مقدمه

فرآیند تخلیه فوری انرژی الکتریکی به زمین با استفاده از سیم با مقاومت کم، به سیستم زمین الکتریکی معروف است. اتصال زمین الکتریکی با اتصال زمین به قسمت های فلزی و بدنه  تجهیزات یا خنثی سیستم قدرت انجام می شود.

اجزاء فلزی هر ساختمان، تجهیزات الکتریکی، سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری، نیروگاه، پست برق و یا هر نوع دستگاه یا بخشی که به نوعی با برق در ارتباط باشند و یا احتمال برقدار شدن آنها به دلایل مختلف وجود داشته باشد، مستلزم اتصال زمین مستقیم یا اتصال به زمین از طریق سیستم ارت است. هدف اصلی ارتینگ در شبکه های الکتریکی حفاظت و افزایش امنیت الکتریکی است. اما زمانی که یک سیستم الکتریکی به زمین متصل نباشد، ایمنی و حفاظت بدون معنا می شود.

 در شکل 1 یک سیستم الکتریکی بدون اتصال به زمین را نشان می دهد.

ارتینگ مسیر ساده ای و مناسبی را جهت هدایت  جریان نشتی و جریان خطا به زمین در یک سیستم الکتریکی فراهم می کند. جریان خطای ناشی از اتصال کوتاه فاز به بدنه تجهیزات از طریق سیستم ارتینگ به زمین منحرف می شود و یا هدایت خواهد شد. زمین بطور فرضی  پتانسیل صفر در نظر گرفته می شود.

همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، سیستم الکتریکی با ارتینگ مناسب، تجهیزات واقع در یک سیستم یا شبکه الکتریکی و از آن مهمتراشخاص و پرسنل را در برابر آسیب و شوک الکتریکی محافظت می کند.

بعید است که اتصال زمین باعث کاهش دامنه کل اضافه ولتاژ تولید شده توسط برق سوئیچینگ یا اضافه ولتاژ شود، اما می تواند با کاهش میزان خطر و هم پتانسیل سازی با زمین، از آسیب های جدی جلوگیری نماید و از طرفی زمان کافی جهت عملکرد حفاظتی را در اختیار سیستم ها یا کلید های حفاظتی در اختیار بگذارد.

مقاومت کل یک سیستم ارتینگ با زمین الکتریکی باید بگونه ای باشد که میزان خطر را کاهش دهد تا تجهیزات حفاظتی خطا را ردگیری و حفاظت نمایند، تجهیزات حفاظتی می تواند فیوز، کلید و کلید جریان باقیمانده باشد. در نتیجه وظیفه سیستم ارتینگ کاهش میزان خطا و ایجاد زمان مناسب و وقفه تا عمل نمودن سیستم های حفاظتی است.

انواع سیستم ارتینگ الکتریکی

سیستم الکتریکی عمدتاً از دو بخش یا هادی مجزا تشکیل شده است که جریان برق در حالت عادی از آنها عبور نمی کند.. این بخش ها بطور کلی عبارتند از 1- خنثی یا نول و 2- بدنه تجهیزات و استاراکچر و سازه های فلزی ساختمان . با اتصال به زمین این دو قسمت سیستم الکتریکی، ارت را می توان به دو نوع ارت خنثی و ارت تجهیزات طبقه بندی کرد.

ارتینگ خنثی

در منبع تولید انرژی، نفطه خنثی در ترانسفورماتور با استفاده از یک هادی یا سیم به زمین متصل می شود. زمین خنثی به زمین سیستم نیز معروف است. این نوع اتصال به زمین عمدتاً برای سیستم سیم پیچ ستاره ارائه می شود. به عنوان مثال نقطه خنثی در ژنراتورها، ترانسفورماتورها، موتورها و … مطابق شکل 3 به زمین متصل می شوند.

ارتینگ تجهیزات

این نوع از ارتینگ، اتصال زمین بدنه تجهیزات الکتریکی به زمین مرجع را مد نظر دارد. همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است، قسمت غیر حامل جریان برق دستگاه مصرف کننده، مانند یک قاب فلزی با استفاده از سیم رسانا به زمین متصل می شود. در صورت وجود خطا در مصرف کننده و نشت جریان به بدنه، جریان اتصال کوتاه یا اتصال بدنه از طریق سیم ارت به زمین منتقل می شود و به این طریق از آسیب جانی و مالی جلوگیری می نماید.

اهمیت و هدف از ارتینگ

1-      از اشخاص یا تکنیسین ها و کارشناسانی که به طور مرتب در معرض تجهیزات الکتریکی هستند که می تواند به آنها شوک الکتریکی وارد شود، محافظت کنید.

