انواع الکترودها
۱- الکترود میله‌ای
این نوع الکترود به دو دسته تقسیم می‌شود:
الف) الکترود میله‌ای نوع اول
این الکترود معمولاً یک میله‌ی فولادی نوک‌تیز است که بدنه‌ی آن گالوانیزه شده و یا آن را با لایه‌ای از مس (کاپر باند) پوشانده‌اند تا دوام آن در زیر خاک افزایش یافته و از پوسیده شدن سریع آن جلوگیری شود. برای نصب این الکترود نیازی به حفر چاه نیست و آن را در زمین دست نخورده به طور عمودی می‌کوبند. ساختار آن نیز برای کوبیدن طرح شده است. مغز فولادی آن سخت و محکم بوده و با وارد شدن ضربه، در خاک فرو می‌رود. انتهای سخت میله نیز قادر به تحمل ضربه‌های چکش است. گاهی نیز یک قطعه‌ی فولادی بسیار سخت را به انتهای میله متصل می‌کنند تا از تغییر فرم آن در اثر ضربه‌های چکش جلوگیری شود. نوک میله را نیز برای فرورفتن بهتر، تیز کرده‌اند و یا یک قطعه فولادی نوک تیز و سخت به سر آن متصل نموده‌اند.
طول این میله‌ها حدود۵/۱ تا ۳ متر است. میله‌های بلندتر ممکن است به هنگام کوبیده شدن در زمین‌های سخت، کج شوند. گاهی این میله‌ها را طوری می‌سازند که بتوان پس از کوبیدن یک میله، به کمک یک قطعه‌ی واسطه، میله‌ی دوم را به ته آن متصل کرد و کوبیدن را ادامه داد. سپس میله‌ی سوم را به همان روش به ته میله‌ی دوم متصل و این عمل را تکرار می‌کنند. به این ترتیب، با اتصال میله‌های متعدد می‌توان الکترود بلندتری به دست آورد و آن را بدون کج شدن تا عمق بیش‌تری در زمین فرو کرد. منتها این اشکال وجود دارد که همین قطعات واسطه که ساختار آن‌ها شبیه پیچ و مهره است، اغلب تحمل ضربه‌های لازم برای فروکردن میله در زمین‌های بسیار سخت را ندارند و در اثر ضربه ممکن است لق شده و اتصال میان میله‌ها دچار اشکال شود. از این رو الکترود میله‌ای نوع اول بیش‌تر مناسب کوبیدن در خاک‌های نرم یا در زمین‌هایی‌ست که رطوبت در نزدیکی سطح آن قرار دارد. کوبیدن این الکترود در زمین‌های سخت، حتی در همان عمق کم نیز خالی از دردسر نیست.
مهمترین حسن این نوع الکترود، آسانی اجرا و ارزان بودن آن است. زیرا هزینه‌ی حفر چاه و خرید الکترولیت را ندارد و قیمت آن هم ارزان است؛ اما اساساً مقاومت بیش‌تری نسبت به الکترود صفحه‌ای دارد. از همین رو، برای حصول مقاومت کم باید چند عدد از آن‌ها را نصب و به همدیگر متصل کرد، که با توجه به لزوم رعایت فاصله‌ی مجاز میان الکترودها، به زمینی بزرگ نیاز است. بنابراین، به دست آوردن مقاومت کم در یک زمین کوچک به کمک این نوع الکترود، مشکل است. ضمن آن که افزایش بیش از حد تعداد الکترودها می‌تواند هزینه‌ی تهیه‌ی سیم و ترانشه‌کنی مورد نیاز برای ارتباط دادن آن‌ها و نیز هزینه‌ی اتصال سیم‌های ارتباطی به الکترودها را افزایش داده و مزیت اقتصادی استفاده از این نوع الکترود را از بین ببرد.
این میله‌ها در طول‌های از۵/۱ تا ۳ متر و قطرهای ۱۶، ۲۰ و ۲۵ میلی‌متر ساخته می‌شوند. قطر میله تأثیر چندانی در مقاومت ارت حاصل از آن ندارد و با افزایش قطر، صرفاً استحکام مکانیکی میله افزایش می‌یابد و می‌توان آن را برای زمین‌های سخت‌تر به کار بُرد.
