نخستین بار در دهه ۱۸۸۰ میلادی انرژی الکتریکی در دسترس مردم قرار گرفت و اکنون ۱۴۰ سال است که از نیروی برق به‌صورت عمومی استفاده می‌شود. تجربه‌های به دست آمده در طی این ۱۴۰ سال باعث ایجاد تغییرات زیادی در سیستمهای الکتریکی شده است که بخش بزرگی از این تغییرات مربوط به سیستم ارتینگ می‌شود. در ادامه، به اختصار تاریخچه تغییرات سیستم ارتینگ را شرح می‌دهیم. با آکادمی ماهر همراه باشید.
با توجه به اهمیت اجرای ارتینگ در محیط‌های مختلف، آکادمی ماهر یک دوره تخصصی آماده کرده است که هم‌اکنون در دسترس دانش‌پذیران قرار دارد. برای تهیه این دوره به صفحه (دوره جامع آموزش سیستم اتصال زمین) مراجعه کنید.
جریان‌های تلوریک چیست؟
اگرچه هدایت جریان‌های الکتریکیِ ناخواسته و نامطلوب به زمین، نخستین بار در آمریکا آزموده شد، اما پیش از آن، اروپاییان جریان‌های الکتریکی که بدون دخالت انسان و به‌دلیل پدیده‌های طبیعی ایجاد می‌شد را کشف کرده بودند و نام آنها را «جریان‌های تلوریک» (Telluric Currents) گذاشته بودند.
واژه «تلوریک» از واژه لاتین Tellus به‌معنی «زمین» برگرفته شده است. جریان‌های تلوریک یا جریان‌های زمین، جریان‌هایی هستند که درون خاک یا در دریاها و اقیانوس‌ها ایجاد می‌شوند.
تاکنون ۳۲ عامل برای این جریان‌ها شناخته شده است که از جمله معروف‌ترین آنها می‌توان به تغییرات میدان مغناطیسی کره زمین، ناشی از توفان‌های خورشیدی و تغییرات تابش نور خورشید به زمین، اشاره کرد. فرکانس جریان‌های تلوریک بین ۳ تا ۳۰ هرتز است و خطری برای انسان‌ها و حیوانات ندارند.
پژوهش‌های اولیه
توانایی زمین برای جذب و انتقال بار الکتریکی از قرن ششم میلادی شناخته شده بود. «لاک‌وود» (Lockwood) از کسانی بود که در سال ۱۷۴۶ تحقیقات علمی جالبی در این مورد انجام داد. «وینکلر» (Winkler) عبور جریان الکتریکی را در رودخانه «پلِیس» (Pleisse) بررسی کرد. «لومونیه» (Le monnie)، «واتسن» (Watson)، «فرانکلین» (Franklin) و «دی‌لوک» (De luc) نیز انتقال جریان الکتریکی را در خاک زمین آزمایش کردند.
بیشتر این آزمایش‌ها یا به‌وسیله الکتریسیته ساکن یا با جریان DC باتری انجام می‌شد. در سال ۱۸۰۳، «اِرمان» (Erman)، «باس» (Basse) و «آلد‌ینی» (Aldini) و در سال ۱۸۰۸، «کامِرینک» (Coemmering) و «شیلینگ» (Shilling) این آزمایش را روی زمین مرطوب اجرا کردند. در سال ۱۸۳۳، «فارادی» (Faraday) در یادداشتی به انتقال بار الکتریکی ساکن القا‌شده روی لوله‌های گاز شهری از طریق نصب به یک هادی قطور درون خاک اشاره کرده است.
پیش از آن‌که استفاده از زمین در سیستمهای الکتریکی رایج شود، در صنعت تلگراف از این تکنیک استفاده شد. همه افراد، تلگراف را با نام «ساموئل مورس» (Samuel Morse) می‌شناسند؛ اما حقیقت آن است که پیش از مورس افراد بسیار دیگری روی این ایده کار کرده بودند، ولی روش‌های پیشنهادی آنها به قدر کافی کاربردی نبود.
