در جهان امروز نیروی الکتریکی منبع اصلی انرژی به شمار می‌رود و بیشتر وسایل و تجهیزات مورد نیاز بشر با نیروی برق کار می‌کنند. اما نیروی برق با وجود مزایای ارزنده‌ای که دارد در صورت استفاده نادرست می‌تواند بسیار خطرناک باشد. مهمترین اقدامی که برای ایمن‌سازی سیستم‌های الکتریکی انجام می‌شود، زمین کردن (ارتینگ) است.
برای آشنایی بهتر با این مفهوم، دانستن تعاریف اولیه ارتینگ ضروری است. در این مقاله، ضمن تعریف اصطلاحات پایه‌ای سیستم زمین، برخی اشتباهات رایج در اجرای این سیستم شرح داده شده است. برای یادگیری عملی و تخصصی مبحث زمین کردن، می‌توانید دوره جامع ارتینگ ماهر را تهیه کنید.
اصول زمین کردن و مفاهیم پایه
سیستم زمین و هم‌بندی، بخش‌های جدایی‌ناپذیر طراحی هر سیستم حفاظت الکتریکی مدرن هستند. اجرای یک سیستم زمین کم‌امپدانس و مؤثر، عاملی کلیدی در این راستا است. به‌منظور اطمینان از ایمنی اشخاص و نیز برای حفاظت مطمئن دستگاه‌های مهم الکترونیکی و کاهش احتمال از کار افتادن و جلوگیری از هزینه‌های ناشی از خاموشی آنها، نقش سیستم زمین بسیار مهم است.
پس از نزدیک به یک قرن تجربه بشری در طراحی و تولید تجهیزات سیستم زمین، امروزه روش‌ها و مصالح مورد استفاده در آن، همگی در جهت بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های اولیه و جاری ارتینگ عمل می‌کنند. برای بحث در مورد زمین کردن، ابتدا لازم است با برخی تعاریف اولیه آشنا شوید. در ادامه، مفاهیم پایه در بحث ارتینگ شرح داده میشوند.
زمین کردن
اگر یک مدار یا یک دستگاه الکتریکی به‌صورت عمدی یا سهوی به زمین یا به بدنه هادی‌ای که به زمین وصل است متصل شود، اصطلاحاً آن مدار یا دستگاه الکتریکی زمین شده است.
جرم کلی زمین
جرم کلی زمین، جرم هادی کره زمین است که پتانسیل الکتریکی آن در تمام نقاط بنا به قرارداد صفر فرض می‌شود. در برخی کشورها از واژه Earth و در برخی دیگر از Ground برای بیان این مفهوم استفاده می‌شود.
هم‌بندی
هم‌بندی به اتصال دائمی بخش‌های فلزی می‌گویند که با هدف ایجاد مسیر هادی انجام می‌شود. با این کار، ایمنی لازم برای لمس همزمان قسمت‌های فلزی متصل‌شده ایجاد می‌شود.
ولتاژ گام
ولتاژ گام اختلاف پتانسیل بین پاهای یک فرد است که به‌دلیل اختلاف گرادیان ولتاژ حاصل از ورود جریان اتصال کوتاه به زمین ایجاد می‌شود.
ولتاژ تماس
تعریف ولتاژ تماس مشابه با ولتاژ گام است؛ با این تفاوت که جریان از دست فرد وارد شده و از پای او خارج می‌شود. در شکل ۱ تفاوت ولتاژ گامی و ولتاژ تماسی را مشاهده می‌کنید.
در فاصله یک متری از محل ورود جریان اتصال‌کوتاه به زمین، ولتاژ تا حدود ۵۰ درصد پایین می‌آید. یعنی اگر یک جریان اتصال کوتاه ۱۰۰۰ آمپری از یک سیستم زمین به مقاومت ۵ اهم عبور کند، ولتاژی برابر با ۵۰۰۰ ولت ایجاد می‌کند. در این حالت، عبور این جریان در فاصله یک‌متری هادی زمین ولتاژ کشنده ۲۵۰۰ ولت را ایجاد خواهد کرد.
