چگونه میله‌های ارتینگ حفاظت در برابر صاعقه را به‌طور مؤثر انتخاب کنیم؟

درک نقش میله های ارتینگ در سیستم های حفاظت در برابر صاعقه

عملکرد و اهمیت ارتینگ در سیستم های حفاظت در برابر صاعقه

سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه واقعاً به میله‌های ارت برای هدایت نوسانات ولتاژ عظیم ناشی از طوفان‌های رعد و برق به داخل زمین متکی هستند. وقتی ساختمان‌ها به درستی ارت نشده باشند، صحبت از اضافه ولتاژهایی در حدود ۱۰۰ میلیون ولت به بالا است که می‌توانند سازه‌ها را تخریب کنند و به تجهیزات مختلف آسیب برسانند. بر اساس داده‌های ارائه شده از سوی انجمن ملی آتش‌نشانی آمریکا (NFPA) در سال ۲۰۲۳، حدود شش دهم از موارد آسیب ناشی از صاعقه در واقع ناشی از روش‌های ضعیف ارتینگ هستند. هدف اصلی این میله‌ها ایجاد آنچه مهندسان به آن «مسیر با مقاومت کم» می‌گویند، این است که انرژی خطرناک در دیوارها یا سیم‌کشی داخلی تجمع نکند. این مفهوم ساده هر ساله هزاران ملک را از اینکه در طول طوفان‌ها به دارایی‌های آسیب‌دیده جانبی تبدیل شوند، نجات می‌دهد.

چگونه میله‌های ارت انرژی صاعقه را به طور ایمن در زمین پخش می‌کنند

هنگامی که صاعقه به زمین می‌خورد، میله‌های ارتینگ که معمولاً از مس یا فولاد پوشیده از مس ساخته می‌شوند، جریان الکتریکی را به لایه‌های هادی خاک هدایت می‌کنند. یک میله استاندارد ۸ فوتی نیز کارایی خوبی دارد و طبق تحقیقات IEEE از سال گذشته، مقاومت خاک را تقریباً ۷۰ درصد کاهش می‌دهد. اثربخشی این سیستم زمانی که چندین میله به صورت شبکه‌ای به یکدیگر متصل شوند، بهتر می‌شود. آنچه در ادامه اتفاق می‌افتد واقعاً قابل توجه است؛ کل سیستم در کسری از ثانیه تفاوت‌های ولتاژ خطرناک را خنثی می‌کند، که این امر می‌تواند از رخدادهای خطرناکی مانند جرقه‌های جانبی یا ولتاژهای گامی که می‌توانند به افراد نزدیک آسیب برسانند، جلوگیری کند.

اتصال میله‌های ارتینگ با ترمینال‌های هوایی، هادی‌ها و سیستم‌های باندینگ

برای دستیابی به بهترین نتایج از میله‌های ارتینگ، لازم است آن‌ها با ترمینال‌های هوا، هادی‌های عمودی و سیستم‌های اتصال همراهی کنند و در سراسر ملک با یکدیگر کار کنند. بر اساس استانداردهای NFPA 780، ساختمان‌های تجاری باید دارای سیستم‌های ارتینگ متصل به یکدیگر باشند که مقاومت را در سراسر سازه در حد یا پایین‌تر از 20 اهم حفظ کنند. زمانی که قطعات فلزی مانند لوله‌ها و سیستم‌های گرمایشی به‌درستی به شبکه اصلی ارتینگ متصل نشوند، قوس الکتریکی خطرناکی می‌تواند رخ دهد. این جرقه‌ها در واقع عامل حدود یک‌سوم از تمام حریق‌های ناشی از صاعقه غیرمستقیم بوده‌اند، مطابق تحقیقات انجام‌شده توسط UL Solutions در سال گذشته. به همین دلیل، اتصال مناسب فقط یک الزام فنی نیست، بلکه یک مسئله ایمنی واقعی برای هر مالک ساختمان محسوب می‌شود.