«کامپیلو» (Campillo) در ۱۸۰۴ نوعی تلگراف اختراع کرده بود که به ۳۵ سیم برای انتقال اطلاعات نیاز داشت (هر سیم برای یک کارکتر) ایده‌های مشابهی توسط «سومر‌ینگ» (Sommering) و «آلتر» (Alter) نیز به ترتیب در سال‌های ۱۸۰۹ و ۱۸۳۶ ارائه شد که برتری محسوسی نسبت به روش‌های دیگر نداشتند. در ۱۸۳۷، الفبای تلگراف توسط مورس ابداع شد.
روش ابداعی مورس با ایجاد امکانِ انتقال اطلاعات با تنها یک جفت سیم، عملکرد سیستم تلگراف را به‌شدت ساده کرد. «استاین‌هیل» (Stein Hiel) در ۱۸۳۸ پیشنهاد کرد در روش ابداعی مورس به‌جای دو سیم، یک سیم به کار رود؛ به این شکل که مسیر رفت جریان با یک سیم و مسیر برگشت از طریق زمین انجام شود. اجرای چنین روشی موجب حذف نیمی از حجم سیم‌کشی در خطوط ارتباطی می‌شد.
نخستین پروژه‌های استفاده از برق
اواخر قرن نوزدهم، زمان رخ دادن یک واقعه بزرگ در تاریخ بشر، یعنی پیدایش صنعت برق بود. برای وقوع چنین کشفی، به نابغه بزرگی به نام «توماس ادیسون» (Thomas Edison) نیاز بود. ادیسون در آغاز با استفاده از یک ژنراتور DC و لامپی که خودش ساخته بود، روشنایی چند مصرف‌کننده خصوصی را تأمین کرد. او لامپ رشته‌ای را در ۲۷ ژانویه ۱۸۸۰ به‌عنوان یک اختراع ثبت کرد.
- تأمین روشنایی کشتی اس.اس.کلمبیا (S.S. Columbia) نخستین پروژه‌‌‌ای بود که در آن از انرژی الکتریکی برای تولید نور استفاده شد. این کشتی بین سانفرانسیسکو، کالیفرنیا، پورتلند و اورِگون بار و مسافر جابجا می‌کرد.
- پروژه دوم، در شرکت چاپ و نشر «هیندس، کچام و شرکاء» (Hinds, Ketcham & Company) اجرا شد.
- پروژه سوم تأمین روشنایی پل «هالبورن ویاداکت» (Holborn Viaduct) در لندن بود.
ادیسون در گام بعدی تصمیم گرفت پروژه‌های تأمین روشنایی را در مقیاس عمومی و برای عامه مردم گسترش دهد. برای این کار نیروگاهی را در خیابان پِرل (Pearl) در محله منهتن نیویورک راه‌اندازی کرد. این نیروگاه، مجهز به یک ژنراتور DC با ولتاژ ۱۱۰ ولت بود که در هشتم سپتامبر ۱۸۸۲ کار خود را آغاز کرد.
استفاده از زمین برای انتقال برق
ادیسون از آزمایش‌های قبلی که در اروپا و آمریکا انجام شده و طی آنها زمین به‌عنوان یک مسیر خوب برای عبور جریان معرفی شده بود، اطلاع کامل داشت. بنابراین، برای رساندن برق به خانه‌‌های مردم ایده بسیار خلاقانه‌ای به کار برد. تا پیش از آن زمان مردم برای روشنایی از گاز استفاده می‌کردند و دسترسی به این شبکه سراسری گاز در محل نیروگاه ممکن بود.
ادیسون به‌جای ایجاد شبکه انتقال نیرو و نصب تیر برق و سیم‌کشی، از شبکه لوله‌های گاز به‌عنوان خط (+) و از زمین به‌عنوان خط (-) برای انتقال انرژی الکتریکی استفاده کرد. او پس از اجرای این ایده با نتایج شگفت‌آوری روبه‌رو شد. کسانی که در نیروگاه کار می‌کردند یا از نزدیکی آن عبور می‌کردند، حالت عجیبی در بدنشان حس می‌کردند.
به‌طوری که شایع شده بود در لوله‌های انتقال گازی که حامل جریان الکتریکی بودند، شیطان رخنه کرده است! حتی نقل قول شده است اسبی که در خیابان پرل در حال حرکت بود، با نزدیک شدن به نیروگاه دچار شوک الکتریکی شده و بر زمین افتاد.
