भूसंपर्कन प्रणाली (Earthing system) ही विद्युत यंत्रणेतील अत्यंत महत्त्वाची प्रणाली आहे. यंत्रणेतील उपकरणे आणि ती हाताळणारे तंत्रज्ञ यांच्या सुरक्षेसाठी योग्य पद्धतीने आरेखित (Design) केलेली भूसंपर्कन प्रणाली अनिवार्य असते. यंत्रणेत लघु परिपथ (Short circuit), कोणत्याही उपकरणावर तडिताचा (Lightning) आघात, कोणत्याही उपकरणावर, वाहिनीवर, केबलवर, संरचनेवर प्रेरित धारा / व्होल्टता (Induced current / voltage) अशी कोणतीही घटना झाली असताना, नियंत्रण व रक्षण (Control & Protection) प्रणालीचे योग्य परिकर्म (Operation) सुयोग्य भूसंपर्कन प्रणालीशिवाय शक्य नसते.
विद्युत यंत्रणेत भू-दोष (Earth-fault) झाला असताना विद्युत धारा संबंधित विद्युत इलेक्ट्रोड, भूसंपर्क जाळी (Earthmat) आणि त्यानंतर भूगर्भातून वहन होऊन उगम स्थानाच्या विद्युत इलेक्ट्रोडमधून परिक्रमा पूर्ण (Close loop formation) होते. भू-दोष घटनेमध्ये विद्युत धारा भूगर्भातून संक्रमित होत असते, त्यामुळे भूगर्भाचे विद्युत गुणधर्म महत्त्वाचे ठरतात.
रोधकता (Resistivity) : भूगर्भाचे विद्युत गुणधर्म त्याच्या रोधकता मापनावरून समजू शकतात. रोधकता लॅटिन ‘ऱ्हो’ या अक्षराने दाखविली जाते. विद्युत रोधकता आणि वाहकता यांचे प्रमाण व्यस्त असते. भूगर्भाच्या रचनेत मुख्यत: ॲल्युमिनोसिलिकेटे, ॲल्युमिनियम आणि लोह यांचे ऑक्साइड आढळतात. हे विद्युत विरोधक म्हणून गणले जातात. परंतु भूगर्भात आर्द्रता, क्षार, कुजलेले सेंद्रिय पदार्थ मिसळले असल्यामुळे भूगर्भाची रोधकता कमी होते. रूडेनबर्ग (Rudenberg) यांनी त्यांच्या लेखाद्वारे रोधकता आणि त्याचे भूगर्भात मिसळलेले क्षार, त्याची आर्द्रता आणि तापमान यातील संबंध मांडला. आ. १ मध्ये आलेखाद्वारे हे संबंध दाखवले आहेत.
साधारणत: आर्द्रतेचे प्रमाण २०-२२ टक्क्यांपर्यंत येईपर्यंत, तसेच विद्राव्य क्षारामुळे रोधकता कमी होत जाते. मात्र त्यानंतर आर्द्रता वाढूनही रोधकतेत फारसा फरक पडत नाही. तापमान शून्याच्या खाली असताना रोधकता खूपच वाढते. काळी माती असलेली भूमी जास्त काळ आर्द्रता टिकवू शकते, त्यामुळे त्या मातीची रोधकता कमी असते. त्याउलट वालुकामय भूमीतून पाण्याचा निचरा त्वरित होतो, परिणामत: त्याची रोधकता अधिक असते. भूगर्भातील निरनिराळ्या थरांमध्ये आर्द्रता, क्षारांचे प्रमाण भिन्न असू शकते. त्यामुळे प्रत्येक थराची रोधकता भिन्न असू शकते. भूसंपर्कन प्रणालीचे संकल्पन करण्यासाठी सदर भूमीची रोधकता मापन करणे आवश्यक असते.
रोधकता मापन : रोधकता मापनासाठी भूपरिक्षित्राचा (Earth tester) उपयोग करतात. यासाठी अनेक पद्धती आहेत, मात्र त्यातील दोन पद्धती सामान्यपणे वापरल्या जातात. यासाठी चार टोके असलेले भूपरिक्षित्र वापरले जाते.
