آنچه که در این مقاله خواهید خواند:

  مبانی سیستم های الکتریکی زمین

زمین یا ارتینگ موضوعی اساسی برای عملکرد صحیح سیستم ها و دستگاه های الکتریکی است. با این حال، افراد کمی این موضوع یا دلیل استفاده از آن را درک می کنند. خطاهایی مانند برقگرفتگی و شوک الکترکی بطور مستقیم با مقوله اتصال به زمین مرتبط هستند و در صورت عدم وجود اتصال به زمین مناسب، این خطات تهدید کننده انسان و هر موجود زنده ای است.

اتصال به زمین موضوعی مهم در صنعت برق می باشد و استانداردهای بسیاری به آن پرداخته است. با این وجود قوانین ارتینگ در برخی موارد بسیار دشوار است و گاهی اوقات نامشخص به نظر می رسد.

این مقاله بطور خلاصه و مقدماتی، برخی اصول اساسی اتصال زمین و ارتینگ را مورد بحث قرار می‌دهد و مروری بر کاربردهای اصلی ارت را ارائه می‌کند.

اتصال به زمین چیست؟

در تجزیه و تحلیل تاسیسات الکتریکی، شما به طور مکرر اصطلاحات زمین و ارتینگ را مشاهده خواهید کرد. تعاریف رسمی متعددی از این اصطلاحات در استانداردها و کدهای مختلف وجود دارد. با این حال، همانطور که از نام آن پیداست، اتصال زمین اتصال سیستم الکتریکی، دستگاه های الکتریکی و محفظه ها و بدنه های فلزی به زمین است.

آیا زمین رسانای الکتریسیته است؟

اگرچه زمین رسانای خیلی خوبی نیست ولی جواب این سوال بله است، زمین یک رسانای الکتریکی است. در حال حاضر ما از زمین برای انتقال جریان های خطا، سیگنال ها و امواج مزاحم رادیویی و الکترومغناطیسی استفاده می کنیم.

انتشار امواج زمینی به ویژه در بخش فرکانس پایین و متوسط طیف رادیویی، مهم است. آنتن‌های رادیویی با فرکانس پایین وجود دارند که در اوایل قرن بیستم ساخته شدند. این خاصیت الکتریکی زمانی که رعد و برق در زمین تخلیه می شود، قابل مشاهده می شود.

همچنین دانستن این نکته مهم است که زمین به عنوان یک رسانا دارای پتانسیل صفر فرض می شود و در بسیاری از اندازه گیری های ولتاژ به عنوان مرجع در نظر گرفته می شود. توجه به این نکته مهم است که زمین صفر کامل نیست و ممکن است خود دارای ولتاژ باشد ولی ما به همین صورت از آن بعنوان یک مرجع الکتریکی، استفاده می نماییم. در واقع در حال حاضر چیزی بهتر از زمین در دسترس ما نیست.

اتصال زمین سیستم قدرت بسیار حیاتی و مهم است زیرا بیشتر خطاها با استفاده از قدرت زمین، حفاظت می شود. اتصال زمین و ارتینگ سیستم قدرت، علاوه بر اینکه نقش اساسی و تعیین کننده در حفاظت از اشخاص و موجودات زنده در مقابل خطاهای الکتریکی دارد ، از اجزا خود نیز در مقابل بسیاری از خطاهای الکتریکی حفاظت می نماید. اجرای ارت و زمین در سیستم قدرت، با روش های مختلفی صورت می پذیرد که در این مقاله بطور مختصر با برخی از مهمترین آنها، آشنا می شویم.

اتصال زمین سیستم

اتصال زمین سیستم الکتریکی به محدودیت مقادیر تعریف شده ولتاژ نسبت به زمین در هر بخش از سیستم الکتریکی اشاره دارد. جهت حصول این هدف، نقطه خنثی در ترانسفورماتورها و تجهیزات وابسته را به زمین متصل می نماییم.