ادیسون به زودی دریافت که چنین اتفاقاتی بر اعتبار کار او تأثیر مخربی دارد. لذا وقتی در آگوست ۱۸۸۷ درخواست ثبت اختراع «سیستم توزیع الکتریکی» را ارائه کرد، در صفحه ۲ آن نوشت: «همه خطوط انتقال از محل نیروگاه تا محل مصرف باید دو‌سیمه ساخته شوند. هر دو هادی نیز باید نسبت به هم و نسبت به زمین عایق باشند.»
در آن زمان حرف ادیسون برای بیشتر شنوندگان یک قانون غیرقابل‌بحث به شمار می‌رفت. بنابراین تا چندین سال کلاً استفاده از زمین در سیستمهای الکتریکی به فراموشی سپرده شد. پس از یک دهه، کسی که دوباره به این ایده بازگشت و آن را با تغییراتی قابل اجرا کرد، خود توماس ادیسون بود. شرح راه‌حل ادیسون در دستورالعملی که در دسامبر ۱۹۰۰ توسط «جنرال الکتریک» منتشر شد، آمده است.
روش پیشنهادی ادیسون در شکل ۴ نشان داده شده است. دو ژنراتور به‌صورت سری هر یک با ولتاژ ۱۱۰ ولت، منبع را تشکیل می‌دهند. سر مشترک دو ژنراتور به زمین وصل شده و در محل مصرف‌کننده نیز نقطه‌ای برای اتصال به زمین وجود دارد.
در واقع در چنین سیستمی سه سیم برای انتقال جریان لازم بوده، اما در عمل یکی از سیم‌ها حذف شده و زمین جایگزین آن گردیده است. در این سیستم، هر مصرف‌کننده می‌توانست برای بارهای کوچک مانند لامپ‌ها از ولتاژ ۱۱۰ ولت و برای بارهای بزرگ مانند اجاق برقی یا آبگرمکن برقی از ولتاژ ۲۲۰ ولت استفاده کند.
مشکلات سیستمهای الکتریکی در نبودِ ارتینگ
در آغاز قرن بیستم و در دهه ۱۹۰۰ صنعت برق، هم در اروپا و هم در آمریکا، توسعه زیادی یافته بود؛ اما هنوز به بحث ارتینگ اهمیت چندانی داده نمی‌شد. حتی وقتی در سال ۱۸۶۰ متروی لندن احداث می‌شد، تنها چهار ریل در زیر قطار پیش‌بینی شده بود که دو ریل برای تحمل وزن قطار و دو ریل ایزوله مثبت و منفی برای ولتاژ تغذیه موتورهای الکتریکی قطار در نظر گرفته شده بود و خبری از ارتینگ نبود.
در آن زمان، سیستمهای برق شهری، هم در اروپا و هم در آمریکا، بدون مشارکت زمین توسعه می‌یافت، تا این که مشکل جدیدی در این کشورها ظهور کرد. شرکت‌های بیمه با درخواست‌های مکرر بیمه‌شدگان برای پرداخت خسارت به دلیل آتش‌سوزی و انفجار مواجه می‌شدند. وجه اشتراک خسارت‌دیدگان این بود که ساختمان‌های آنها از انرژی برق بهره‌مند بودند.
شرکت‌های بیمه برای یافتن ریشه مشکل، تحقیقاتی را آغاز کردند. ساختمان‌های خسارت‌دیده مجهز به فیوزهای قابل ترمیم بودند که تجهیز ایمنی رایج در آن زمان بود (شکل ۵). گرچه واضح بود که آتش‌سوزی ناشی از سیستم برق ساختمان است، اما تجهیزات حفاظتی، مانعِ بروز حوادث نمی‌شدند.
در آن زمان، انجمن‌های صنفیِ مهندسین، یا هنوز تشکیل نشده بودند، یا کسی آنها را جدی نمی‌گرفت. بنابراین هنگام بروز چنین مشکلاتی، شرکت‌های بیمه راساً اقدام به تدوین یک سری دستورالعمل‌های ایمنی و فنی می‌کردند تا با اجرای آن توسط بیمه‌شوندگان نرخ وقوع خسارت‌ها و حوادث کاسته شود. می‌توان حدس زد که آنچه توسط شرکت‌های بیمه تدوین می‌شد، بار فنی چندانی نداشت و به اقدامات ابتدایی مانند بهبود عایق‌بندی یا نحوه انتخاب سیم و فیوز محدود می‌شد.
