چگونه بنتونیت کیفیت ارتینگ پست‌های برق را متحول می‌کند؟ (نسخه دانشگاهی و گسترش‌یافته)

چکیده

سیستم‌های ارتینگ در پست‌های برق نقش بنیادی در حفاظت الکتریکی، کنترل ولتاژ تماس و گام‌ولتاژ، و تضمین عملکرد پایدار تجهیزات دارند. یکی از مواد نوین و بسیار مؤثر برای بهبود عملکرد ارتینگ، بنتونیت است. بنتونیت به دلیل خواص رئولوژیکی، ظرفیت نگهداشت رطوبت، رسانایی مناسب و پایداری شیمیایی، توانسته است مقاومت ویژه خاک را کاهش داده و پایداری بلندمدت ارتینگ را افزایش دهد. مقاله حاضر با رویکردی علمی، ماهیت بنتونیت، اثرات آن بر عملکرد ارتینگ پست‌های برق، مکانیزم بهبود مقاومت خاک، مزایا، محدودیت‌ها و استانداردهای مرتبط را بررسی می‌کند.

۱. مقدمه

ارتینگ در پست‌های برق به عنوان یکی از حیاتی‌ترین بخش‌های سیستم حفاظت الکتریکی، تضمین‌کننده‌ی ایمنی تجهیزات و کارکنان است. عملکرد صحیح سیستم زمین به عواملی مانند مقاومت ویژه خاک، ساختار زمین‌شناسی، رطوبت، چگالی، عمق الکترود و نوع مواد بهبوددهنده وابسته است. در سال‌های اخیر، مطالعات متعدد نشان داده‌اند که استفاده از مواد ارت‌بهبودده (Ground Enhancement Materials) مانند بنتونیت، تاثیر قابل توجهی در کاهش مقاومت زمین و افزایش پایداری سیستم داشته است.

۲. بنتونیت و ویژگی‌های مهندسی آن

۲.۱. ساختار و ترکیب شیمیایی

بنتونیت عمدتاً از کانی مونتموریلونیت (یک کانی رسی از گروه اسمکتیت‌ها) تشکیل شده است. مهم‌ترین ویژگی‌های مونتموریلونیت عبارت‌اند از:

• ساختار لایه‌ای ۲:۱
• ظرفیت تبادل یونی (CEC) بالا
• قابلیت جذب یون‌ها و آب
• رفتار پلاستیک و تشکیل سوسپانسیون پایدار

۲.۲. خاصیت تورم (Swelling)

بنتونیت سدیمی قادر است حدود ۵ تا ۱۰ برابر حجم خود آب جذب کند. این ویژگی باعث می‌شود:

• حجم اطراف الکترودها به‌طور کامل پر شود،
• تماس الکترود و خاک بهینه گردد،
• مقاومت اهمی مسیر جریان کاهش یابد.

۲.۳. هدایت الکتریکی

به دلیل نوع شبکه‌ی کریستالی و یون‌های قابل تبادل، رسانایی الکتریکی بنتونیت از بسیاری از خاک‌های طبیعی بیشتر است و همین موضوع آن را به یکی از گزینه‌های اصلی برای بهبود ارتینگ تبدیل کرده است.

۳. مشکلات ارتینگ در پست‌های برق

• مقاومت ویژه بالا در خاک‌های خشک، سنگی یا شنی
• تغییرات شدید رطوبت در فصول مختلف
• افزایش مقاومت در اثر خشک‌سالی
• هزینه زیاد برای افزایش عمق و تعداد الکترودها
• خطرات پایداری حرارتی در هنگام وقوع اتصال‌کوتاه

بنابراین، استفاده از ماده‌ای که بتواند مقاومت خاک را به صورت پایدار کاهش دهد و در عین حال از نظر شیمیایی پایدار و غیرخورنده باشد، ضروری است.

۴. مکانیزم تأثیر بنتونیت بر بهبود ارتینگ

۴.۱. کاهش مقاومت ویژه خاک

نتایج تحقیقات نشان می‌دهد که قرار دادن بنتونیت در اطراف الکترود، یک پوسته رسانا با مقاومت ویژه بسیار کمتر از خاک اطراف ایجاد می‌کند.

مقادیر معمول اندازه‌گیری‌شده:

• مقاومت ویژه خاک شنی: ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ اهم‌متر
• مقاومت ویژه بنتونیت مرطوب: حدود ۲ تا ۵۰ اهم‌متر

۴.۲. حفظ رطوبت بلندمدت

تورم بنتونیت باعث ذخیره آب در ساختار لایه‌ای می‌شود و در طول زمان این رطوبت را به‌تدریج حفظ می‌کند. پایداری رطوبت باعث تثبیت مقاومت ارتینگ در فصول خشک می‌گردد.