میله‌های ارتینگ مسی در مقابل آلومینیومی: مقاومت در برابر خوردگی و هدایت الکتریکی

انتخاب مادهٔ مناسب، عملکرد و دوام یک چیز را به‌کلی متفاوت می‌کند. بیایید مس را در نظر بگیریم، این ماده الکتریسیته را بسیار بهتر از آلومینیوم هدایت می‌کند، راندمانی حدود 96 درصدی نسبت به تنها 61 درصد در آلومینیوم. البته آلومینیوم در ابتدا حدود 45 درصد ارزان‌تر است، اما یک مشکل دارد. این ماده تمایل دارد در معرض شرایط سخت به‌سرعت زنگ بزند. این موضوع به‌ویژه در مناطق ساحلی که هوا حاوی نمک است بسیار مشهود است. میله‌های مسی معمولاً در این مناطق سه برابر طولانی‌تر دوام می‌آورند. البته نکته‌ای دیگر هم وجود دارد، اگر کسی وقت بگذارد و کیفیت خاک را بررسی کند و برخی اقدامات حفاظتی در برابر خوردگی انجام دهد، آلومینیوم در متوسط حدود 15 سال دوام خواهد داشت. این موضوع دلیل این امر را روشن می‌کند که چرا برخی افراد با وجود معایب آلومینیوم، زمانی که بودجه پروژه محدود باشد، همچنان از آن استفاده می‌کنند.

مس جامد در مقابل فولاد پوشش‌دهنده مسی: هزینه، عملکرد و دوام

فولاد روکش‌دار مسی از یک هسته فولادی قوی تشکیل شده است که با پوششی از مس خالص (حدود 99.9 درصد) احاطه شده است. این ترکیب به هدایت الکتریسیته حدود 80 درصد از ظرفیت مس خالص را فراهم می‌کند، اما هزینه‌ای حدود 40 درصد کمتر از مس خالص دارد. بر اساس گزارش کارایی مواد اتصال به زمین در سال 2023، سیستم‌های مسی روکش‌دار مقاومت خود را در محدوده 25 تا 30 سال در زیر 5 اهم حفظ می‌کنند. اما مس خالص طول عمر بیشتری دارد و مقاومت مشابهی را تا 35 تا 40 سال حفظ می‌کند. در کاربردهای معمول که نیاز به اتصال زمین زیر 10 اهم است، فولاد روکش‌دار مسی معمولاً نقطه تعادل بین هزینه و عملکرد را فراهم می‌کند. با این حال، بسیاری از پروژه‌های مهم زیرساختی همچنان به دلیل اهمیت بیشتر قابلیت اطمینان نسبت به ملاحظات بودجه‌ای، از مس خالص استفاده می‌کنند.

مقایسه مواد الکترود اتصال به زمین

متریال	مقاوم در برابر خوردگی	هادی بودن (IACS)	هزینه هر عدد الکترود	طول عمر (سال)
مس جامد	عالی	100%	‏$120	35-40
فولاد پوشش‌دار مسی	خیلی خوب	80%	$70	25-30
فولاد زنگ‌دار	متوسط	10%	$40	۱۲-۱۸

اهمیت مواد دارای مجوز UL و گواهی کیفیت

میله‌های ارتینگ دارای رتبه‌بندی UL، الزامات لازم برای استاندارد NFPA 780 را برآورده می‌کنند، به‌ویژه استاندارد ضخامت مس 25 میلی‌ای، همراه با مشخصات ASTM B3، B33 و B947. هنگامی که به گزینه‌های غیرمعتبر نگاه می‌کنیم، عملکرد ضعیف‌تری در آزمون‌های ولتاژ ضربه‌ای UL 96A دارند، مطابق با ارزیابی‌های مستقل. این محصولات غیرمعتبر در واقع در این آزمون‌ها حدود 58 درصد بیشتر از محصولات معتبر شکست می‌خورند، که به‌طور طبیعی نگرانی از شکست سیستم در آینده را افزایش می‌دهد. مسئله دیگری که باید به آن اشاره کرد این است: میله‌های ارتینگ جعلی که پوشش مسی کمتر از 20 میلی دارند، حدود 23 درصد از شکست‌های اولیه در محیط‌های صنعتی را به خود اختصاص می‌دهند. برای هر کسی که روی نصب کار می‌کند، بهتر است گزارش‌های آزمایشگاهی میل را بررسی کند و مطمئن شود که نشان‌های UL واقعی هستند قبل از اینکه هر کاری انجام دهد.