वेन्नर पद्धती (Wenner’s method) : डॉ. फ्रँक वेन्नर (Dr. Frank Wenner) यांनी १९१५ मध्ये भूमीचा रोध मोजण्यासाठी कल्पना मांडली. आ. २ मध्ये मापनाची पद्धत दाखवली आहे.
ज्या जागेची रोधकता मोजण्याची आहे, त्या जागी एका रेषेत समान अंतरावर (a) चार शोधाग्रे (Probes) जमिनीत उभी केली जातात. भूपरिक्षित्राचे विभव अग्र (Potential terminal ) – P1,P2 मधील दोन शोधाग्रांना तारेच्या मार्फत जोडले जातात. प्रवाह अग्र (Current terminal) – C1, C2 बाहेरील दोन शोधाग्रांना तारेच्या मार्फत जोडले जातात. भूपरिक्षित्र कार्यान्वित केल्यावर दोन प्रवाह अग्रांमार्फत भूमीतून प्रवाह (I) संक्रमित केला जातो आणि विभव अग्रे त्यामधील विभवांतर (Potential difference- V) नोंदतात. (V/I) यांचे गुणोत्तर म्हणजेच तेथील जमिनीचा रोध (Resistance- R) होय. भूपरिक्षित्रावर रोधाचे (R) मापन ओहम (Ω) मध्ये दाखविले जाते. त्या रोधावरून आ. २ मध्ये डावीकडे दाखविलेल्या सूत्राने, a, b, R, π (३.१४. .) यांच्या किमती घालून रोधकता काढता येते. शोधाग्राची टोके, शोधाग्रामधील अंतराच्या (a) १०% पेक्षा कमी खोल (b) असतील, तेव्हा आकृतीतील उजवीकडे दाखविलेल्या सोप्या सूत्राने रोधकता काढता येते.
शोधाग्रामधील अंतर १ मी., २ मी., ५ मी., १० मी. अशा तऱ्हेने भूखंडाच्या आकारमानाप्रमाणे ५०-१०० मी. पर्यंत ठेवून, रोध आणि पर्यायाने रोधकता नोंदवली जाते.
स्लंबर्जर-पामर पद्धती (Schlumberger–Palmer method) : मोठ्या भूखंडामध्ये जेव्हा प्रवाह अग्र (Current terminal) आणि विभव अग्र (Potential terminal) यामधील अंतर बरेच वाढते, तेव्हा विभव अग्रांतील विभवांतर क्षीण होते. काही भूपरिक्षित्रांनी त्याचे योग्य मापन न झाल्याने चुकीचे मापन होऊ शकते. वेन्नर पद्धतीतील ही उणीव श्लंबर्गर-पालमर/स्लंबर्जर-पामर पद्धतीने दूर होते.
आंतरराष्ट्रीय मानक IEEE Std.८१ नुसार या पद्धतीत आतील दोन शोधाग्रे – विभव अग्र – शक्य तितकी जवळ ठेवली जातात आणि त्यांच्यातील अंतर सर्व मापनात कायम राखले जाते. बाहेरील दोन अग्रांमधील अंतर प्रत्येक मापनात बदलले जाते. वर उल्लेख केल्याप्रमाणे अंतर १ मी., २ मी. .. वगैरे भूखंडाच्या आकारमानाप्रमाणे ५०-१०० मी. पर्यंत ठेवून, रोध आणि पर्यायाने रोधकता नोंदवली जाते. शोधाग्रांमधील अंतरापेक्षा, जमिनीत शोधाग्राची टोके कमी खोलीवर असावी.
भूपरिक्षित्र कार्यान्वित केल्यावर त्याचे कार्य वेन्नर पद्धतीत उल्लेख केल्याप्रमाणे होऊन भूपरिक्षित्रावर रोधाचे (R) मापन ओहम (Ω) मध्ये दाखविले जाते. त्या रोधावरून आ. ३ मध्ये दाखविलेल्या सूत्राने, c , d, R, π (३.१४. .) यांच्या किमती घालून रोधकता काढता येते.
