هنگام اجرای سیستم الکتریکی عمومی، مسئله ایمنیِ مصرف‌کنندگان و انتخاب روش ارتینگ مناسب برای شبکه توزیع برق از مباحث مهم است. سیستم‌های ارتینگ مختلفی شامل TN ،TT و IT توسط استاندارد بین‌المللی IEC تعریف شده‌اند. در ایران، استاندارد تعیین شده TN-C است که زیرمجموعه سیستم TN به شمار می‌رود.
در این مقاله به مشکلات و کاستی‌های پیاده‌سازی این استاندارد در کشور اشاره شده است و در ادامه، یکی از ایرادات رایج در سیستم‌های TN-C-S که قطعی اتصال PEN است بررسی شده و خطرات رخ دادن آن شرح داده شده است. با آکادمی ماهر همراه باشید.
با توجه به اینکه اجرای سیستم ارتینگ از مهمترین راهکارهای حفظ ایمنی افراد در برابر برق‌گرفتگی به شمار می‌رود، یادگیری این مهارت برای مهندسان برق بسیار سودمند است. برای یادگیری بیشتر به دوره آموزش ارتینگ مراجعه کنید.
سیستم ارتینگ عمومی در ایران
در استاندارد برق ایران تصریح شده که شبکه‌های توزیع فشار ضعیف باید با آرایش TN زمین شوند. گرچه در این بند به وضوح گفته نشده که از کدام‌یک از انواع TN-S ،TN-C یا TN-C-S باید استفاده شود، اما توضیحات بعدی این بند در مورد سیم PEN نشان از سیستم TN-C دارد. زیرا فقط در این سیستم است که هادی حفاظتی (PE) و هادی نول (N) مشترک هستند.
به طور کلی، آرایش مناسب برای شبکه داخلی منازل مشترکین TN-S یا TN-C-S است. اگر کل سیستم فشار ضعیف ایران از ترانسفورماتور توزیع تا پریز برق داخل تأسیسات مشترکین در نظر گرفته شود، سیستم TN-C-S و هر گاه از ترانسفورماتور توزیع تا نقطه تحویل (کنتور برق مشترکین) مد نظر قرار گیرد، سیستم TN-C جاری خواهد بود.
اما چرا سیستم TN-C برای ایران انتخاب شده است در حالی که در برخی کشورهای دنیا از سیستم‌های دیگر مانند TT به استفاده می‌شود؟ اساس استراتژی حفاظتی شبکه‌های توزیع ایران، بر مبنای حفاظت «اضافه‌جریان» است که به‌وسیله فیوز یا کلید اتوماتیک انجام می‌شود. در سیستم‌های ارتینگ TT و IT جریان اتصال‌کوتاه آن‌قدر بالا نیست که بتواند در مدت زمان کوتاه و ایمن تجهیزات حفاظتی را به واکنش وادارد و جریان الکتریکی را قطع کند؛ اما در سیستم TN این مزیت وجود دارد.
در بین سه زیرمجموعه سیستم TN، سیستم TN-C کمترین هزینه اجرا را دارد. به همین دلیل، این سیستم برای شبکه توزیع عمومی مناسب است. با توجه به گستردگی زیاد شبکه توزیع فشار ضعیف، هزینه اجرای آن اهمیت زیادی دارد. چنانچه برای مثال، به‌جای TN-C از TN-S استفاده شود، شبکه توزیعِ پنج‌رشته‌ای فعلی (سه فاز، نول و معابر) باید با شش سیم اجرا می‌شد (سه فاز، نول، هادی حفاظتی و معابر). استفاده از یک سیم بیشتر در شبکه برق سراسری به معنی افزایش قابل توجه هزینه است.
گرچه جزئیات سیستم TN-C در استانداردهای معتبر به روشنی ذکر شده، اما پیاده‌سازی عملی آن در شبکه توزیع فشار ضعیف ایران همواره با ابهامات، چالش‌ها و اشتباهات زیادی مواجه بوده است. اغلب این موارد ریشه در کم‌اطلاعی مهندسان و بهره‌برداران توزیع از ماهیت و اصول اساسی سیستم TNC داشته است. ناآگاهی از مفاد و استانداردها (حتی استاندارد زمین وزارت نیرو) هم مشکلاتی را به آن افزوده است.
چرا قطع PEN در یک سیستم TN-C-S خطرناک است؟
به دنبال قطع PEN ولتاژ هادی نول (N) و هادی حفاظتی (PE) مشترکین (مصرف کنندگان)، در نقاط پس از پارگی نسبت به زمین آرام افزایش می‌یابد. این می‌تواند باعث افت یا اضافه ولتاژ روی بارهای سمت مصرف‌کننده شود. در واقع با جدایی PEN از نقطه ستاره منبع، اندازه ولتاژ این هادی، متغیر و مخالف صفر است و حالتی شناور (Floating) پیدا می‌کند.