در شکل ۲ کاربردها و انواع مختلف اتصال به زمین را می‌بینید.
لزوم وجود سیستم زمین
سه دلیل برای ایجاد سیستم زمین وجود دارد.
- تأمین ایمنی افراد (دلیل اصلی)
- حفاظت از تجهیزات و تأسیسات در برابر تماس ناخواسته با قسمت‌های برق‌دار
- تأمین حداکثر ایمنی ممکن در برابر اتصال‌های سیستم الکتریکی و صاعقه
این، اصلی اساسی است که الکتریسیته همواره به سمت نقطه دارای پتانسیل کمتر جریان می‌یابد. انتظار داریم جریان الکتریسیته ناشی از اتصال کوتاه‌ها، صاعقه و نویز الکتریکی با حفظ ایمنی، به گونه‌ای به نقاط مورد نظر هدایت شود تا عملکرد مطمئن دستگاه‌ها تضمین گردد.
بنابراین همواره باید از جریان یافتن ایمن و کنترل شده جریان‌های مذکور به زمین (احتمالاً در حضور یک اختلاف پتانسیل کوچک)، اطمینان حاصل کرد.
مقررات و استانداردهای زمین
الزامات سیستم زمین بسته به نوع کاربرد آن می‌تواند متفاوت باشد. به‌خصوص در هر سیستم الکتریکی، الزامات سیستم‌های زمینی که برای تجهیزات الکتریکی، برای حفاظت در برابر صاعقه و برای کار صحیح لوازم الکترونیکی به کار می‌روند، متفاوت خواهند بود.
اجرای صحیح سیستم زمین در گرو اشراف بر جزئیات و الزامات محل مورد نظر است. خصوصیات الکتریکی خاک، جنس هادی‌های زمین، نقاط اتصال و ترمینال‌های زمین، عواملی حائز اهمیت در طراحی سیستم زمین هستند. برای این منظور می‌توان به مفاد مقررات و استانداردهای مربوطه استناد کرد.
بسیاری از مقررات و استانداردها، الزامات حداقلی سیستم‌های زمین و هم‌بندی را بیان کرده‌اند و همواره طراحی و اجرای زمین در آنها از مهمترین جنبه‌های هر تأسیسات الکتریکی به شمار رفته است. ولی تلقی و برداشت بسیاری از افراد از این مقررات استانداردها لزوماً صحیح نیست و همین است که منجر به اجرای نادرست سیستم‌های زمین شده است.
برخی از استانداردهای مورد استفاده در نقاط مختلف جهان در جدول ۱ آمده‌اند.
جدول ۱- برخی استانداردهای سیستم زمین در نقاط مختلف جهان
|
منطقه جغرافیایی |
استانداردهای سیستم زمین |
|---|---|
|
اروپا |
IEC10234-1, IEC61364-5, ENV61024-1, BS9400, BS7430, BS6651 |
|
آمریکا |
IEEE Std.80, NFPA70 (NBC), UL96A, CSA C22.1-94, NFPA 780, IEEE Std.837, IEEE Std.81, IEEE Std.142, IEEE Std.1100 |
|
استرالیا |
AS3000 , AS2303 , AS1768 |
سیستم زمین باید حائز شرایط زیر باشد:
- اگر به‌عنوان زمین سیستم حفاظت در برابر صاعقه و امواج گذرا استفاده میشوند، موج اضافه‌ولتاژِ انتقال‌یافته توسط هادی‌های گارد را به‌طور مؤثری در زمین مستهلک و میرا کند. شکل ۳ هادی گارد را در خطوط توزیع برق نشان می‌دهد.
- اگر طراحی سیستم به گونه‌ای است که جریان اتصال‌کوتاه از زمین می‌گذرد، این جریان‌ها را به‌طور موثری مستهلک نماید، به‌طوری‌که آسیب‌های احتیاط ناشی از ولتاژهای گام و تماس به حداقل برسد.