زمین خنثی

هنر و علم اتصال زمین خنثی در این تحلیل از اهمیت بالایی برخوردار است. انتخابی از روش‌ها برای زمین‌ کردن نول و نقطه خنثی در ترانسفورماتورها و تجهیزات دوار برای کنترل نرخ خطا و اختلالات گذرا طراحی شده است و تداوم سرویس را بهبود می‌ بخشد. انواع روش های اصلی اتصال به زمین نقطه خنثی در ترانسفورماتور قدرت عبارتند از: 

عدم اتصال مستقیم نقطه خنثی به زمین:

در این روش، نقطه خنثی  به زمین متصل نمی شود، ولی با توجه به ظرفیت خازنی طبیعی با زمین، بصورت غیر مستقیم، به زمین متصل می شود.

• اتصال نقطه خنثی به زمین از طریق امپدانس

در این روش، اتصال زمین نقطه خنثی از طریق یک امپدانس، انجام می شود و می تواند به دو روش اجرا شود:

1-      اتصال از طریق مقاومت : اتصال از طریق مقاومت می تواند از طریق یک مقاومت بالا و یا پایین صورت پذیرد.

2-      اتصال به زمین از طریق راکتانس: راکتانس بالا، رزونانس (راکتانس بالا)، راکتانس کم

• اتصال مستقیم نقطه خنثی به زمین (موثر)

بیشترین تعداد اتصال به زمین های نقطه خنثی، از روش مستقیم یا موثر اجرا می شود. در این روش نقطه خنثی ترانسفورماتور بطور مستقیم به زمین متصل می شود و در پتانسیل زمین نگه داشته می شود ، این روش مزایای بسیاری دارد که مهمترین آنها به شرح زیر است:

ü      ولتاژ اعمال شده به عایق تجهیزات را محدود می کند. این نکته بسیار مهم است که عایق تجهیزات مصرف کننده انرژی الکتریکی، نباید تحت تنش الکتریکی قرار داشته باشند، استفاده از اتصال به زمین مستقیم نقطه خنثی، اختلاف پتانسیل عایق و بدنه تجهیزات را در کمترین ولتاژ نسبت به زمین نگاه داشته و از آسیب به عایق، تا حد بسیاری جلوگیری می نماید.

ü      ولتاژ سیستم قدرت و بدنه تجهیزات نسبت به زمین را  در شرایط عادی و خطا محدود می کند و ایمنی پرسنل را افزایش می دهد. در صورت افزایش ولتاژ بدنه نسبت به زمین، احتمال برقگرفتگی و خطرات شوک الکتریکی، افزایش می یابد و علاوه بر خطرات جانی، احتمال آسیب به تاسیسات و سیستم های الکتریکی و الکترونیکی را افزایش می دهد.

ü       اضافه ولتاژهای گذرا ، خطاهایی در شبکه برق هستند که به دلایل مختلفی مانند اتصال کوتاه، اصابت صاعقه، تخلیه صاعقه به زمین نزدیک، اصابت صاعقه به خطوط انتقال، انفجار ترانسفورماتور، طوفان و برخورد کابل های خط انتقال به یکدیگر، آرک فلش و خطاهایی مانند آن، ایجاد می شوند. مهمترین خصوصیت آنها، قدرت بالا و جاری شدن در زمانی بسیار کوتاه است. امکان جلوگیری از ایجاد آنها وجود ندارد ولی با تمهیداتی مانند استفاده از SPD ها و محافظ های اضافه ولتاژ،  می توان تا حدی از زیادی در مقال آنها، ایمن بود. اتصال به زمین یکی از مهمترین راهکارهای حفاظتی در مقابل اضافه ولتاژ های گذرا و ناگهانی می باشد.

ü      اتصال به زمین منبع انرژی می تواند نقطه رفرنس و مرجع رله جریان خطای زمین را فراهم نماید که امکان حفاظت سریع در مقابل خطاهای احتمالی  را فراهم می کند.