از سویی، چون ولتاژ PEN در این شرایط، ماهیتی بُرداری دارد، بسته به مقدار زاویه فازش می‌تواند با ولتاژ فازها دارای اختلاف زاویه کم یا زیادی باشد. شکل ۱ سه حالت PEN سالم (با ولتاژ صفر)، قطع PEN با اختلاف فاز کم نسبت به فاز A و قطع PEN با اختلاف فاز زیاد نسبت به فاز A را به ترتیب در تصاویر (الف) تا (ج) نشان داده است.
می‌توان دید که اگر اختلاف فاز دو بردار VA و VN مانند شکل (ب) کوچک باشد، مشترکی که به خط سرویس متصل به فاز A و N وصل است، دچار افت ولتاژ می‌شود و شاید ولتاژی بسیار کمتر از ۲۳۰ ولت را دریافت کند. در این حالت، آن دسته از وسایل مصرف‌کننده که ماهیت توان ثابت دارند، به‌دلیل اضافه‌جریان آسیب خواهند دید.
اگر مانند شکل (ج) مقدار اختلاف فاز دو بردار زیاد باشد، مشترکی که به خط سرویس متصل به فاز A و N وصل است، ممکن است دچار اضافه‌ولتاژ شود و ولتاژی بیشتر از ۲۳۰ ولت را دریافت کند. آن دسته از وسایل الکتریکی این مشترک که ماهیت امپدانس‌ثابت دارند، به‌دلیل خرابی احتمالی عایق‌ها یا اضافه‌جریان آسیب می‌بینند.
اندازه و فاز VN (و در نتیجه اندازه و فاز VAN) تابع بار فازهای خط است و همواره ثابت نیست. یعنی بسته به شرایط بارگذاری و عدم تعادل جریانی سیستم، در هر یک از قسمت‌های پس از پارگی PEN، ممکن است لحظه به لحظه به‌صورت متوالی هر یک از حالات (ب) و (ج) رخ دهند. یعنی مشترکی که لحظه‌ای پیش افت ولتاژ داشته اکنون اضافه ولتاژ ببیند و بالعکس! به بیان بهتر، در محل مصرف، نوسان شدید ولتاژ (Voltage Fluctuation) خواهیم داشت.
اگر حالت شکل (ج) اتفاق بیفتد ممکن است حتی اندازه ولتاژ نول (N) و هادی حفاظتی (PE) با ولتاژ فاز برابر شود. وقوع چنین حالتی علاوه بر اینکه برای وسایل الکتریکی بسیار خطرناک است، می‌تواند برای جان افراد هم خطر‌آفرین باشد. زیرا همین ولتاژ روی هادی حفاظتی (PE) و در نتیجه روی بدنه هادی وسایل مشترکین هم دیده خواهد شد.
شکل ۲ حالت سالم یک سیستم TN-C-S را نشان می‌دهد در این شرایط فقط افت ولتاژ ناچیز حاصل از عبور جریان در هادی‌های فاز و نول توسط بار دیده می‌شود. یعنی ولتاژ بار برابر است با UL=Uo-ΔU و برای افت ولتاژ داریم ΔU<%5 و برای ولتاژ تماسی هم Uc ≈0.
در این شرایط اگر هم مشکلی از نظر اتصالی فاز به بدنه روی بار پیش آید، حفاظت موجود در نقطه تحویل یا پایین دستِ آن می‌تواند ایراد را به سرعت تشخیص دهد. زیرا امپدانس مسیر بسیار کم و جریان اتصال کوتاه بسیار زیاد است.
مشترکینی که از سیستم دو‌سیمه سنتی برای تأسیسات برقی خود استفاده کرده‌اند، از چنین حفاظتی بی‌بهره‌‌مند نیستند و اتصالی‌های فاز به بدنه در سیستم آنها تشخیص داده نمی‌شود. این مشکل، ارتباطی به شرکت توزیع ندارد و برای اصلاح آن، راهی هم جز پیاده‌سازی سیستم TN استاندارد نیست. در واقع آنچه در شکل ۳ مسیر کم‌مقاومت و بسیار مطلوبی برای برگشت جریان اتصال به زمین را فراهم می‌کرد (هادی حفاظتی) در سیستم برق دو‌سیمه وجود ندارد و بدن فرد، نقش مسیر برگشت جریان را ایفا می‌کند.
جمع‌بندی
در کشورهای مختلف از سیستم‌های ارتینگ مختلفی برای تأمین ایمنی وسایل الکتریکی استفاده می‌شود. سیستم ارتینگ استاندارد در ایران TN-C است. اما به دلیل عدم آگاهی کافی از سوی مهندسان و بهره‌بردارن این استاندارد به درستی در کشور اجرا نشده است. در این مقاله ضمن شرح مشکلات ارتینگ در کشور، مشکل پارگی و قطعی هادی PEN در سیستم TN-C-S به عنوان یکی از ایرادات رایج در سیستم ارتینگ بررسی شد و مشکلاتی که در اثر این اتفاق برای مصرف‌کنندگان پیش می‌آید، شرح داده شد.