- یک مرجع صفر پایدار برای مدارهای رادیویی و مخابراتی موجود در محل فراهم کند و در خلال شرایط عادی، نویز را از این طریق به حداقل برساند.
- به طور مناسبی همبند شده و یک مجموعه هم‌پتانسیل را برای شرایط و نوع خط فراهم کند.
- از لحاظ الکتریکی و مکانیکی در حد کافی مقاوم باشد، به‌طوری‌که بتوان عمری در حدود ۴۰ سال را برای آن انتظار داشت.
وظایف اصلی سیستم زمین را در شکل ۴ می‌بینید.
یکی از وظایف جنبی سیستم زمین ایجاد نقطه مرجعی برای هادی‌های مدار است، به‌طوری‌که ولتاژ آنها نسبت به این زمین مرجع، در شرایط کار نرمال، مقداری پایدار باشد. لزوماً برای ایفای نقش مرجع از جرم کلی زمین استفاده نمی‌شود بلکه ممکن است یک المان القایی این کار را انجام دهد. در واقع وظیفه الکترود و ترمينال زمین ایجاد «امکان» یک اتصال الکتریکی خوب با جرم کلی زمین است.
مقاومت زمین
وقتی جریانی از طریق الکترود، به زمین راه می‌یابد، در خاک اطراف الکترود منتشر می‌شود. اغلب فرض بر این است که این جریان از تعدادی پوسته هم‌مرکز می‌گذرد که دائماً قطر این پوسته‌ها در حال افزایش است (شکل ۵).
هر پوسته، دارای سطحی بزرگتر از پوسته قبلی برای عبور جریان است و در نتیجه مقاومت کمتری دارد. در فاصله دور از الکترود، این مساحت دیگر آن‌قدر بزرگ است که مقدار مقاومت، بسیار ناچیز خواهد شد.
از دیدگاه تئوری مقاومت الکتریکی را می‌توان با رابطه کلی زیر نشان داد.
مقاومت = (مقاومت مخصوص) × (طول [تقسیم بر] سطح مقطع) R=rho×L/A
این رابطه نشان می‌دهد که افزایش سطح مقطع عبور جریان، مقاومت را کاهش می‌دهد. در مورد یک الکترود میله‌ای رابطه به صورت زیر است.
مقاومت = (مقاومت مخصوص خاک) × (ضخامت پوسته [تقسیم بر] سطح مقطع پوسته)
برای بررسی مقاومت الکترودها، معمولاً خاک، یکنواخت (همگن) فرض می‌شود، هرچند عملاً در طبیعت این حالت بسیار نادر است. رابطه فوق برای تعدادی الکترود موازی باید بسیار پیچیده‌تر بیان شود و اغلب نیازمند کمی تقریب هم هست. فرمولی که بیش از همه برای محاسبه مقاومت یک الکترود میله‌ای متداول است توسط پروفسور اچ. آر. دوایت از دانشگاه MIT بصورت زیر پیشنهاد شد.
که در اینجا L طول و d قطر میله و (rho) مقاومت مخصوص خاک است.
پنج اشتباه رایج در اجرای سیستم ارتینگ
در مناطقی که تاسیسات، مستغلات و سایر دارایی‌های مهم اشخاص، در معرض خطر اصابت صاعقه هستند، وجود یک صاعقه‌گیر خوب و هادی‌های نزولی مناسب می‌تواند حفاظت مؤثری به شمار آیند؛ اما فقط به این شرط که سیستم زمین خوبی هم در کنار آنها وجود داشته باشد. چنین سیستمی می‌تواند خطر صاعقه را تا اندازه بسیار زیادی کاهش دهد.
خودداری از اشتباهات رایج و قابل اجتنابی که به آنها اشاره می‌شود، می‌تواند صحت عملکرد سیستم زمین را در مواجهه با آثار اتصالی‌ها، رخ دادن قوس الکتریکی میان تأسیسات مجاور و یا سوار شدن نویز الکترونیکی، تضمین کند. واضح است که رخ دادن هر یک از این شرایط می‌توانند سبب آتش سوزی، آسیب به ساختمان یا اشخاص شود. در ادامه، به چند مورد از رایج‌ترین اشتباهات در اجرای سیستم ارتینگ اشاره می‌کنیم.