این میله‌ها باید مشخصه‌های زیر را دارا باشند:
۱- ضخامت لایه‌ی گالوانیزه نباید کمتر از ۷۰ میکرون باشد. چون ایجاد لایه‌ای با قطر ۷۰ میکرون با روش گالوانیزاسیون سرد امکان‌پذیر نیست، حتماً باید از روش گالوانیزاسیون گرم استفاده شود.
۲- ضخامت میله‌ی فولادی نباید کمتر از ۱۶ میلی‌متر باشد
۳-سطح مقطع روکش مسی نباید کمتر از ۲۰ درصد سطح مقطع مغز فولادی باشد
۴- حداقل خلوص مس مورد استفاده برابر ۹۹/۹ درصد باشد
۵- لایه‌ی مسی باید به روش جوش مولکولی (آب‌کاری الکتریکی) روی بدنه‌ی میله قرار گیرد. در بازار اغلب میله‌های ارزان قیمتی به فروش می‌رسد که با فروکردن یک میله‌ی فولادی درون یک لوله‌ی مسی هم اندازه با آن ساخته شده‌اند. این الکترودها دارای عیوب زیر می‌باشند و به کارگیری آن‌ها توصیه نمی‌شود.
عیب یکم: در اثر وجود فواصل ذره‌بینی میان روکش مسی و مغز فولادی، رطوبت و املاح خاک به این فواصل نفوذ کرده و پیل الکتریکی تشکیل می‌دهند که موجب خوردگی سریع میله می‌گردد.
عیب دوم: به علت یکپارچه نبودن روکش مسی و مغز فولادی آن، در موقع کوبیدن میله ممکن است روکش مسی جدا شده و همراه میله در خاک فرو نرود.
عیب سوم: هنگام ساخت این الکترودها، میله‌ی فولادی تا دمای زیادی داغ می‌شود و این موضوع می‌تواند بر روی خواص متالورژیک میله تأثیر گذاشته و از استحکام آن بکاهد و در نتیجه گاه شاهد کج شدن الکترود در هنگام کوبیدن آن خواهیم بود.
شایان ذکر است که رعایت نشدن نکات فوق موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد.
ب) الکترود میله‌ای نوع دوم
نوع دوم الکترود میله‌ای برای نصب در چاه‌های کنده شده با دستگاه حفاری به کار می‌رود. این نوع الکترود را در چاه قرار داده و اطرافش را با الکترولیتی مناسب (مثلاً دوغاب بنتونیت) پُر می‌کنند که در این حالت نیازی به میله‌ای محکم با مشخصات نوع اول نیست و به جای آن می‌توان از سیم یا تسمه‌ی مسی یا گالوانیزه و یا حتی از لوله‌ی گالوانیزه آب نیز استفاده کرد. (استفاده از این نوع الکترود در چاه‌های کنده شده با دست، به علت زیاد بودن عرض چاه و نیاز به مقدار زیاد الکترولیت توصیه نمی‌شود.) مهمترین حُسن این روش آن است که بر خلاف روش نخست می‌توان با عمیق‌تر کردن چاه، الکترود را تا عمق دلخواه در زمین وارد کرد و مقاومت آن هم به دلیل عمق بیش‌تر و استفاده از الکترولیت، کمتر از روش نخست می‌باشد. در عوض، هزینه‌های حفر چاه و خرید الکترولیت به سایر هزینه‌ها افزوده می‌شود.
مشخصات مهمی که این الکترودها باید داشته باشند، عبارت‌اند از:
۱- حداقل ضخامت تسمه‌ی مسی ۲ میلی‌متر و حداقل سطح مقطع آن ۵۰ میلی‌متر مربع باشد.
۲- حداقل سطح مقطع سیم مسی چند مفتولی ۳۵ میلی‌متر مربع و حداقل قطر هر مفتول آن ۸/۱ میلی‌متر باشد.
