت هم استفاده از بتن رسانا را پیشنهاد میکند، به شرط آنکه ماده پس از خشک شدن جمع نشود و از الکترود جدا نشود.
یک نکتهٔ مهم: هر مادهٔ سیاه و کربنی، استاندارد نیست. کک نفتی و خاکستر بادی نیروگاه هم کربن دارند، اما گوگرد و مواد خورندهٔ آن‌ها الکترود را می‌خورد؛ IEC 62561-7 برای همین گوگرد ماده را کمتر از ۲ درصد می‌خواهد. توضیح کامل این گروه را در مواد کاهندهٔ پایهٔ کربنی بخوانید. مادهٔ کاهندهٔ GIM که ما عرضه می‌کنیم از همین گروه است.
۳. مواد با پایهٔ پلیمری (Polymer-based): ژل و مایع کاهنده
در این گروه، پلیمرهای جاذب آب (مثل هیدروژل‌ها) یا ژل‌هایی که یک الکترولیت در خود دارند، دور الکترود قرار می‌گیرند. پلیمر آب را مثل اسفنج نگه می‌دارد و الکترولیت آن رسانایی یونی می‌سازد. آنچه در بازار با نام «مایع کاهندهٔ مقاومت زمین» یا «ژل ارت» شناخته میشود معمولاً از همین خانواده یا از محلول‌های نمکی است. مزیتشان اجرای ساده و نفوذ در خاک دانه‌درشت و سنگلاخی است. اما چون رسانایی‌شان به آب و یون وابسته است، دوام آن‌ها به ترکیب محصول بستگی دارد؛ پیش از خرید، گزارش آزمون آبشویی و خوردگی طبق IEC 62561-7 را بخواهید. پژوهش‌ها روی این گروه هنوز ادامه دارد و دادهٔ میدانی بلندمدت آن کمتر از مواد کربنی است.
۴. مواد با پایهٔ فلزی (Metal-based)
در این گروه پودر یا دانهٔ فلزات و اکسیدهای فلزی رسانا، یا محلول‌ها و ژل‌های بر پایهٔ ترکیبات مس، دور الکترود ریخته میشود. دانه‌های فلزی رسانایی الکترونی دارند، اما دو نکته را باید در نظر داشت: فلزی که با جنس الکترود فرق دارد، در خاک مرطوب می‌تواند زوج گالوانیک بسازد و خوردگی را تند کند؛ و ترکیبات محلول فلزی مثل سولفات مس در عمل نوعی تیمار شیمیایی‌اند و شسته می‌شوند. آزمون آبشویی IEC 62561-7 دقیقاً فلزاتی مثل مس، روی، سرب و کروم را در آب خروجی می‌سنجد (مواد کاهنده و خوردگی سیستم ارت).
۵. نمکها و مواد شیمیایی
نمک طعام، کلرید کلسیم، سولفات منیزیم و سولفات مس قدیمی‌ترین راه کم کردن مقاومت‌اند. طبق IEEE Std 142 این مواد بسته به نوع خاک مقاومت ویژهٔ خاک را ۱۵ تا ۹۰ درصد کم می‌کنند، اما اثرشان ماندگار نیست، باید دوره‌ای تجدید شوند و به حفاظت الکترود در برابر خوردگی آسیب می‌زنند. BS 7430:2026 هم تیمار شیمیایی خاک را به دلیل اثر محیط‌زیستی و خطر خوردگی، راه‌حل بلندمدت نمی‌داند و استفاده از کک را به دلیل خورندگی شدید نهی میکند. چاه‌های نمک و زغال قدیمی از همین گروهاند (آیا نمک و زغال مادهٔ کاهندهٔ استاندارد است؟).
انواع مواد کاهنده بر اساس شکل عرضه
- پودر خشک: دور الکترود ریخته و با آب یا رطوبت خاک فعال میشود؛ مثل بنتونیت پودری.
- دوغاب و مخلوط سیمانی: پودر با آب (و گاهی سیمان) مخلوط و در گمانه یا ترانشه ریخته میشود و سفت میشود؛ مثل مواد پایهٔ کربنی و بتن رسانا. آزمونهای استاندارد روی همین مخلوط نهایی انجام میشود، نه روی پودر داخل کیسه.
- دانه و گرانول: دانه‌های رسانا یا جاذب رطوبت که مثل خاک پرکننده ریخته و کوبیده می‌شوند.
- ژل و مایع: روی خاک اطراف الکترود ریخته یا تزریق می‌شوند و در خاک نفوذ می‌کنند؛ معمولاً پایهٔ پلیمری یا نمکی دارند.