۱. بی‌توجهی به مفاهیم مقاومت مخصوص خاک و امپدانس سیستم زمین
هدف اصلی از اجرای یک سیستم زمین، فراهم کردن یک مسیر کم‌امپدانس، بین تأسیسات الکتریکی و زمین است. در این میان، زمین (خاک) نقش اصلی را ایفا می‌کند. مقاومت مخصوص خاک، یک شاخص مهم در دستیابی به یک مسیر کم‌امپدانس است و نقطه شروع برای طراحی هر نوع سیستم زمین به شمار می‌رود.
میزان رطوبت و درجه حرارت محیط، تأثیر قابل توجهی در مقدار مقاومت مخصوص خاک دارند. هر یک از این عوامل باعث ایجاد تغییر در امپدانس الکترودهای زمین نصب‌شده در آن خاک میشوند. پس نمی‌توان سیستم زمین را برای جایی طراحی کرد، بدون آنکه مقاومت مخصوص خاک آن را قبلاً در عمق‌های مختلف اندازه‌گیری و تحلیل کرده باشیم.
الکترودهای زمینی که امپدانس بالایی دارند، مسیرهایی ناامن برای جریان خطا فراهم می‌کنند و خطر خرابی تجهیزات یا آسیب‌دیدگی ناشی از ولتاژهای گام و تماس را افزایش می‌دهند. می‌دانیم که جریان، همیشه در کم‌امپدانس‌ترین مسیر را جاری می‌شود؛ بنابراین، در صورت عدم وجود یک الکترود زمین کم‌امپدانس، مسیرهای دیگری مانند تجهیزات حساس یا بدن انسان ممکن است مسیر عبور جریان شوند.
ایمنی را نمی‌توان با اهمال در ایجاد یک سیستم زمین کارآمد به خطر انداخت. بنابراین، درک نقش امپدانس سیستم زمین در طراحی و نصب آن بسیار مهم است. توجهِ صرف به مقاومت سیستم زمین و فراموش کردن اندوکتانس و کاپاسیتانس (ظرفیت خازنی) آن یک اشتباه ناشیانه و بزرگ است.
۲. عدم اندازه‌گیری مقاومت سیستم زمین بعد از نصب
عدم اندازه‌گیری مقاومت سیستم زمین بعد از نصب، از خطاهای بزرگ رایج در اجرای سیستم ارتینگ است. هنگامی که سیستم زمین طراحی و اجرا شد، مهم است که تفاوت‌های احتمالیِ سیستم نصب‌شده با آنچه در طراحی مورد نظر بوده، از طریق اندازه‌گیری مجدد مقاومت، تعیین شوند.
زیرا ممکن است در عمل اتفاقاتی رخ داده باشند که در فرضیات اولیه در نظر گرفته نشده‌اند. به عنوان مثال، اگر الکترود میله‌ای، هنگام نصب به سنگ بزرگی در زیر زمین برخورد کند و به عمق مطلوب نرسد، ممکن است مقاومت آن نسبت به مقدار مورد انتظار، متفاوت باشد. بهترین راه برای اطمینان از کافی بودن مقاومت سیستم زمین، اندازه‌گیری این مقاومت با استفاده از روش سه‌سیمه، قبل از اتصال الکترود به سیستم است.
در صورتی که مقاومت الکترود میله‌ای نصب‌شده اندازه‌گیری شود و مقدار آن بیش از ۲۵ اهم باشد، مقررات ملی برق ایالات متحده (NEC) برای اکثر مصارف، الزام کرده است که الکترود دیگری نصب و با الکترود موجود موازی شود. هرچند NEC بعد از اجرای الکترود دوم، اندازه‌گیری مجدد را الزام نمی‌کند، اما اگر مقاومت هنوز هم زیاد باشد، ممکن است مشکلاتی را ایجاد کند. پس بهتر است مقاومت دوباره اندازه‌گیری شود.