برخی از روش های دیگر اتصال به زمین نقطه خنثی که گاهی در سیستم‌های 600 ولت و پایین‌تر استفاده می‌شوند، وجود دارند ، از مهمترین آنها، می توان به موارد زیر اشاره نمود:

Ø      زمین نمودن خط : که معمولا از دو روش اجرا می شود:

1- ترانسفورماتور زمین زیگزاگ

2-دلتا

Ø      اتصال به زمین میان فاز

تجهیزات و زمین ایمنی

برق  و الکتریسیته، مهمترین انرژی ای است که در حال حاضر در تمام دنیا مورد استفاده قرار می گیرد، در صورت قطع این انرژی و نعمت الهی، گویی جریان زندگی از کار می افتد، امروزه به لطف اختراع دانشمند بزرگ  ادیسون، که به بشر طریقه استفاده از انرژی الکتریکی و الکتریسیته را آموخت، تمامی تجهیزات مورد استفاده در زندگی امروزی در محیط خانه یا محیط کار و خیابان ها، مملو از وسائل و سیستم هایی است که با برق کار می کنند.

درست است که برق نعمت و موهبتی بزرگ است ولی باید به این نکته توجه داشت باشید که خطرات بسیاری را نیز بهمراه دارد، بعنوان مثال عبور میزانی بسیار ناچیزی از جریان برق از بدن انسان، می تواند به قیمت جان وی تمام شود یا اینکه بخشی از بدن وی را فلج نماید، در نتیجه باید از خود، خانواده خود و تمام مردم و حتی موجودات زنده، در مورد خطرات برق، حفاظت نمود.

برخی از خطاهای الکتریکی که ممکن است در هر زمان و مکانی رخ دهد، می تواند به راحتی باعث آسیب به تجهیزات حساس و گرانقیمت الکترونیکی و کامپیوتری شود.

اتصال به زمین تجهیزات

اتصال زمینی تجهیزات به اتصال بدنه فلزی تمام تجهیزات الکتریکی که با برق کار می کنند و همچنین تمامی بخش فلزی ساختمان مانند فونداسیون و لوله های فلزی تاسیسات، اشاره دارد. به عنوان مثال می توان به کابینت تجهیزات سرویس، قاب ترانسفورماتورها و موتورها، لوله و جعبه های فلزی، سپر فلزی کابل های محافظ، تیرها، میلگردها و موارد دیگر اشاره کرد.

اتصال به زمین تجهیزات، ولتاژ بین قطعات غیر حامل جریان برق و زمین را به مقدار ایمن محدود می کند و حفاظت را افزایش می دهد. همچنین امکان پاک کردن سریع عیب را فراهم می کند.

اتصال تجهیزات برای رعایت استانداردهای ایمنی

اتصال زمین، شامل اتصال تمام قطعات فلزی غیرحامل برق به زمین است. به این ترتیب قطعات فلزی در یک پتانسیل مشترک و در حداقل اختلاف پتانسیل با زمین مرجع و زمین محلی قرار می گیرند.

این اتصال متقابل به عنوان یک مسیر با کمترین امپدانس عمل می کند که جریان خطای زمین را به طور ایمن هدایت می کند و به عملکرد سریع دستگاه های حفاظتی جریان اضافه بر روی یک سیستم متصل به زمین و همچنین عملکرد آشکارسازهای خطای زمین بر روی سیستم های اتصال به زمین با امپدانس بالا و سیستم های غیر زمینی کمک می کند.

اتصال به زمین استاندارد، شامل اتصال به زمین قطعات فلزی ساختمان (غیر الکتریکی) می پردازند که ممکن است به طور تصادفی و یا بر اثر یک خطا، برقدار شوند.

