بررسی فنی اقلام، اصول اجرا و ارزیابی عملکرد جوش احتراقی (Cadweld) در سیستم های ارتینگ محصولات شرکت مهندسی نیرو ایستا

دپارتمان تحقیق و توسعه (R&D) شرکت مهندسی نیرو ایستا بررسی فنی اقلام، اصول اجرا و ارزیابی عملکرد جوش احتراقی (Cadweld) در سیستم های ارتینگ با محصولات شرکت مهندسی نیرو ایستا

چکیده

امروزه افزایش سطح ایمنی در تاسیسات الکتریکی، پست های انتقال و توزیع، صنایع نفت و گاز، مخابرات، نیروگاه ها و ساختمان های حساس، وابستگی مستقیمی به عملکرد صحیح سیستم ارتینگ دارد. مهم ترین بخش یک سیستم زمین، کیفیت اتصالات آن است؛ زیرا هرگونه افزایش مقاومت در نقاط اتصال می تواند موجب اختلال در تخلیه جریان های خطا و صاعقه، افزایش ولتاژ تماس و کاهش قابلیت اطمینان سیستم حفاظتی شود.

اتصالات مکانیکی نظیر بست ها و کلمپ ها اگرچه در بسیاری از پروژه ها مورد استفاده قرار می گیرند، اما در معرض خوردگی، اکسیداسیون، شل شدگی ناشی از سیکل های حرارتی و افزایش تدریجی مقاومت الکتریکی قرار دارند. در مقابل، جوش احتراقی (Exothermic Welding یا Cadweld) با ایجاد پیوند متالورژیکی دائمی میان هادی ها، به عنوان مطمئن ترین روش اتصال در شبکه های زمین شناخته می شود.

در این مقاله ضمن تشریح مبانی علمی و شیمیایی فرآیند جوش احتراقی، تجهیزات و اقلام مورد نیاز اجرای آن معرفی شده و ویژگی های فنی محصولات شرکت مهندسی نیرو ایستا مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین اصول اجرای صحیح، معیارهای کنترل کیفیت بر اساس استانداردهای بین المللی IEEE 837 و UL 467 و مزایای اقتصادی و فنی استفاده از محصولات بومی مورد تحلیل قرار گرفته است.

کلمات کلیدی: جوش احتراقی، کدولد، ارتینگ، قالب گرافیتی، پودر جوش، IEEE 837، UL 467، شرکت مهندسی نیرو ایستا.

۱. مقدمه

سیستم ارتینگ به عنوان نخستین لایه حفاظتی در برابر جریان های خطا و اضافه ولتاژهای ناشی از صاعقه، نقش اساسی در حفاظت از جان انسان ها و تجهیزات ایفا می کند. مطابق استانداردهای بین المللی نظیر BS 7430 و الزامات مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان، شبکه زمین باید دارای پایداری الکتریکی و مکانیکی در تمام طول عمر بهره برداری تاسیسات باشد.

یکی از مهم ترین عوامل موثر بر عملکرد شبکه زمین، کیفیت اتصالات بین اجزای آن است. بسیاری از خرابی های مشاهده شده در شبکه های ارت ناشی از افزایش مقاومت نقاط اتصال مکانیکی است. این افزایش مقاومت می تواند ناشی از موارد زیر باشد:

• اکسیداسیون سطح تماس؛
• خوردگی گالوانیکی ناشی از اختلاف پتانسیل فلزات؛
• نفوذ رطوبت و مواد شیمیایی خاک؛
• تنش های مکانیکی؛
• انبساط و انقباض ناشی از عبور جریان های شدید.

در جریان تخلیه صاعقه که ممکن است به ده ها یا حتی صدها کیلوآمپر برسد، نقاط اتصال ضعیف به کانون تولید حرارت تبدیل شده و احتمال ذوب شدن یا قطع مسیر تخلیه افزایش می یابد.

به همین دلیل، استفاده از جوش احتراقی در پروژه های حساس به عنوان یک الزام فنی مطرح شده و در بسیاری از استانداردهای معتبر جهان توصیه گردیده است.