- میلهٔ شیمیایی (الکترولیتی): لولهٔ مسی توخالی پر از نمک‌های الکترولیت که رطوبت را جذب میکند و محلول نمکی را بهتدریج به خاک اطراف میدهد. سازندگان این میله‌ها را همراه پرکنندهٔ رسانا و حوضچهٔ بازدید نصب می‌کنند. چون نمک بهمرور تمام میشود، دربارهٔ امکان شارژ دوباره یا تعویض آن از فروشنده بپرسید.
جدول خلاصهٔ انواع مواد کاهندهٔ مقاومت زمین
نوع ماده | نمونه | نوع رسانایی | وابستگی به رطوبت | ماندگاری |
|---|---|---|---|---|
پایهٔ رسی | بنتونیت | یونی | زیاد؛ با خشکی جمع میشود | متوسط؛ در خاک مرطوب بهتر |
پایهٔ کربنی | دوغاب کربنی، بتن رسانا | الکترونی | کم | پایدار؛ شسته نمی‌شود |
پایهٔ پلیمری | هیدروژل، ژل و مایع کاهنده | یونی | زیاد | بسته به ترکیب؛ گزارش آزمون بخواهید |
پایهٔ فلزی | دانه‌ها و اکسیدهای فلزی، ترکیبات مس | الکترونی یا یونی | بسته به ترکیب | بسته به ترکیب؛ خطر خوردگی گالوانیک |
نمکها و مواد شیمیایی | نمک طعام، سولفات‌ها، کلرید کلسیم | یونی | زیاد | کم؛ شسته میشود و باید تجدید شود |
مقایسهٔ کامل‌تر با مزایا، معایب و کاربرد هر ماده را در جدول مقایسهٔ انواع مواد کاهندهٔ مقاومت زمین گذاشته‌ایم.
نوع ماده کافی نیست؛ مادهٔ کاهندهٔ استاندارد کدام است؟
دو مادهٔ هم‌گروه ممکن است رفتار کاملاً متفاوتی داشته باشند. برای همین IEC 62561-7 به‌جای نام بردن از نوع ماده، چند آزمون را الزامی کرده است: آبشویی (اینکه ماده فلزات سنگین و مواد مضر به خاک و آب ندهد)، گوگرد کمتر از ۲ درصد، اندازه‌گیری مقاومت ویژه و درج آن روی بسته، pH، و آزمون خوردگی روی الکترود. در ایران هم آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱) در مادهٔ ۶۳ می‌خواهد مواد افزودنی چاه ارت طبق استاندارد ملی INSO 18499-7 آزمون شده باشند. جزئیات را در استاندارد مواد کاهندهٔ مقاومت زمین و مشخصات مواد کاهندهٔ استاندارد آورده‌ایم؛ اثر این مواد بر محیط زیست هم در آیا مواد کاهنده آلاینده‌اند؟ بررسی شده است.
کدام نوع مادهٔ کاهنده را انتخاب کنیم؟
- سیستم ارت دائمی، خاک خشک، سنگی یا پرمقاومت: مادهٔ پایهٔ کربنی آزمونشده که شسته نمی‌شود و به رطوبت وابسته نیست.
- خاک مرطوب و منطقهٔ پربارش، پروژهٔ کوچک: بنتونیت هم می‌تواند کار کند، به شرط آب‌دهی درست هنگام نصب و نبودِ نمک در آن.
- خاک دانه‌درشت یا سنگلاخی که دوغاب در آن نمی‌ماند: ژل‌ها و مواد پلیمری را فقط با گزارش آزمون کامل بررسی کنید.
- نیاز موقت و فوری: نمک فقط با برنامهٔ نگهداری منظم؛ برای سیستم دائمی نه.
همیشه هم لازم نیست مادهٔ کاهنده بریزید؛ در خاک کم‌مقاومت، الکترود درست کافی است (آیا همیشه و در همه خاک‌ها باید از مواد کاهنده استفاده کرد؟). راهنمای انتخاب بر اساس نوع خاک هم در در چه زمین‌هایی از چه موادی استفاده کنیم؟ آمده است.
ما خانوادهٔ مواد کاهندهٔ مقاومت زمین GIM را طبق IEC 62561-7 عرضه می‌کنیم: GIM برای خاک‌ها و محیط‌های بسیار خورنده، GIM LIGHT برای شرایط معمولی و ECO GIM. مادهٔ کاهنده را همراه میلهٔ ارت مس‌پوش، اتصال جوش احتراقی (کالولد) و حوضچهٔ بازدید اجرا کنید تا اندازه‌گیری دوره‌ای هم ساده باشد. مقدار ماده را با محاسبه‌گر GIM برآورد کنید، یا نوع خاک، نتیجهٔ اندازه‌گیری مقاومت ویژهٔ خاک و مقاومت هدف را برای کارشناسان ما بفرستید. طراحی سیستم زمین و اندازه‌گیری و آزمون سیستم زمین را هم انجام می‌دهیم؛ از صفحهٔ تماس با ما با ما در ارتباط باشید.