ارزیابی شرایط خاک برای بهینه‌سازی عملکرد میله ارتینگ

اندازه‌گیری مقاومت‌پذیری خاک برای طراحی یک سیستم ارتینگ مؤثر

وقتی از مقاومت الکتریکی خاک که برحسب اهم متر اندازه گیری می‌شود صحبت می‌کنیم، در واقع به این موضوع می‌پردازیم که چقدر برق از طریق خاک عبور می‌کند و این موضوع به سیستم‌های ارتینگ (grounding) تأثیر می‌گذارد. روش چهار نقطه‌ای مطابق استاندارد IEEE 81-2012 اندازه‌گیری‌های قابل قبولی ارائه می‌دهد چرا که توانایی شناسایی تفاوت‌های لایه‌های مختلف خاک را دارد. بیشتر خاک‌های رسی در محدوده‌ای بین ۱۰ تا ۱۰۰ اهم متر قرار می‌گیرند چون آب را بهتر در خود نگه می‌دارند. اما مناطق شنی یا سنگی؟ این مناطق اغلب به راحتی از ۱۰۰۰ اهم متر فراتر مرشوند. نکته مهم دیگر این است که تغییرات فصلی رطوبت خاک می‌تواند مقاومت الکتریکی را تا ۸۰ درصد کاهش دهد. این یعنی هر کسی که قصد دارد نتایج دقیقی به دست آورد، باید آزمایش‌ها را در تمام فصول انجام دهد تا اطمینان یابد که سیستم ارتینگ آن‌ها در طول زمان به خوبی کار می‌کند.

تأثیر نوع خاک - رس، شن و سنگ - بر عملکرد ارتینگ

ترکیب خاک نقشی کلیدی در اثربخشی ارتینگ ایفا می‌کند:

• خاک‌های غنی از رس به دلیل رطوبت و مواد معدنی موجود در آنها به طور طبیعی جریان را به خوبی هدایت می‌کنند.
• خاک های شن و ماسه ای مقاومت الکتریکی بالایی دارند و اغلب نیازمند قراردادن فلکه‌های عمیق‌تر یا استفاده از مواد پرکننده شیمیایی مانند بنتونیت هستند.
• زمین سنگی ممکن است استفاده از مواد بهبود‌دهنده زمین یا سیستم‌های ارتینگ شعاعی را برای رسیدن به آستانه ۲۵ اهمی NEC مبحث ۲۵۰ برای نصب‌های مسکونی ضروری کند.

تطبیق عمق و پیکربندی نصب فلکه ارتینگ با شرایط خاک

در خاک‌های با مقاومت بالا (>۵۰۰ اهم-متر)، بهترین روش‌ها شامل:

• نصب فلکه‌ها ۸–۱۰ فوت عمیق (در مقایسه با عمق استاندارد ۶–۸ فوت) برای رسیدن به لایه‌های هادی‌تر
• فاصله فلکه‌ها از یکدیگر دو برابر طول آنها برای جلوگیری از مناطق مقاومت همپوشانی
• استفاده از میله‌های فولادی پوشش‌دار مسی با لیست UL در محیط‌های خورنده

استاندارد NFPA 780 در مناطق خشک نصب تا 30% میله بیشتر را برای جبران رسانایی ضعیف خاک پیشنهاد می‌کند.