۳- حداقل خلوص مس مورد استفاده برابر ۹۹/۹ درصد باشد
۴- حداقل ضخامت تسمه‌ی فولادی (گالوانیزه) ۳ میلی‌متر و حداقل سطح مقطع آن ۱۰۰ میلی متر مربع باشد.
۵-ضخامت لایه‌ی گالوانیزه نباید کمتر از ۷۰ میلی‌متر باشد. استفاده از گالوانیزاسیون گرم برای این نوع الکترود نیز اجباری‌ست.
۶-قطر لوله‌ی گالوانیزه نباید کمتر از یک اینچ باشد. دوباره تأکید می‌شود که رعایت نشدن نکات فوق، موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد.
الکترود صفحه‌ی مسی
این الکترود یک صفحه‌ی مسی مربع شکل است که در موقع نصب، آن را به طور عمودی در چاه قرار داده و در میان الکترولیت مناسبی دفن می‌کنند. در بین الکترودهای مختلف، گران‌ترین نوع محسوب می‌شود. زیرا وزن مس مورد نیاز برای ساخت آن بیش از سایر الکترودهاست و همچنین نیاز به حفر چاه و مقدار بیش‌تری الکترولیت دارد. در عوض مقاومت کم‌تری ایجاد می‌کند و از این راه تعداد چاه مورد نیاز برای رسیدن به یک مقاومت معین را کاهش می‌دهد؛ که این خود، موجب صرفه‌جویی در هزینه‌های حفر چاه و تأمین سیم‌های ارتباطی میان چاه‌ها و اتصال آن‌ها به الکترودها و ترانشه‌کنی‌های مورد نیاز می‌شود، از این رو، بسته به مشخصات زمین، در بعضی موارد اقتصادی‌تر از الکترودهای میله‌ای خواهد بود. از سوی دیگر، در زمین‌های کوچک که امکان حفر چاه‌های متعدد وجود ندارد و با توجه به این که مقاومت سامانه‌ی احداث شده نباید از حد معینی بیش‌تر باشد، ممکن است تنها راه احداث سامانه‌ی اتصال زمین، استفاده از این نوع الکترود باشد.
مشخصاتی که لازم است این الکترود داشته باشد، به شرح زیر است:
۱- طول و عرض آن، حداقل cm50×۵۰ باشد.
۲- قطر آن از ۲ میلی‌متر کمتر نباشد.
۳- خلوص مس مورد استفاده حداقل برابر ۹۹/۹ درصد باشد.
توجه شود که رعایت نشدن نکته‌ی ردیف ۱ موجب افزایش مقاومت چاه شده و بی‌توجهی به ردیف‌های ۲ و ۳ موجب پوسیدگی سریع و زودتر از موعد الکترود خواهد شد. متأسفانه در حال حاضر، صفحات مسی آلیاژی که مناسب استفاده در زیر خاک نمی‌باشند، به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین صفحات فولادی پوشیده شده با مس را فقط به شرطی می‌توان به جای صفحه‌ی مسی به کار بُرد که ضخامت لایه‌ی مس روی آن از حداقل‌های لازم، کمتر نباشد.
هادی یا سیم ارت
پس از شرح انواع الکترود، اینک به بیان جزئیات مهم در انتخاب و استفاده از هادی ارت می‌پردازیم. نخست هادی‌های ارت را از نظر محل استفاده به دو دسته تقسیم می‌کنیم:
دسته‌ی اول: هادی‌هایی که در زیر زمین و در تماس با خاک قرار می‌گیرند.
دسته‌ی دوم: هادی‌هایی که روی زمین قرار گرفته و با خاک تماس ندارند.