در یکی از این دستورالعمل‌ها که در کنفرانس مؤسسات بیمه‌گر نیویورک در مارس ۱۹۸۶ تصویب شده، می‌خوانیم: «سیم‌کشی همه ساختمان‌ها باید از لحاظ عدم اتصال به زمین تست شود. دو هادی فاز و نول باید نسبت به یکدیگر و نسبت به زمین دارای مقاومت عایقی حداقل ۱۰۰ مگا‌اهم باشند.»
دستورالعمل‌های ایمنی مهندسین برق
انجمن‌های صنفی مهندسین برق از اوایل قرن بیستم شروع به تهیه مجموعه مقررات‌هایی در زمینه های فنی و ایمنی کردند. با اجرای چنین دستورالعمل‌هایی مشکلات ایمنی برق کاهش می‌یافت، اما به‌طور کامل حل نمی‌شد. پس از مشکلات شرکت‌های بیمه با ساختمان‌های بهره‌مند از برق، این انجمن‌ها که زمان زیادی از پیدایش آنها نمی‌گذشت، شروع به پژوهش و یافتن راه‌حل برای این مشکلات کردند.
به این ترتیب، در هر یک از ایالت‌های آمریکا مستقلاً دستورالعمل‌هایی صادر شد که با یکدیگر تفاوت‌هایی داشتند. در انگلستان هم شرکت‌های بیمه، مقرراتی که انجمن مهندسان برق در ۱۸۹۷ تدوین کرده بودند را به رسمیت نشناختند. اما با گذر زمان و حادتر شدن مشکلات، مقرراتِ تعیین‌شده توسط مهندسین برق در اروپا و آمریکا جنبه قانونی پیدا کرد.
در آمریکا اداره ملی استاندارد (NBS) در ۱۹۱۳ دستورالعمل‌های ایالت‌های مختلف و نیز نظرات انجمن مهندسان برق (AIEE) را تجمیع و در قالب استاندارد NFPA70 منتشر کرد. این استاندارد تحت عنوان «مقررات ملی برق» در آمریکا رسمیت یافت. در انگلستان هم در سال ۱۹۱۶ آنچه «انجمن مهندسان برق بریتانیا» (IEE) تهیه و تدوین کرده بود، لازم‌الاجرا شد.
حتی پس از اجرایی شدن چنین دستورالعمل‌هایی، در ابتدا، بحث ارتینگ در آنها جایگاهی نداشت. اما از آنجا که کار به دست اهلش افتاده بود، تحقیقات برای بالا بردن سطح ایمنی سیستمهای الکتریکی ادامه یافت. در نتیجه این تحقیقات، این بار بحث زمین کردن نه به‌عنوان مسیر عبور جریان دائم، بلکه به‌عنوان مسیر تخلیه جریان اتصال کوتاه مطرح شد.
«الیهو تامسون» (Elihu Thomson) که از بنیان‌گذاران شرکت «جنرال الکتریک» بود در مصاحبه‌ای در سال ۱۹۲۳ مدعی شد که در سال ۱۸۹۷ و پیش از وقوع مجادلات بر سر انتخاب میان برق DC و برق AC در آمریکا، با ترانسفورماتور و برق AC آشنایی داشته و ابداع‌کننده نوعی سیستم اتصال به زمین بوده، اما چون توسعه برق AC بر DC غالب شد، از بیان ایده ابداعی‌اش خودداری کرده است.
دلیل او برای این کار این بود که برق AC را بسیار خطرناک‌تر از برق DC می‌دانست و از اتصال یک سیستم AC به زمین بیمناک بود. البته تامسون در سال ۱۸۸۵ به طرفداران برق AC پیوست و ایده‌های خود را فاش کرد.
آغاز اجرایی شدن استانداردهای ارتینگ
در اروپا اقدام به زمین کردن بدنه‌های هادی نخستین بار در فرانسه انجام شد. در آن زمان قانونی با این مضمون ابلاغ شد: «بدنه موتورهای ثابت و متحرک، لوازم خانگی ثابت و متحرک با توان بیش از ۴ کیلو‌وات، بخاری‌های برقی نصب شده در حمام و قسمت‌های فلزی قرار گرفته در مایعات که ممکن است در اثر نقص عایق برق‌دار شوند، باید به زمین متصل شوند».