2-      در صورت بروز خطای فاز به زمین، ولتاژ دستگاه را در فاز سالم، ثابت نگه دارید.

3-      یک مسیر زمینی خوب که مقدار امپدانس پایینی دارد، تضمین می کند که خطاهای مسیر الکتریکی به سرعت از بین می روند. اگر نقص در سیستم برای مدت طولانی باقی بماند، می تواند یک تهدید جدی برای پایداری سیستم باشد.

4-      بسیاری از دستگاه های الکترونیکی مدرن نوعی “نویز الکتریکی” تولید می کنند که می تواند به دستگاه آسیب برساند و کارایی آن را کاهش دهد، در صورت وجود اتصال به زمین، نویزها تخلیه و بهره وری سیستم بالا تر می رود.

5-      تجهیزات الکتریکی معیوب اغلب نشتی برق دارند ، این نشتی می تواند باعث آتش سوزی شود، با ارتینگ مناسب از این خطر، حفاظت می شوید.

6-      برخورد صاعقه، یک خطر تهدید کننده و جدی است و باعث آسیب های فراوان به تجهیزات الکتریکی و خصوصا کامپیوتری و الکترونیکی می شود، اتصال به زمین مناسب تا حد زیادی اشخاص و سیستم ها را در مقابل خطرات برخورد صاعقه، حفاظت می نماید.

 طبقه بندی سیستم ارتینگ

یک سیستم توزیع ولتاژ پایین(LV)  به روش های مختلفی به زمین متصل می شود. این روش ها با استفاده از پنج حرف به شرح زیر تعریف می شوند:

1-      T: اتصال مستقیم زمین

2-      N: اتصال خنثی به زمین

3-      C: ترکیب

4-      S: جدا

5-      I: ایزوله شده از زمین

حرف اول نحوه ارت شدن نول ترانسفورماتور (منبع تغذیه) را نشان می دهد، در حالی که حرف دوم نشان می دهد که بدنه فلزی یک تاسیسات (شاسی) چگونه ارت می شود. حرف سوم و چهارم به ترتیب عملکرد هادی ها و محافظ های خنثی هستند.

یک شبکه برق در شکل 4 نشان داده شده است.

پیکربندی های سیستم زمین

سه پیکربندی ممکن وجود دارد

سیستم : TN زمین ترانسفورماتور خنثی، متصل به خنثی شاسی.

سیستم TN از سه زیرسیستم تشکیل شده است:

1-      سیستم : TN-C در این سیستم هادی خنثی که به هادی PEN معروف است، نقش هادی ارت تجهیزات که به PE معروف است را نیز برعهده می گیرد.

2-      سیستم TNCS:

در این سیستم هادی خنثی و هادی PE در محل مصرف کننده از یکدیگر جدا می شوند، در این سیستم در صورت اجرای زمین به روش هایی مانند کوبیدن میله راد یا حفر چاه ارت، هادی خنثی و هادی PE در اولین نقطه با هم همبند می شوند و سپس از یکدیگر در تمام طول مسیر جدا می شوند.

3-      سیستم TNS:

دراین سیستم هادی خنثی درمنبع زمین می شود و هادی PEN را تشکیل می دهد. از طرفی از همان نقطه یک هادی دیگر تا محل مصرف کننده سیم کشی می شود و نقش هادی PE را بازی می کند.

سیستم زمین TT :

در این سیستم خنثی و مصرف کننده بصورت مجزا زمین می شوند.

سیستم زمین IT :

 در این سیستم سمت خنثی یا به زمین متصل نمی ود و یا با استفاده از یک مقاومت به زمین متصل شسده است و سمت مصرف کننده بص.رت مجزا زمین می شود.

سیستم ارتینگ TN

در سیستم های زمین  TN، منبع تغذیه (نول ترانسفورماتور) مستقیماً با یک یا چند هادی به زمین متصل می شود و تمام قسمت های رسانای تاسیسات به هادی زمین خنثی می شوند.

سه زیرسیستم سیستم اصلی TN به همراه ویژگی های برجسته آنها در زیر توضیح داده شده است.

سیستم ارتینگ TN-C

عملکردهای خنثی و حفاظتی در یک هادی در سراسر سیستم ترکیب شده اند

منبع تغذیه به طور مستقیم به زمین متصل است و تمام قسمت های رسانای در معرض تماس یک تاسیسات به هادی PEN متصل می شوند. در شکل آرایش سیستم زمین TNC را مشاهده می کنید.