این طریقه‌ی دسته‌بندی از آن روست که انتخاب جنس هادی ارت و همچنین منظور کردن روکش و عایق برای آن، به محل استفاده بستگی دارد. چون در این نوشته توجه خود را بر آن قسمت از شبکه‌ی ارت که در زیر خاک قرار گرفته، معطوف نموده‌ایم، صرفاً به بررسی مسائل دسته‌ی اول می‌پردازیم: نخست این که هادی ارت در زیر خاک نیاز به روکش نداشته و لخت بودن آن موجب تماس بیش‌تر با خاک و کاهش مقاومت کلی شبکه‌ی ارت می‌شود، و دیگر این که در زیر خاک به علت دخالت عوامل خورنده از قبیل رطوبت و املاح خاک، عمر هادی ارت کوتاه شده و زودتر از بین خواهد رفت. مسأله‌ی خوردگی به ویژه در هنگام تشکیل پیل‌های گالوانیک بسیار جدی و خطرناک می‌شود. در این وضعیت، در اندک زمانی هادی ارت نابود خواهد شد. (بررسی دقیق چگونگی تشکیل پیل و عوامل مؤثر در سرعت تخریب‌های ناشی از آن نیاز به مبحثی جداگانه داشته و در این مقاله نمی‌گنجد)
هادی ارت می‌تواند به صورت سیم یا تسمه بوده و از جنس مس یا فولاد گالوانیزه ساخته شود. مشخصات ذکر شده در ردیف‌های ۱ تا ۵ الکترود میله‌ای نوع دوم در مورد این هادی‌ها نیز صدق می‌کند. بدیهی‌ست هادی و الکترود ارت می‌باید هم جنس باشند تا از تشکیل پیل و گالوانیک و خوردگی‌های ناشی از آن جلوگیری شود. شایان ذکر است که متأسفانه در حال حاضر سیم‌های مس آلیاژی که در اصل برای استفاده در خطوط هوایی برق ساخته شده‌اند، به جای سیم مسی خالص در چاه‌های ارت به کار بُرده می‌شوند که این عمل اشتباه، دوام هادی ارت را تحت تأثیر قرار داده و از عمر آن می‌کاهد.
روش‌های اجرا با انواع الکترودها
پیش از این گفته شد که مقاومت ویژه‌ی خاک‌های اطراف و نزدیک الکترود نقش مهمی در تعیین مقاومت چاه بازی می‌کند از طرف دیگر دیدیم که خاک‌های دستی و نامتراکم می‌تواند موجب افزایش شدید مقاومت چاه شود. پس به این نتیجه می‌رسیم که باید زیر، بالا و دور تا دور الکترود را با ماده‌ای مانند بنتونیت که هر دو خاصیت مقاومت ذاتی کم و فشردگی را داراست، پُر کنیم؛ به نحوی که این ماده تمام فضای موجود میان الکترود با دیواره و کف چاه را پُر کند و در مورد الکترود صفحه‌ای، روی الکترود را نیز بپوشاند. متأسفانه دیده می‌شود که برخی مجریان به این نکات مهم بی‌توجهی نموده و وجود یک لایه‌ی بنتونیت در اطراف الکترود را کافی می‌دانند و پس از آن که این لایه را با روش‌های مختلفی دور الکترود ایجاد نمودند، فاصله‌ی باقی مانده تا دیواره‌ی چاه را با خاک معمولی یا خاک کشاورزی یا از این قبیل، پُر می‌کنند و به این ترتیب با ایجاد یک لایه‌ی واسطه‌ی نه چندان مرغوب بین لایه‌ی بنتونیت و دیواره‌ی چاه بخش قابل توجهی از نتیجه را از دست می‌دهند. شایسته است هنگام اجرای چاه، سطح الکترود ارت را از نظر عاری بودن از آلودگی‌هایی از قبیل لکه‌های رنگ یا چربی و یا لایه‌های اکسیدشده، سولفاته شده و غیره بررسی نماییم. این مواد سطح الکترود را عایق کرده و از تماس مؤثر آن با خاک جلوگیری می‌نمایند و می‌توانند تأثیر نامطلوبی بر میزان مقاومت چاه ارت بگذارند. لازم به ذکر است که به ازای هر لیتر از فضایی که باید پُر شود، به حدود یک کیلوگرم بنتونیت نیازمندیم و مقدار آب لازم نیز تقریباً ۳ لیتر در ازای هر کیلوگرم بنتونیت است.