मापनांचे पृथक्‍करण : वरील दोन्ही पद्धतींत, भूखंडात अनेक ठिकाणी निरीक्षणे घेणे आवश्यक असते. मापनाचे वेळी प्रवाह अग्र आणि विभव अग्र या मधील अंतर क्ष मीटर असेल, तर भूपरिक्षित्रावर भूमी खालील क्ष मीटर खोलीवरील रोधाचे मूल्य दिसते आणि पर्यायाने त्या खोलीवरील रोधकता कळते. भूपृष्ठाखालील निरनिराळ्या थरांवर आर्द्रता, क्षारांचे प्रमाण भिन्न असू शकते. त्यामुळे प्रत्येक थराची रोधकता भिन्न असू शकते. एका ठिकाणी अंतरे बदलून निरीक्षणे घेतल्यावर त्याच ठिकाणी ९० अंशाने वळवून तीच निरीक्षणे घेतल्याने भूगर्भाच्या रोधकतेची कल्पना येते. त्या सर्व निरीक्षणांची सरासरी काढली जाते. साधारणत: सरासरीच्या अंकाच्या + ३०% च्या पट्ट्यात बहुतेक निरीक्षणे असतील, तर भूगर्भाचे विद्युत गुणधर्म एकजिनसी (Uniform) आहेत असे समजले जाते. तसे नसल्यास बहुस्तरीय (Multi-layered) आहेत असे समजतात आणि त्या प्रतिमानाच्या (Model) पद्धतीने जमिनीची विभिन्न खोलीवरील भिन्न रोधकता काढली जाते.
वर उल्लेख केल्याप्रमाणे रोधकता आर्द्रतेच्या प्रमाणानुसार बदलते. पावसाळ्यात भूगर्भातील पाण्याची पातळी चांगली असल्याने रोधकतेचे मूल्य कमी येते. तेव्हा भूगर्भाचे योग्य मूल्यमापन होण्याचे दृष्टीने कोरड्या हवामानात (भारतात मार्च / एप्रिल महिन्यात) आणि कमी तापमानात निरीक्षणे घेणे इष्ट होय.
भूसंपर्कन रोध : नियंत्रण व रक्षण प्रणालीच्या दृष्टीने भूसंपर्कन प्रणालीचा विद्युत रोध हा कमीत कमी असणे आवश्यक असते. रोध हा रोधकतेवर अवलंबून असतो आणि रोधकता तेथील भूगर्भाच्या रचनेवर अवलंबून असते. रोधकता कमी करण्यासाठी इलेक्ट्रोड बिंदूत ठराविक वेळाने पाणी घालून भूमीतील आर्द्रता वाढविली जाते. भूगर्भात जस जसे खोल जावे तशी आर्द्रता वाढते, त्यामुळे जास्त खोलीचे इलेक्ट्रोड बसवितात. इलेक्ट्रोडच्या भोवतालच्या मातीत काही रासायनिक घटक मिसळले जातात. मीठ, मॅग्नेशियम / कॉपर सल्फेट, कॅल्शियम क्लोराइड असे घटक वापरले जातात.
बेंटोनाइट माती हा एक सामान्यपणे वापरला जाणारा घटक आहे. बेंटोनाइट माती वजनाच्या पाचपट पाणी शोषून घेऊन आकारमान सु. १३ पट वाढते आणि शोषलेली आर्द्रता दीर्घ काळ टिकवून ठेवते. अशा तऱ्हेने मिसळलेले घटक पावसाच्या पाण्याने वाहून जातात त्यामुळे काही कालावधीने त्याचे पुनर्भरण करावे लागते.
भूसंपर्कन प्रणालीचे संकल्पन करताना रोधकतेचे मूल्य हा एक अत्यावश्यक मापदंड असतो.
पहा : भूपरिक्षित्र, प्रत्यावर्ती धारा विद्युत उपकेंद्र : भूसंपर्कन प्रणालीचे संकल्पन, विद्युत उपकेंद्रीय भूसंपर्कन : वाहीची निवड.
संदर्भ :
• IEEE Std 81- 2012, IEEE Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and Earth Surface Potentials of a Grounding System
• Mata Prasad, Dr. J.K. Arora et al. (Editor) Manual on Earthing of AC Power Systems; Central Board of Irrigation & Power, New Delhi; Publication No. 302 & 311.
• Reinhold Rudenberg, Grounding Principles and Practices-Part 1, Fundamental Considerations on Grounding Currents, Electrical Engineering. Jan 1945.
समीक्षक : विनय जोशी