مزایای سیستم ارت TN-C

1-      امپدانس حلقه خطای زمین سیستم زمین TN-C کم است.

2-      نیازی به الکترود زمین در محل ندارد.

3-      به صرفه است.

معایب سیستم ارت TN-C

1-       سیستم ارت TNC در مقایسه با سایر سیستم های ارت کمترین امنیت را دارد.

2-      سیستم TN-C برای مشکلات سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) تاثیر مناسبی ندارد.

3-      یک خطا در شبکه LV ممکن است باعث ایجاد ولتاژ تماس سایر مشترکان برق  شود.

سیستم ارتینگ TN-S

سیستم TN-S دارای ویژگی های زیر است:

سیستم TN-S دارای هادی های خنثی (PEN) و PE در سراسر سیستم  و با مسیری مجزا از یکدیگر از منبع سیستم است و منبع تغذیه مستقیماً به زمین متصل شده است. همانطور که در شکل 6 مشاهده می کنید، تمام قسمت های رسانا در معرض تماس تاسیسات از طریق ترمینال ارت اصلی تاسیسات به یک هادی محافظ PE  متصل می شوند و در نهایت به خنثی منبع متصل خواهند شد.

مزایای سیستم ارتینگ TN-S

1-      امپدانس مدار خطای زمین کم است. سیستم زمین TNS ایمن ترین سیستم است.

2-      تداخل الکترومغناطیسی کمی در این سیستم مشاهده می شود.

3-      به الکترود زمین در محل نیاز ندارد ولی می توان آنرا برای کمک بیشتر به هادی PE، در محل اجرا نمود.

4-      سیستم اتصال به زمین TN-S می تواند با یک حفاظت ساده، در برابر جریان اضافه کار کند.

معایب سیستم ارتینگ TN-S

1-      ضریب توان کم  و القای بالای کابل با توجه به طولانی بودن مسیر.

2-      امپدانس هادی PE در فواصل طولانی زیاد می شود و این مورد می تواند بر عملکرد حفاظتی، تاثیر منفی بگذارد.

3-      در صورت بروز خطا در عایق، جریان اتصال کوتاه زیاد است و می تواند به تجهیزات آسیب برساند یا تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کند.

سیستم ارت TN-C-S

سیستم زمین TN-C-S دارای مشخصات زیر است:

عملکردهای خنثی  (PEN) و حفاظتی (PE) در یک هادی واحد در بخشی از سیستم TN-C-S ترکیب می شوند. در این سیستم آرایش به دو دسته تقسیم می شود. آرایش سیستم زمین در سمت منبع تغذیه TN-C و در سمت مصرف کننده TN-S است و از ترکیب این دو آرایش، سیستم زمین TNCS ایجاد می شود. سیستم زمین TNCS در شکل 7 نشان داده شده است.

در سیستم TNCS تمام قطعات رسانا در معرض تماس در یک تاسیسات از طریق ترمینال خنثی به ترمینال اصلی زمین و هادی PEN متصل می شوند

این نوع توزیع به عنوان ارتینگ چندگانه حفاظتی نیز شناخته می شود و هادی های PEN را هادی خنثی مشترک و هادی زمین (CNE)  می نامند. هادی PEN سیستم قدرت مبتنی بر چندین نقطه است و ممکن است به یک یا چند الکترود زمین در نزدیک یک مرکز مصرف کننده نیاز داشته باشد.

مزایای سیستم ارتینگ TN-C-S

1-      سیستم ایمن ونسبتا ارزان.

2-      حفاظت بیشتر در زمان قطع هادی خنثی و شناور شدن نول.

3-      امکان تعمیر و سرویس راحت تر.

معایب سیستم ارتینگ TN-C-S

اگر از سیستم TN-CS استفاده می کنید، سیستم TNCS (چهار سیم) باید همیشه در پایین دست سیستم زمین TNS (پنج سیم) باشد، زیرا هر گونه شکست یا قطع شدن هادی خنثی و شناور شدن خط نول، باعث ایجاد خطرات بسیار زیادی در پایین دست سیستم الکتریکی خواهد شد.

سیستم ارتینگ TT

در این سیستم منبع تغذیه با زمین ارتباط مستقیم دارد. همانطور که در شکل 8 نشان داده شده است، تمام قسمت های رسانا در معرض تماس تاسیسات در سمت مصرف کننده نیز به یک الکترود زمین متصل می شوند که از نظر الکتریکی مستقل از زمین منبع است. در شکل 8 آرایش سیستم زمین TT نشان داده شده است.