۲. تاریخچه و جایگاه جوش احتراقی در صنعت برق

فرآیند جوش احتراقی نخستین بار در اوایل قرن بیستم توسعه یافت و به تدریج جایگزین اتصالات مکانیکی در پروژه های حساس شد.

امروزه این روش در صنایع زیر کاربرد گسترده دارد:

• پست های فشار قوی و فوق توزیع؛
• نیروگاه های حرارتی و تجدیدپذیر؛
• پالایشگاه ها و پتروشیمی ها؛
• صنایع فولاد و معادن؛
• دکل های مخابراتی و BTS؛
• خطوط راه آهن و مترو؛
• ساختمان های بلندمرتبه؛
• سامانه های حفاظت در برابر صاعقه.

دلیل این استقبال، قابلیت ایجاد اتصال دائمی با مقاومت نزدیک به صفر و طول عمر برابر با خود هادی است.

۳. مکانیزم شیمیایی و متالورژیکی جوش احتراقی

اساس فرآیند کدولد، واکنش آلومینوترمیک میان اکسید مس و آلومینیوم است.

واکنش کلی به صورت زیر بیان می شود:

3Cu2O+2Al→6Cu+Al2O3+Heat3Cu_2O + 2Al \rightarrow 6Cu + Al_2O_3 + Heat3Cu2​O+2Al→6Cu+Al2​O3​+Heat

در این واکنش:

• آلومینیوم نقش عامل احیاکننده دارد؛
• اکسید مس به مس خالص تبدیل می شود؛
• اکسید آلومینیوم به صورت سرباره تشکیل می شود؛
• انرژی حرارتی بسیار زیادی آزاد می گردد.

دمای ایجاد شده معمولا بین ۱۴۰۰ تا ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد است.

مس مذاب حاصل، هادی های مسی را ذوب کرده و پیوند متالورژیکی دائمی ایجاد می کند.

اکسید آلومینیوم به دلیل چگالی کمتر در قسمت فوقانی قالب باقی مانده و پس از پایان واکنش تخلیه می شود.

۴. مزایای فنی جوش کدولد نسبت به اتصالات مکانیکی

استفاده از جوش احتراقی دارای مزایای متعددی است که مهم ترین آن ها عبارت اند از:

مزایای الکتریکی

• مقاومت بسیار پایین اتصال؛
• عدم افزایش مقاومت در طول زمان؛
• توانایی عبور جریان های شدید صاعقه؛
• حذف مقاومت تماسی.

مزایای مکانیکی

• استحکام بالا؛
• مقاومت در برابر لرزش؛
• عدم شل شدن اتصال؛
• عدم نیاز به آچارکشی دوره ای.

مزایای محیطی

• مقاومت در برابر رطوبت؛
• مقاومت در برابر خوردگی خاک؛
• مقاومت در برابر مواد شیمیایی؛
• عملکرد مناسب در شرایط اقلیمی مختلف.

مزایای اقتصادی

• کاهش هزینه تعمیرات؛
• حذف هزینه های نگهداری؛
• افزایش طول عمر شبکه زمین؛
• کاهش ریسک خرابی تجهیزات.

۵. سبد محصولات جوش احتراقی شرکت مهندسی نیرو ایستا

شرکت مهندسی نیرو ایستا با بهره گیری از دانش فنی داخلی و نیازسنجی پروژه های اجرایی، مجموعه کاملی از تجهیزات جوش احتراقی را ارائه می کند.

۵-۱. پودر جوش احتراقی

پودرهای نیرو ایستا در گرماژهای مختلف تولید می شوند:

• ۶۵ گرم؛
• ۹۰ گرم؛
• ۱۱۵ گرم؛
• ۱۵۰ گرم؛
• ۲۰۰ گرم؛
• ۲۵۰ گرم.