در این جا به شرح جزئیات اجرای صحیح چاه با استفاده از انواع الکترودها پرداخته می‌شود:
الف) کوبیدن الکترود میله‌ای نوع اول در سطح خاک
معمولاً خاک سطح زمین در فصول گرم سال، خشک و در زمستان یخ زده است. از این رو، تأثیر مثبتی در کاهش مقاومت چاه ندارد. همچنین، به منظور حفظ خود الکترود و نقطه‌ی اتصال سیم به آن باید انتهای میله در عمق مناسبی پایین‌تر از سطح خاک قرار گیرد. بنابراین، پیش از کوبیدن الکترود می‌باید گودالی که عمق آن بستگی به شرایط اقلیمی محل دارد (معمولاً حدود یک متر) ایجاد کرد و سپس الکترود را در کف گودال مزبور کوبید. با این کار، عمق نفوذ الکترود هم بیش‌تر می‌شود. در صورت نیاز، در همین گودال می‌توان چاهک بازرسی را نیز احداث نمود. همچنین، در زمین‌های سخت می‌توان پس از کندن گودال، آن را پُر از آب کرد و روز بعد اقدام به کوبیدن الکترود کرد. این کار موجب نفوذ رطوبت به درون خاک و نرم‌تر شدن آن و در نتیجه کوبیدن راحت‌تر الکترود می‌شود.
ب) کوبیدن الکترود میله‌ای نوع اول در کف چاه
در این روش، چاهی با عمق مناسب حفر نموده و الکترود را در کف آن می‌کوبیم. به طوری که بخشی از طول الکترود بالاتر از کف چاه بماند. اکنون سیم را با استفاده از جوش کدولد به الکترود متصل نموده و سپس مطابق شکل مقداری آب در چاه ریخته و بنتونیت را به تدریج اضافه می‌کنیم. دانه‌های بنتونیت باید درون آب غرق شوند. ریختن آب و افزودن بنتونیت آن قدر ادامه می‌یابد که الکترود کاملاً با دوغاب بنتونیت پوشیده شود. مابقی چاه با خاک سرندشده پُر می‌شود. در این روش با عمیق‌تر کردن چاه می‌توان الکترود را تا عمق دلخواه در زمین فرو کرد.
ج) اجرای الکترود میله‌ای نوع دوم در چاه
همان گونه که گفته شد، این نوع الکترود را نمی‌توان کوبید، بلکه آن را در یک چاه کنده شده با دستگاه حفاری قرار می‌دهند و اطراف آن را با الکترولیتی مناسب مانند بنتونیت پُر می‌کنند. این چاه‌ها دارای قطر بسیار کمی مثلاً حدود ۱۰ تا ۱۵ سانتی‌متر هستند و برای پر کردن آن‌ها باید از بنتونیت ریزدانه استفاده شود. زیرا دانه‌های درشت به ویژه به علت قطر کم چاه، مشکلاتی ایجاد می‌کنند. الکترود را در چاه طوری آویزان می‌کنیم که نوک آن چند سانتی‌متر بالاتر از کف قرار گیرد. اکنون مقداری آب در چاه ریخته و بنتونیت ریزدانه را به تدریج می‌افزاییم. ریختن آب و بنتونیت به طور هم زمان یا به تناوب، آن قدر ادامه می‌یابد تا ارتفاع آن به حد کافی برسد.
در حقیقت باید از کف تا جایی که خاک آن نمناک است و یا بهتر از آن، تا نزدیکی سطح زمین با بنتونیت پُر شود .
در صورتی که بنتونیت موجود، پودری و نرم باشد، نباید آن را روی سطح آب داخل چاه ریخت و لازم است یک بشکه یا سطل مناسب تهیه کرد و آب و پودر موجود را در آن مخلوط نمود تا به صورت دوغابی یکنواخت در آید. سپس الکترود را مانند قبل آویزان نموده و چاه را تا ارتفاع لازم با دوغاب آماده شده پُر می‌کنیم.