۳. عدم بررسی صحت اتصالات با سیستم زمین بعد از جابجایی، تعمیر یا تعویض تجهیزات
برقراری و محکم بودن اتصالات کلیه تجهیزات به سیستم زمین، مانند پیچ و مهره‌ها و جامپرها باید کاملاً تست شده و قبل از بهره‌برداری از این تجهیزات، از پیوستگی آنها با سیستم زمین اطمینان حاصل شود. زنگ‌زدگی و خوردگی در اتصالات با دقت بررسی شود، زیرا چنین نقطه ضعف‌هایی می‌تواند اطمینان و استحکام ارتباط‌های الکتریکی را به خطر بیندازد.
بدون هادی‌های زمین مطمئن، کم‌امپدانس بودن مدار زمین، تضمین نمی‌شود و خطر وقوع حوادث افزایش می‌یابد. پس از اتمام تعمیرات و اوِرهال، باید اطمینان حاصل کرد که تمام مسیرهایی که باید به زمین منتهی شوند، مجدداً به طور کامل برقرار شده باشند.
۴. استفاده نادرست از هادی اتصال زمین
هنگام نصب هادی زمین، یا بازرسی دوره‌ای سیستم زمین، چک کردن خم‌ها و طول هادی‌های زمین بسیار مهم است. بیشتر نصّابان ممکن است مقداری سیم و کابل اضافی را در داخل تابلوها برای حوادث احتمالی آتی پیش‌بینی کنند. اما طول هادی‌های زمین نباید بیش از حد، بلند شود.
هادی‌هایی که به‌هم‌تابیده یا به‌صورت حلقه روی‌هم‌ریخته میشوند، به دلیل القای متقابل، امپدانس مسیر را افزایش می‌دهند. این باعث می‌شود در شرایط گذرا و هنگام بروز اتصالی، ولتاژ بیشتری روی تجهیزات دیده شود. طبیعتاً اندوکتانس متقابل این حلقه‌ها و مدارهای مجاور، با استفاده از ارت‌سنج‌هایی که با فرکانس پایین کار می‌کنند، به‌خوبی قابل سنجش نیست.
بنابراین، باید از طولانی کردن هادی‌های زمین خودداری کرد؛ زیرا قاعده شماره یک در زمین کردن این است که: «جریان را در مسیری مستقیم و ساده به زمین هدایت کنید». هنگام نصب هادی زمین، همواره باید از خم‌های نرم، طول کوتاه و اتصالات ایمن استفاده شود.
۵. انتخاب نادرست هادی اتصال زمین
هنگام انتخاب هادی‌های نزولی، باید از مقاطع بالا استفاده نمود. هادی ضخیم‌تر ذاتاً مقاومت کمتری دارد و مسیر آسان‌تری را برای هدایت جریان به زمین فراهم می‌کند. سایز هادی زمین، براساس بزرگی جریان‌های اتصال کوتاهِ گذرنده از این هادی و حفاظت‌های اضافه‌جریان سیستم تعیین می‌شود.
اگر چه NEC مقدار حداکثری برای مقاومت مدار اتصال به زمین تعیین نکرده است، اما در بخش 5A-250-4 از این استاندارد تأکید شده که این مقاومت، به‌منظور تسهیل در عملکرد تجهیزات حفاظت مدار، باید به اندازه کافی کم باشد.
همه تولید‌کنندگان کلیدها و فیوزها، منحنی‌های قطع محصولاتشان را ارائه می‌کنند. این منحنی‌ها به شما امکان می‌دهند تا سایز هادی زمین را به درستی انتخاب کنید. یعنی طوری که هادیِ انتخاب‌شده بتواند تا هنگام قطع تجهیزات حفاظتی، جریان‌های بزرگ احتمالی را به‌صورتی ایمن، عبور دهد. بسیاری از مهندسان طراح، جریان اتصال کوتاه را برابر با حداقل ۵ برابر مقدار عملکرد نامی حفاظت مدار منظور می‌کنند.