ویژگی های فنی

• خلوص بالای اکسید مس؛
• دانه بندی یکنواخت؛
• تولید حرارت کنترل شده؛
• دود کم (Low Smoke)؛
• فاقد گوگرد و فسفر مضر؛
• بسته بندی ایمن.

یکی از ویژگی های مهم این محصولات، جداسازی پودر استارت از پودر اصلی است که موجب افزایش ایمنی در حمل و نگهداری می شود.

۵-۲. قالب های گرافیتی

قالب های گرافیتی نیرو ایستا از گرافیت متراکم و ریزدانه تولید می شوند.

مزایای آن ها عبارت اند از:

• مقاومت حرارتی بالا؛
• کاهش احتمال نشت مذاب؛
• دقت ابعادی مناسب؛
• قابلیت استفاده مکرر.

در صورت نگهداری صحیح، عمر این قالب ها بین ۵۰ تا ۷۰ جوش خواهد بود.

انواع قالب ها

• سیم به سیم؛
• سیم به میله ارت؛
• سیم به صفحه مسی؛
• تسمه به تسمه؛
• سیم به آرماتور؛
• سیم به سازه فلزی؛
• اتصال کابل به شینه.

۵-۳. دستگیره قالب

این تجهیزات برای نگهداری و قفل نمودن قالب استفاده می شوند.

ویژگی ها:

• مکانیزم قفل اهرمی؛
• جلوگیری از باز شدن ناگهانی؛
• افزایش ایمنی اپراتور؛
• سهولت اجرا.

۵-۴. پولکی نگهدارنده

پولکی در کف بوته قرار می گیرد و مانع ریزش پودر به داخل محفظه جوش می شود.

این قطعه نقش مهمی در شکل گیری صحیح اتصال دارد.

۵-۵. خمیر آب بندی

خمیر آب بندی نیرو ایستا برای جلوگیری از نشت مذاب استفاده می شود.

کاربرد آن در موارد زیر اهمیت بیشتری دارد:

• سیم های تغییر شکل یافته؛
• قالب های مستهلک؛
• اتصالات خاص.

۵-۶. تجهیزات جانبی

شامل:

• فندک سنگ دار؛
• برس نرم تمیزکننده؛
• کاردک تخلیه سرباره؛
• تجهیزات حمل قالب.

۶. دستورالعمل اجرای صحیح جوش کدولد

کیفیت نهایی جوش علاوه بر کیفیت تجهیزات، وابسته به نحوه اجرا است.

مرحله اول: آماده سازی

تمام سطوح باید از چربی، اکسید و آلودگی پاک شوند.

مرحله دوم: خشک کردن قالب

رطوبت بزرگ ترین دشمن جوش احتراقی است.

وجود آب در قالب ممکن است باعث:

• پرتاب مذاب؛
• ایجاد تخلخل؛
• کاهش کیفیت اتصال شود.

مرحله سوم: مونتاژ

هادی ها در محل مناسب قرار گرفته و قالب قفل می شود.

در صورت نیاز از خمیر آب بندی استفاده می شود.

مرحله چهارم: بارگذاری

• قرار دادن پولکی؛
• ریختن پودر اصلی؛
• افزودن پودر استارت.

مرحله پنجم: اشتعال

به کمک فندک سنگ دار، واکنش آغاز می شود.

کل فرآیند در کسری از ثانیه انجام می شود.

مرحله ششم: سرد شدن

حداقل ۲۰ تا ۳۰ ثانیه برای انجماد کامل زمان لازم است.

مرحله هفتم: تخلیه سرباره

قالب باز شده و سرباره خارج می شود.

مرحله هشتم: تمیزکاری

تمیز کردن قالب باعث افزایش عمر مفید آن خواهد شد.

۷. کنترل کیفیت بر اساس استاندارد IEEE 837

اتصالات اجرا شده باید تحت آزمون های کنترل کیفیت قرار گیرند.

الف) بازرسی ظاهری

موارد قابل بررسی:

• یکنواختی سطح؛
• عدم وجود ترک؛
• عدم وجود حفره؛
• پرشدگی کامل.