در انگلستان در سال ۱۹۲۴ ویرایش هشتم «الزامات تأسیسات الکتریکی» منتشر شد که زمین کردن بدنه‌های هادی جریان را الزامی می‌کرد. مشکل اصلی در رابطه با ارتینگ در همه‌جای جهان این بود که تأسیسات الکتریکی و شبکه‌های توزیع برق عمومی، از ۱۸۸۰ تا دهه ۱۹۲۰ به‌سرعت توسعه یافته بود، بدون آن که صحبتی از لزوم اجرای ارتینگ مطرح شده باشد.
حال پس از ۴۰ سال ناگهان معلوم شده بود که وجود ارتینگ لازم است و همه سیستمهای قبلی باید اصلاح شوند. اما بنا به ضرورت، این کار مشکل انجام شد. امروزه، هم در دستورالعمل NEC آمریکا (یا همان NFPA70) و هم طبق استاندارد بین‌المللی IEC60364 یک وسیله الکتریکی که بدنه آن به هیچ شکلی زمین نشده باشد، از لحاظ فنی مورد تأیید نبوده و به‌کارگیری آن ممنوع است.
جمع‌بندی
با وجود اهمیت زیاد ارتینگ برای ایمنی افراد و تجهیزات، در گذشته به دلیل عدم آگاهی کافی، به این مبحث اهمیت داده نمی‌شد. اما همگام با توسعه و رشد سیستمهای توزیع برق در کشورهای صنعتی و مشکلاتی که در استفاده از این سیستم‌ها وجود داشت، مهندسین برق آغاز به تحقیق در مورد استفاده از زمین در سیستمهای الکتریکی کردند.
در این مقاله، فرایند تکامل مبحث ارتینگ از ابتدای پیدایش صنعت برق شرح داده شد. پس از مرور پژوهش‌های و تجربیات اولیه در حوزه استفاده از زمین به‌عنوان هادی جریان الکتریکی، سابقه مشکلات ناشی از نقص ایمنی سیستمهای الکتریکی شهری و صنعتی، در نبودِ ارتینگ مورد بررسی قرار گرفت.
روند ارائه راه‌حل برای بهبود ایمنی برق، ابتدا توسط شرکت‌های بیمه که از حوادث ناشی از نقص ایمنی الکتریکی زیان دیده بودند، آغاز شد؛ اما با توسعه انجمن‌های مهندسی برق این دستورالعمل‌ها علمی‌تر و اصولی‌تر شد و سرانجام استفاده از ارتینگ در سیستمهای الکتریکی در قالب مقررات رسمی برای همگان لازم‌الاجرا شد.
امروزه استانداردهای ارتینگ در همه جای جهان در شبکه توزیع و مصرف برق اجرا می‌شود و طراحی شبکه برق با ایمنی بسیار بالاتری نسبت به گذشته انجام می‌گیرد. مهارت و دانش ارتینگ در محیط‌های صنعتی اهمیت بالایی دارد و یادگیری آن برای همه مهندسان حوزه صنعت ضروری و کاربردی است.
سوالات متداول
خیر. هیچ سیستم الکتریکی، بدون آن‌که به‌نحوی ارتینگ در آن نباشد، استاندارد نشده است.
خیر. باید اصول طراحی و انتخاب هادی‌ها و حفاظت‌ها هم در کنار ارتینگ صحیح، رعایت شوند.
متأسفانه چون اجرای ارتینگ در دهه‌های گذشته، کاری کم‌اهمیت و سطح پایین تلقی می‌شده، در پروژه‌ها کمتر به صورت صحیح و استاندارد اجرا شده است و این خود فرصت بسیار خوبی را برای کسانی فراهم می‌کند که امروزه بتوانند آن ایرادات را رفع کرده و ارتینگ را به شکلی مدرن و ایمن طراحی و اجرا کنند.
بسیار عالی
ممون
بسیار مطالب جالب ومفیدی بودن ممنونم
درود و سپاس از لطف شما جناب مهندس