تضمین انطباق با استانداردهای حفاظت از صاعقه و ارتینگ

NFPA 780 و UL 96A: استانداردهای کلیدی برای طراحی و نصب سیستم ارتینگ

دنبال کردن راهنمایی‌های NFPA 780 و UL 96A فقط پیشنهادی نیست بلکه در حفاظت از ساختمان‌ها در برابر خسارات ناشی از صاعقه، ضروری است. این استانداردها، استفاده از میله‌های ارتینگ ساخته شده از مس یا فولاد پوشیده شده با مس را توصیه می‌کنند، چرا که این مواد هم در زمینه هدایت الکتریکی و هم در برابر سایش محیطی در طول زمان عملکرد بهتری دارند. بر اساس استاندارد NFPA 780، بیشتر سازه‌ها نیازمند آن هستند که مقاومت ارتینگ آن‌ها حداکثر 25 اهم باشد. در همین حال استاندارد UL 96A در مورد نحوه اتصال صحیح تمام اجزا بسیار دقیق است. این استاندارد به اتصال محکم بین سر نوارهای هوا، تمام هادی‌های الکتریکی درون سیستم و در نهایت نقاط ارتینگ در زمین پایین‌دستی پایینی می‌دهد. اجرای صحیح این موارد باعث می‌شود که کل سیستم حفاظت از صاعقه به درستی کار کند و در زمان بحرانی که طوفان رخ داد، دچار شکست نشود.

گواهی LPI-175 و مزایای استفاده از قطعات ارتینگ مطابق با استانداردها

استاندارد LPI-175 از مؤسسه حفاظت در برابر صاعقه در اصل چک می‌کند که آیا قطعات می‌توانند در برابر گذر زمان مقاومت کنند و به خوبی درون سیستم‌های کامل کار کنند. واحدهای صنعتی که میله‌های ارتینگ تأیید شده تحت این استاندارد را نصب می‌کنند، معمولاً در آینده بین ۳۰ تا ۵۰ درصد روی هزینه‌های تعمیر و نگهداری صرفه‌جویی می‌کنند. بررسی آنچه در سال ۲۰۲۳ در هنگام صاعقه‌های رخ داده در صنایع مختلف اتفاق افتاد، ادعاهای مبنی بر این صرفه‌جویی‌ها را تأیید می‌کند. علاوه بر این، دریافت گواهی LPI-175 به این معنی است که تمام این قطعات به خوبی با چیزهایی مثل محافظت کننده‌های ولتاژ گذرنده (surge protectors) و اتصالات ایزوله (bonding jumpers) سازگار خواهند بود. این سازگاری به کاهش شرایط خطرناکی کمک می‌کند که در آن برق به صورت غیرمنتظره‌ای جهش پیدا می‌کند یا اختلاف ولتاژهای ناایمنی در خود زمین ایجاد می‌کند.

سیر در تفاوت‌های منطقه‌ای در اجرای الزامات ارتینگ UL و NFPA

ان‌اف‌پی‌ای 780 در بیشتر مناطق ایالات متحده به یک استاندارد نسبتاً رایج تبدیل شده است، اما فراموش نکنید که هنوز هم برخی از مقررات ساختمانی محلی وجود دارند که گاهی قواعد اضافی خاص خود را وضع می‌کنند. به عنوان مثال، جوامع ساحلی را در نظر بگیرید که اغلب استفاده از میله‌های زمین‌کاری از جنس فولاد ضدزنگ را به جای میله‌های پوشش داده شده با مس ترجیح می‌دهند، چون هوا ی سالین (نمکی) مواد معمولی را خیلی سریع از بین می‌برد. از سوی دیگر، افرادی که در مناطق سنگی زندگی می‌کنند ممکن است بتوانند کمی کمتر از عمق معمول (حدود شش تا هشت فوت) حفاری کنند، به شرطی که برای افزایش بهره‌وری، چند عدد الکترود شیمیایی هم به مدار اضافه کنند. نکته کلیدی این است: هیچ‌کس بهتر از افرادی که در سطح محلی کار را انجام می‌دهند، از شرایط اطلاع ندارد. در ابتدا و قبل از هر کاری، با مقامات شهری و همچنین خدمات مستقل بازرسی تماس بگیرید و از نظر آنها در مورد هرگونه نصب سیستم حفاظت از صاعقه اطمینان حاصل کنید.