توجه شود که مقدار آب موجود در دوغاب باید طوری تنظیم شود که دوغاب ساخته شده به اندازه‌ی کافی نرم و روان باشد و زوایا و گوشه‌های چاه را به خوبی پُر کند؛ ولی شُل بودن زیاده از حدِ آن نیز باعث می‌شود که حجم دوغاب افزایش یابد، و چون رطوبت بیش از حد چنین دوغابی ماندگار نیست، پس از زمانی کوتاه و با از دست رفتن رطوبت اضافه، شاهد کاهش یافتن حجم الکترولیت و در نتیجه ترک خوردن توده‌ی بنتونیت و سرانجام افزایش مقاومت چاه خواهیم بود. این موضوع کلی‌ست و باید در تمامی روش‌های مختلف اجرای چاه ارت مورد توجه قرار گیرد.
د) اجرای الکترود صفحه‌ای به طور عمودی
برای این کار، نخست ۱۵۰ آب در کف چاه ریخته و بعد حدود ۵۰ کیلوگرم بنتونیت، به تدریج روی سطح آب می‌ریزیم. این کار طوری انجام می‌گیرد که در پایان، آب تنها و یا بنتونیت خشک و بی آب روی سطح باقی نماند. سپس حدود ۱۰ دقیقه صبر می‌کنیم تا بنتونیت خود را بگیرد. در این فرصت می‌توانیم صفحه‌ی مسی را به سیم ارت متصل کنیم. اکنون صفحه‌ی مسی را به کمک سیم متصل به آن به درون چاه می‌فرستیم تا در وسط چاه به طور عمودی روی لایه‌ی بنتونیت بایستد. مهم است که لایه‌ی بنتونیت در فرصت داده شده آن قدر سفت شده باشد که صفحه‌ی مسی در آن فرو نرود. به هر حال، اگر به علت شُل بودن مخلوط ریخته شده و علی رغم صبر کافی، هنوز هم صفحه در لایه اجرا شده فرو می‌رود، می‌باید مقدار کمی صبر کرد تا بنتونیت خشک جدید با جذب مقداری از رطوبت، سطح کار را سفت کند. پس از قرار گرفتن صفحه، آب و بنتونیت به طور هم‌زمان یا به تناوب درون چاه ریخته می‌شوند، به طوری که دانه‌های بنتونیت درون آب غرق شوند. این کار آن قدر ادامه می‌یابد تا سطح بنتونیت حداقل به ۵ سانتی‌متری بالای صفحه برسد. در این مرحله باید حداقل یک ساعت و بهتر از آن چند ساعت صبر کنیم تا دوغاب بنتونیت کاملاً خود را بگیرد. سپس می‌توانیم بقیه‌ی چاه را با خاک سرندشده و نرم پُر کنیم. مهم است که پیش از آغاز ریختن خاک، سطح لایه‌ی بنتونیت آن قدر سفت شده باشد که خاک ریخته شده از بالای چاه درون بنتونیت فرو نرود. برای این کار توصیه می‌شود پس از آن که آب موجود در چاه کاملاً جذب شد، مقداری بنتونیت خشک در حد یک لایه‌ی نازک (حدود ۲ تا ۳ سانتی‌متر) روی لایه‌ی قبلی بریزیم تا پس از گذشت زمان کافی، سطح کار کاملاً قوام یابد. همچنین توصیه می‌شود همراه خاک پُرکننده، مقداری آب نیز به منظور نشست دادن و متراکم کردن آن اضافه شود.
در صورتی که بنتونیت موجود پودری و نرم باشد، به همان شکلی که قبلاً توضیح داده شد، در بیرون چاه آن را به صورت دوغاب یکنواختی در آورده و تا ارتفاع لازم در چاه می‌ریزیم.
معمولاً برای چاهی به قطر حدود ۸۰ سانتی‌متر و صفحه‌ای به ارتفاع ۵۰ سانتی‌متر، حدود ۵۰۰ تا ۷۵۰ کیلوگرم بنتونیت و ۳ برابر آن آب لازم است .