در سیستم زمین TT امپدانس حلقه اتصال کوتاه بالا می باشد مگر آنکه مقاومت الکترود ارت با زمین بسیار پایین باشد، در اینصورت امپدانس حلقه کاهش قابل ملاحظه ای خواهد داشت.

مزایای سیستم TT

1-      خطر خطا در سیستم TT،  وجود ندارد و در مکان ها یا سیستم های الکتریکی ای که از این مدل سیستم زمین استفاده می کنند، نیاز است از کلید جریان باقیمانده استفاده شود.

2-      نقص در شبکه های LV و MV به دیگر مشتریان شبکه BT نمی رسد.

3-      نصب و اجرای آن نسبت به سیستم های دیگر زمین، راحت تر است.

معایب سیستم ارتینگ TT

1-      هر مشترک باید الکترود زمین خود را اجرا، نصب و نگهداری کند. ایمنی و حفاظت به مشتری بستگی دارد، بنابراین اطمینان کامل تضمین نمی شود.

2-      اضافه ولتاژ بالا می تواند بین تمام قسمت های زنده و هادی های PE رخ دهد. محدودیت اضافه ولتاژ بالقوه در عایق بندی تجهیزات نصب.

سیستم ارتینگ IT

در این سیستم، خنثی در منبع یا به زمین متصل نیست و یا با یک امپدانس بالا به زمین متصل می شود. تمام قطعات رسانا در معرض تماس همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است، با یک الکترود به زمین متصل می شوند.

قطعات رسانا، از جمله بدنه فلزی تاسیسات، از طریق یک یا چند الکترود زمین محلی به زمین متصل می شوند. این الکترودهای محلی هیچ ارتباط مستقیمی با منبع ندارند.

  مزایای سیستم IT

1-      تداوم سرویس دهی را تضمین می کند و در زمان خطای اول، سرویس دهی را قطع نمی کند، این خصوصیت در مکان هایی که وقفه در سرویس دهی باعث آسیب یا ضرر و زیان باشد، مناسب است، بعنوان مثال در بیمارستان ها با توجه به خطر وقفه در سرویس دهی و قطع جریان برق، از این مدل سیبستم زمین مورد استفاده قرار می گیرد.

2-      سیستم زمین IT می تواند خطر آتش سوزی یا انفجار را در صورت نقص عایق از بین ببرد، زیرا جریان خطا بسیار کم است. این خصوصیت باعث افزایش طول عمر تجهیزات الکتریکی می شود، زیرا جریان خطا، کم است و فشار کمتری به تجهیزات وارد می شود.

3-      امکان انجام تعمیر و نگهداری پیشگیرانه در نصب IT وجود دارد. به لطف تجهیزات نظارت و مانیتورینگ ، می توانیم عیوب عایق را قبل از تبدیل شدن به نقص عایق، تشخیص دهیم.

معایب سیستم IT

1-      این سیستم ممکن است آرک فلش زیادی را تجربه کنیم.

2-       در صورت خطای تکفاز به بدنه، احتمال آسیب به عایق تجهیزات وجود دارد.

3-       حفاظت از خطای اتصال به زمین دشوار است.

4-      در صورت برخورد مستقیم صاعقه، جریان خطا با تاخیر به زمین منتقل می شود و ممکن است باعث آسیب شود.

مقایسه تمامی سیستم های ارتینگ

مقایسه تمام سیستم های اتصال به زمین و ارتینگ بر اساس امپدانس حلقه خطای زمین، کلید جریان باقیمانده ، نیاز الکترود زمین در محل، هزینه هادی PE و غیره  انجام شده است. در جدول شماره 1 مقایسه ای بین سیستم های مختلف زمین، نشان  داده شده است.

خلاصه ای از سیستم ارتینگ که در سراسر جهان پذیرفته شده است

در هند، تامین انرژی معمولا از طریق سیستم TN-S انجام می شود. خنثی ها در ترانسفورماتورهای توزیع، نول و زمین به طور جداگانه روی خطوط توزیع هوایی یا کابل ها قرار می گیرند. چاه های الکترود زمین اضافی در انتهای مسیر و در سمن مشترکین برای تقویت زمین نصب می شود.

اکثر خانه های مدرن در اروپا دارای سیستم اتصال زمین TN-C-S هستند.  تمام سیم کشی های داخلی با استفاده از هادی های زمین و نول جداگانه هستند.

در مناطقی از انگلستان که سیم کشی برق زیرزمینی رایج است، سیستم TN-S رایج است. در استرالیا از سیستم TN-C-S استفاده می شود. با این حال، هر مشتری باید یک اتصال زمین جداگانه از طریق یک الکترود زمین اختصاصی فراهم کند.