بهترین روش‌ها برای نصب میله زمین‌کاری و قابلیت اطمینان بلندمدت

عمق مناسب میله زمین‌کاری، فاصله‌گذاری و اتصال متقابل آن‌ها مطابق با استاندارد ان‌اف‌پی‌ای 780

میله‌های ارتینگ باید به‌صورت مستقیم و عمودی به داخل زمین به عمق حداقل 8 فوت (حدود 2.4 متر) کوبیده شوند تا به لایه‌های خاکی مرطوب و پایداری که بهترین عملکرد را برای ارتینگ دارند، دست یابند؛ این امر مطابق با راهنمایی‌های NFPA 780 است. هنگام نصب چندین میله، باید فاصله آن‌ها به‌درستی رعایت شود. قاعده کلی این است که میله‌ها حداقل به اندازه دو برابر طول خودشان از یکدیگر فاصله داشته باشند، بنابراین حدود 16 فوت یا 4.8 متر فاصله بین هر دو میله به منظور جلوگیری از تداخل بین آن‌ها ضروری است. برای اتصال چندین میله به یکدیگر، استفاده از سیم‌های مسی باز (بدون عایق) و اتصال آن‌ها از طریق اتصال‌دهنده‌های فشرده‌کننده ویژه به جای کلمپ‌های مکانیکی معمولی منطقی‌تر است. این اتصالات فشرده، اتصال بسیار بهتر و دوام‌دارتری ایجاد می‌کنند که با گذشت زمان شل نمی‌شوند و مسیر مقاومت کم لازم برای عملکرد مناسب ارتینگ را حفظ می‌کنند.

روش‌هایی برای کاهش مقاومت زمین و افزایش بهره‌وری سیستم

هنگام کار با خاکی که دارای مقاومت الکتریکی بالایی است، افزودن مواد بهبوددهنده زمین مانند رس بنتونیت یا بتن هادی می‌تواند به طور قابل توجهی افزایش اثربخشی تماس کمک کند. برای مناطقی که دمای منجمد شدن در آن‌ها رایج است، کوبیدن میله‌های ارت به خوبی در زیر سطح زمین به جلوگیری از آسیب ناشی از بالا آمدن خاک به دلیل یخ‌زدگی کمک می‌کند. بسیاری از نصب‌های صنعتی در می‌یابند که ارت حلقه‌ای بهترین عملکرد را دارد، به‌طوری‌که چندین لایه الکترود یک دایره حفاظتی را در اطراف ساختمان‌ها و تجهیزات تشکیل می‌دهند. بررسی‌های منظم از سطح مقاومت نیز ضروری است. بیشتر سیستم‌های خانگی به اندازه‌گیری‌هایی زیر 25 اهم نیاز دارند، در حالی که مکان‌هایی مانند مراکز داده اغلب استانداردهای سخت‌تری را می‌طلبد که معمولاً زیر 5 اهم است. این اندازه‌گیری‌ها اهمیت دارند زیرا ایمنی و عملکرد مناسب سیستم‌های الکتریکی را در محیط‌های مختلف تضمین می‌کنند.