به عنوان مثال، اگر جریان عملکرد نامی تجهیز حفاظتی ۴۰۰ آمپر باشد، این‌طور فرض می‌کنند که جریان اتصال کوتاه مدار باید دست‌کم به ۲۰۰۰ آمپر برسد تا سیستم حفاظت مدار بتواند اتصالی را در مدت زمانی معقول، تشخیص داده و قطع کند.
جمع‌بندی
با توجه به گسترش روزافزون استفاده از انرژی الکتریکی در زندگی انسان، به‌کارگیری ایمن نیروی برق اهمیت بیشتری پیدا کرده است. مهمترین عامل تأمین سلامت افراد و تجهیزات الکتریکی بحث ارتینگ یا زمین کردن سیستم توزیع و تجهیزات است.
در این مقاله برخی اصطلاحات پایه‌ای در مورد سیستم زمین کردن بررسی شد و با توجه به آگاهی کم در مورد ارتینگ صحیح در کشور، برخی اشتباهات متداول در اجرای سیستم ارتینگ مطرح شد.
سوالات متداول
ولتاژ گام اختلاف پتانسیل بین دو پا به دلیل جریان اتصال کوتاه به زمین است، در حالی که ولتاژ تماس اختلاف پتانسیلی است که از دست به پاهای فرد منتقل می‌شود.
جرم کلی زمین به عنوان یک هادی بزرگ عمل می‌کند که پتانسیل الکتریکی آن در همه نقاط صفر فرض می‌شود، بنابراین به عنوان مرجع ایمن برای اتصال مدارهای الکتریکی استفاده می‌شود.
هم‌بندی به اتصال دائمی بخش‌های فلزی گفته می‌شود که با هدف ایجاد مسیر هادی انجام می‌شود تا ایمنی لازم در برابر لمس همزمان قسمت‌های فلزی فراهم شود.
استفاده از مواد نامناسب می‌تواند باعث خوردگی و کاهش کارایی سیستم ارتینگ شود، که این امر ایمنی سیستم را به خطر می‌اندازد.
الکترودهایی که به عمق کافی در زمین قرار نگرفته‌اند، ممکن است کارایی لازم را نداشته باشند و در نتیجه ایمنی سیستم را کاهش دهند.
استفاده از کابل‌های بسیار طولانی می‌تواند باعث افزایش مقاومت و کاهش کارایی سیستم ارتینگ شود.
سلام مهندس.سوالی داشتم این بود وقتی اتصال کوتاه داریم مثلا فاز به بدنه جریان اتصال کوتاه از طریق چاه ارت و زمین مسیر خودشو تا نقطه ی خنثی ترانس میبنده یا از طریق هادی نول یاPEN? یعنی وقتی اتصال کوتاه داریم این جریان کجا میره؟آیا میتونه از طریق شینه اصلی اتصال زمین که ارت تمام تجهیزات وصله بهش به تجهیزات آسیب بزنه؟
سلام وقت شما بخیر
در صورت اتصال کوتاه فاز به بدنه، جریان اتصال کوتاه عمدتا از طریق هادی حفاظتی (PE) به منبع (معمولاً مرکز ستاره ترانسفورماتور) بازمی‌گردد و سهم عبوری از زمین بسیار ناچیز است. اگر سیستم ارتینگ به درستی طراحی شده باشد، نباید به تجهیزات آسیب برساند.
میشه یه توضیح در مورد چگونگی اینکه از هادیPEبه مرکز ستاره ترانس برمیگرده؟اگر از طریق زمین بره میشه سیستمTTولی در سیستمTNCچگونه اس؟
سلام وقت بخیر.
در حالتی که مسیر برگشت جریان اتصال کوتاه، منحصرا از زمین باشد، سیستم TT است و وقتی عمدتا از هادی حفاظتی باشد، سیستم TNS است. امیدوارم پاسخ سوالتان را گرفته باشید؛ اگر نگرفتید، لطفا سوال را روشن‌تر مطرح کنید.