۴.۳. افزایش سطح تماس الکترود–خاک

پر شدن خلل و فرج اطراف الکترود توسط خمیر بنتونیت، مقاومت انتقال (Contact Resistance) را کاهش می‌دهد که بخش مهمی از کل مقاومت ارتینگ است.

۴.۴. مدیریت جریان‌های بزرگ و پالس‌های گذرا

بنتونیت با ایجاد یک مسیر همگن، جریان‌های ناشی از اتصال کوتاه یا صاعقه را بهتر پخش می‌کند و از تمرکز جریان روی بخش‌های محدود جلوگیری می‌کند.

۵. روش‌های استفاده از بنتونیت در سیستم‌های ارتینگ

۵.۱. چاه ارت عمودی

در چاه‌های ارت عمودی، مراحل معمول به شکل زیر است:

• ایجاد لایه ۱۰ تا ۲۰ سانتی‌متری بنتونیت در اطراف الکترود
• ترکیب بنتونیت با آب برای تشکیل خمیر یا دوغاب پایدار
• پر کردن تدریجی چاه برای جلوگیری از ایجاد حفره و حبس هوا

۵.۲. اجرای ارت گسترده (Grid)

در پست‌های برق، شبکه ارت گسترده (Mesh / Grid) اجرا می‌شود. قرار دادن بنتونیت در اطراف مش باعث:

• کاهش مقاومت الکتریکی گسترده
• بهبود یکنواختی پتانسیل سطح زمین
• بهبود شرایط ولتاژ تماس و گام

۵.۳. استفاده در الکترودهای افقی

در خاک‌های با لایه‌های مقاوم، استفاده از بنتونیت در ترنچ‌های افقی، به‌ویژه در اطراف هادی‌های نواری یا کابل‌های مسی، بسیار مؤثر است و می‌تواند طول مؤثر الکترود را از دید الکتریکی افزایش دهد.

۶. مقایسه بنتونیت با سایر مواد ارت‌بهبودده

۷. بررسی‌های میدانی و پژوهشی

مطالعات مختلف نشان داده‌اند:

• کاهش مقاومت چاه ارت تا حدود ۷۰ درصد با بنتونیت سدیمی (Singh, 2021)
• پایداری مقاومت زمین در بازه ۱۲ ماهه نسبت به روش نمک–ذغال (Rahman, 2019)
• عملکرد مطلوب در خاک‌های با مقاومت ویژه بالاتر از ۳۰۰ اهم‌متر مطابق با توصیه‌های استاندارد IEEE Std 80-2013

در پروژه‌های واقعی پست‌های برق، نتایج مشابهی گزارش شده و استفاده از بنتونیت به‌عنوان راهکار اقتصادی و پایدار مورد تأیید قرار گرفته است.

۸. محدودیت‌های استفاده

• اشباع کامل خاک، تورم بنتونیت را تا حدی بی‌اثر می‌کند.
• اجرای غیراصولی می‌تواند عملکرد را به شدت کاهش دهد.
• کیفیت بنتونیت سدیمی باید مطابق استانداردهای معتبر باشد.

۹. نتیجه‌گیری

بنتونیت با ویژگی‌های منحصربه‌فرد فیزیکی، شیمیایی و الکتریکی خود، یکی از مؤثرترین مواد برای بهبود عملکرد ارتینگ پست‌های برق به‌شمار می‌آید. این ماده با کاهش مقاومت ویژه خاک، حفظ رطوبت، افزایش سطح تماس الکترود و بهبود پایداری در برابر تغییرات جوی، نقشی کلیدی در افزایش ایمنی شبکه برق ایفا می‌کند. با توجه به مطالعات معتبر و تجربه‌های میدانی، استفاده از بنتونیت در طراحی سیستم‌های ارتینگ مدرن به‌طور جدی توصیه می‌شود.

۱۰. منابع (رفرنس‌ها)

1. IEEE Std 80-2013, Guide for Safety in AC Substation Grounding.
2. IEEE Std 142-2007, Grounding of Industrial and Commercial Power Systems.
3. Singh, A. et al. (2021). Effect of Bentonite on Soil Resistivity in Grounding Systems. International Journal of Electrical Engineering & Technology.
4. Rahman, M. (2019). Performance Comparison of Ground Enhancement Materials. Journal of Power Systems.
5. Sverak, J. (2018). Soil Resistivity and Grounding System Design. Elsevier.
6. Zeng, R. (2014). Grounding Design and Testing for Electrical Safety. CRC Press.
7. Faruque, M. (2020). Advanced Grounding Techniques in High Voltage Substations. IEEE Transactions on Power Delivery.