نکات نصب سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه در محیط‌های مسکونی در مقابل تجاری

هنگام راه‌اندازی سیستم‌های ارتینگ برای خانه‌ها، بهترین روش این است که میله‌های ارتینگ را در خارج از دیوارهای زیرزمینی قرار دهید. از یک میله مسی 8 فوتی استفاده کنید که به‌درستی به هادی‌های سطح سقف متصل شده باشد. اما برای ساختمان‌های تجاری که روی آسفالت ساخته شده‌اند، نیاز به چیزی متفاوت است. الکترودهای داخل بتن باید در نزدیکی پی ساختمان در زمین دفن شوند. همچنین نباید از یاد برد که برج‌های مخابراتی نیازمند توجه خاصی هستند. این برج‌ها به آرایه‌های ارتینگ شعاعی نیاز دارند که از حداقل ده میله تشکیل شده‌اند و همگی با استفاده از تکنیک‌های جوشکاری اگزوترومیک به یکدیگر متصل می‌شوند. همچنین نباید از یاد برد که نگهداری اهمیت زیادی دارد، پس همیشه یادتان باشد که در هر نقطه‌ای که میله‌های ارتینگ به خاک متصل می‌شوند، چاه‌های دسترسی شفاف نصب کنید. این کار باعث می‌شود بازرسی‌های آینده هنگام چک کردن اتصالات در زیر سطح زمین بسیار آسان‌تر شود.

اشتباهات رایج در نصب میله‌های ارتینگ و روش جلوگیری از آن‌ها

هرگز میله‌های ارتینگ را کوتاه‌تر از هشت فوت (حدود ۲٫۴ متر) نبرید یا آن‌ها را افقی روی زمین قرار ندهید، زیرا این کار تماس با خاک را تقریباً دو سوم کاهش می‌دهد. در مواردی که از فلزات مختلفی استفاده می‌شود و مس با فولاد در تماس است، یادتان نرود که اتصالات دی‌الکتریک را بین قطعات قرار دهید تا از خوردگی گالوانیک جلوگیری شود که به مرور زمان باعث از بین رفتن اتصالات می‌شود. در صورت استفاده از مواد شیمیایی برای پر کردن اطراف میله ارتینگ، مراقب باشید هر لایه را به ضخامت تقریباً دوازده اینچ (حدود ۳۰ سانتی‌متر) متراکم کنید تا در صورت رخ دادن صاعقه در نزدیکی آن مشکلی ایجاد نشود. پس از نصب، سطح مقاومت الکتریکی را با استفاده از ابزارهای مناسب اندازه‌گیری چک کنید. سیستم‌هایی که این مرحله آزمایش را فرامی‌گیرند، دارای خطر شکست بیشتری در هنگام طوفان‌های رعد و برق هستند، و مطالعات نشان داده‌اند که این خطر تا حدود ۴۳ درصد افزایش می‌یابد.

‫سوالات متداول‬

میله‌های ارتینگ در سیستم‌های حفاظت از صاعقه چه کاربردی دارند؟

میله‌های ارتینگ در سیستم‌های حفاظت از صاعقه برای هدایت سریع ولتاژهای ناگهانی به لایه‌های هادی زمین استفاده می‌شوند و از این طریق از آسیب دیدن سازه‌ها و تجهیزات جلوگیری می‌کنند.

چرا مس به آلومینیوم برای استفاده در میله‌های ارت ترجیح داده می‌شود؟

مس به دلیل هدایت الکتریکی بهتر و مقاومت بیشتر در برابر خوردگی نسبت به آلومینیوم، در شرایط سخت‌تری دوام بیشتری دارد.

شرایط خاک چگونه می‌تواند تأثیرگذاری بر عملکرد میله‌های ارت داشته باشد؟

شرایط خاک با تأثیرگذاری بر مقاومت ویژه خاک، میزان عبور جریان الکتریکی از طریق زمین را تعیین می‌کند.

چه استانداردهای کلیدی برای طراحی سیستم ارت وجود دارد؟

استانداردهای کلیدی برای طراحی سیستم ارت شامل NFPA 780 و UL 96A می‌شود که در مورد مواد و فرآیند نصب به منظور تضمین ایمنی و قابلیت اطمینان راهنمایی می‌کنند.

چه اشتباهات رایجی در نصب باید اجتناب شود؟

اشتباهات رایجی که باید از آنها پرهیز کرد شامل کوتاه کردن میله‌ها، عدم بررسی مقاومت خاک و انجام ندادن آزمایش‌های مقاومت الکتریکی است.