ب) آزمون مکانیکی

ضربه کنترل شده با چکش انجام می شود.

اتصال نباید:

• ترک بخورد؛
• جدا شود؛
• تغییر شکل شدید پیدا کند.

ج) آزمون مقاومت الکتریکی

توسط میکرو اهم متر انجام می شود.

طبق IEEE 837:

مقاومت اتصال نباید بیشتر از مقاومت هادی هم طول باشد.

د) آزمون عبور جریان

در آزمایشگاه های تخصصی، توان تحمل جریان های شدید مورد ارزیابی قرار می گیرد.

۸. ملاحظات ایمنی هنگام اجرا

رعایت اصول ایمنی الزامی است.

اپراتور باید از تجهیزات زیر استفاده کند:

• دستکش نسوز؛
• عینک ایمنی؛
• لباس کار مقاوم؛
• کفش ایمنی.

همچنین باید از اجرای جوش در مجاورت مواد اشتعال زا خودداری شود.

۹. نقش نیرو ایستا در بومی سازی فناوری جوش احتراقی

توسعه فناوری های بومی در شرایط کنونی کشور، علاوه بر کاهش وابستگی، موجب افزایش امنیت تامین تجهیزات می شود.

شرکت مهندسی نیرو ایستا توانسته است با ارائه محصولات استاندارد:

• نیاز پروژه های داخلی را تامین نماید؛
• هزینه های ارزی را کاهش دهد؛
• خدمات مشاوره فنی ارائه دهد؛
• آموزش اجرای صحیح جوش احتراقی را توسعه دهد؛
• پشتیبانی فنی پروژه ها را بر عهده گیرد.

این اقدامات سبب شده است پیمانکاران، مشاوران و کارفرمایان با اطمینان بیشتری از محصولات داخلی استفاده کنند.

۱۰. نتیجه گیری

کیفیت اتصالات در شبکه های ارتینگ، تضمین کننده عملکرد صحیح کل سیستم حفاظتی است. تجربه های اجرایی و مطالعات استاندارد نشان می دهد که جوش احتراقی نسبت به اتصالات مکانیکی، از نظر هدایت الکتریکی، دوام مکانیکی و مقاومت در برابر عوامل محیطی عملکرد بسیار مطلوب تری دارد.

استفاده از تجهیزات استاندارد، رعایت اصول اجرایی و انجام کنترل کیفیت مطابق استانداردهای بین المللی، سه رکن اساسی موفقیت در اجرای جوش کدولد محسوب می شوند.

محصولات جوش احتراقی شرکت مهندسی نیرو ایستا با بهره گیری از مواد اولیه مناسب، طراحی مهندسی و کنترل کیفی دقیق، توانسته اند پاسخگوی نیاز طیف وسیعی از پروژه های صنعتی و ساختمانی باشند. توسعه این فناوری بومی، گامی مهم در ارتقای کیفیت شبکه های ارتینگ کشور، کاهش وابستگی به واردات و افزایش ایمنی تاسیسات الکتریکی محسوب می شود.

مراجع

1. IEEE Std 837-2014, IEEE Standard for Qualifying Permanent Connections Used in Substation Grounding.
2. UL 467, Grounding and Bonding Equipment, Underwriters Laboratories.
3. BS 7430:2011+A1:2015, Code of Practice for Protective Earthing of Electrical Installations.
4. NFPA 780, Standard for the Installation of Lightning Protection Systems.
5. مبحث سیزدهم مقررات ملی ساختمان ایران، طرح و اجرای تاسیسات برقی ساختمان ها.
6. IEC 62561 Series, Lightning Protection System Components.
7. کتابچه راهنمای سیستم های ارتینگ و جوش احتراقی، دپارتمان تحقیق و توسعه شرکت مهندسی نیرو ایستا، ویرایش ۱۴۰۲.
8. اسناد فنی و کاتالوگ محصولات جوش احتراقی شرکت مهندسی نیرو ایستا.
9. وب سایت رسمی : شرکت مهندسی نیرو ایستا: www.niroista.com