در ایالات متحده آمریکا و کانادا از سیستم زمین TNCS استفاده می شود،  در حالی که فرانسه، ایتالیا و ژاپن از سیستم ارتینگ TT استفاده می کنند.

در کشور ایران، به جز مکان ها یا تجهیزات خاص از سیستم زمین TNCS استفاده می شود.

اجرای سیستم زمین به هر طریقی و اگر بر اساس استاندارد اجرا شود، از بسیاری از خطرات مانند برقگرفتگی و شوک الکتریکی اشخاص آسیب به تجهیزات، حفاظت می نماید.

در صورت عدم اجرای سیستم زمین و یا عدم اجرای صحیح آن، می تواند باعث تاخیر در حفاظت در مقابل خطا های احتمالی شود و درنهایت مشکلات جانی، مالی و آتش سوزی های گسترده را بهمراه داشته باشد.

سخن پایانی

در زندگی امروزی، اجرای سیستم زمین و حفاظت در مقابل خطا، بسیار مهم و ضروری است. نوع سیستم زمین تاثیر چندانی در حفاظت ندارد. بطور کلی مهمترین عامل در انتخاب نوع سیستم زمین در تاسیسات الکتریکی، در وحله اول به استاندارد ملی هر کشوری وابسته است و بعد از آن نوع مصرف کننده، بعنوان نمونه در مکان های نظامی، بیمارستان ها و مراکز داده و دیتا سنتر ها، می توانیم با توجه به قوانین و استانداردها، سیستم زمین مناسب را انتخاب نمود.

جهت حفاظت بیشتر در مقابل خطاها در شبکه برق، محققان شرکت تورال آذرخش پرگاس اقدام به طراحی و تولید  سیستم حفاظت الکتریکی سحاتاپ نموده اند، سحاتاپ سیستمی حفاظتی و مکمل سیستم زمین است. سحاتاپ در انواع سیستم های زمین کاربرد دارد، برخی از مشخصات عملکردی سیستم سحاتاپ به شرح زیر است:

1-      کاهش امپدانس حلقه اتصال کوتاه به کمترین میزان

2-      کمک به تخلیه الکتریکی ولتاژهای اضافی از بدنه تجهیزات.

3-      فیلتر امواج الکترومغناطیسی.

4-      حفاظت از اتصال فاز به بدنه در ولتاژ کمتر از 50VAC.

5-      تخلیه الکتریکی ولتاژ های القایی بدنه تجهیزات.

6-      تخلیه نشتی جریان.

7-      حفاظت و تشخیص جهت فاز و نول.

8-      مجهز به سیستم تشخیص اتصال زمین.

9-      حفاظت ثانویه از اضافه ولتاژهای هجومی ناشی از برخرود صاعقه به زمین نزدیک.

10- حفاظت از تجهیزات در زمان قطع نول شبکه و شناور شدن نول شبکه.

این مشخصات باعث شده است تا سیستم سحاتاپ در حفاظت از تجهیزات الکتریکی خصوصا سیستم های گرانقیمت کامپیوتری و مخابراتی، کاربرد فراوانی داشته باشد.

سحاتاپ بصورت سری با تجهیزات قرار می گیرد و در انواع مختلف و 15A تا 100A تکفاز و 18A تا 500A سه فاز طراحی و تولید می شود. از مهمترین کاربردهای سیستم حفاظت الکتریکی سحاتاپ را می توان به موارد زیر اشاره نمود:

1-      سیستم های حساس و گرانقیمت کامپیوتری و مخابراتی.

2-      دکل های مخابراتی.

3-      سایت های مخابراتی و داده.

4-      حفاظت از ماشین های سیار مخابراتی و نظامی.

5-      کارخانه ها و شهرک های صنعتی.

6-      شناورها.

7-      سیستم های ناوبری

8-      مکمل سیستم ارتینگ در زمین های با مقاومت بالای ویژه خاک.

9-      معادن.

10- محیط های آلوده الکتریکی و با نویز بالا.

در تولید سیستم سحاتاپ از با کیفیت ترین قطعات استفاده می شود، این قطعات از شرکت های معتبر مانند زیمنس، فیندر، اشنایدرالکتریک، OBO، فونیکس کنتاکت، زیگلر انگلیس، امرن الکتریک، شراک الکتریک، دوکاتیف ایکار ایتالیا، الکترونیکن، رابیکن و مانند آنها استفاده می شود.

جهت آشنایی بیشتر با سیستم سحاتاپ و انواع آن می توانید به سایت شرکت تورال آذرخش پرگاس مراجعه نمایید و یا با کارشناسان تورال در تماس باشید.