حفاظت در برابر الکتریسیته ساکن با زمین استاتیک

هدف از کنترل بارهای ساکن و الکتریسیته ساکن، حفاظت از افراد و اموال آنها می باشد. مالش و اصطکاک بین دو سطح از مواد عایق می تواند باعث شود الکترون ها از یک سطح به سطح دیگر منتقل شوند و اختلاف پتانسیل هزاران ولت ایجاد شود. این اختلاف پتانسیل می تواند باعث ایجاد جرقه های ساکن شود که منبع شروع یک آتش سوزی مهیب و یا نفجار هستند.

قطعات و تجهیزات الکترونیکی قادر به تحمل توان لحظه ای تولید شده توسط استاتیک نیستند. چندین روش برای محافظت در برابر خطرات الکتریسیته ساکن وجود دارد که اتصال زمین مناسب، یکی از روش های حفاظت از آنها است.

اتصال زمین استاتیک اتصال زمین با مقاومت کم را فراهم می کند و تولید الکتریسیته ساکن را کاهش می دهد. این عمل از ایجاد جرقه جلوگیری می کند.

مکان های خطرناکی مانند انبار های نگهداری مواد اشتعال زا و یا مواد منفجره وجود دارد که تبادل انرژی الکتریسیته ساکن، می تواند باعث خطرات جبران ناپذیری شود، این تبادل انرژی می تواند باعث ایجاد جرقه و در نهایت آتش سوزی شود و یا مانند یک چاشنی در مواد منفجره، باعث انجار آنها شود، مهمترین روش حفاظت در اینگونه مکان ها، اتصال به زمین صحیح و هم پتانسیل سازی اجزاء مختلف می باشد، استانداردهایی در روش های اتصال به زمین در این موارد، تبیین شده است.

القای الکترواستاتیک همچنین ممکن است منشاء شرایط گذرا باشد که باعث ایجاد رویدادهای غیرعمدی در مدارهای مجاور، عمل نمودن بی مورد رله ها، تحریک کلید های حفاظتی و قطع برق یا سیگنال های کاذب در مدارهای کنترلی ، انتقال انرژی به قطعات حساس و آسیب به آنها و مشکلات دیگر شود.

زمین حفاظت در برابر صاعقه

حفاظت در برابر صاعقه نقش اساسی در طراحی و بهره برداری از سیستم های قدرت الکتریکی دارد. در مناطقی که طوفان متعدد در آنها ایجاد می شود و یا اعد خیز هستند، خسارت و خطاهای بسیاری را تجربه کرده اند.

یک سیستم حفاظت در برابر صاعقه می تواند با منحرف نمودن ضربه اصلی صاعقه به زمین و حفاظت در مقابل ضربه های ثانویه با استفاده از قطعات و سیستم های حفاظتی متناسب،  از اشخاص و تجهیزات در مقابل این خطاها، حفاظت نماید. بنابراین، در جلوگیری از حوادث فاجعه بار مانند آتش سوزی، صدمات جانی و مرگ کمک می کند.

علاوه بر سیستم‌ های برق، سازه‌های بلند مانند دودکش‌ها، مخازن، برج‌ها و ساختمان‌ها ممکن است به سیستم ‌های حفاظت در برابر صاعقه نیاز داشته باشند، اگرچه همه اشیا یا سازه‌ها در یک مکان معین به آن‌ها نیاز ندارند. باز هم، مکان های خطرناک مهم هستند زیرا صاعقه جرقه ایجاد می کند و خطر آتش سوزی و انفجار زیاد است.

به خاطر داشته باشید که محافظت 100٪ از سازه در برابر ضربه های مستقیم غیرممکن است، مگر اینکه سازه را به طور کامل با فلز محصور کنید که این امر نیز، امکان ناپذیر است.

در مورد سیستم های انتقال، یک سیستم زمین که به خوبی طراحی شده باشد می تواند میزان خسارت را به میزان قابل توجهی کاهش دهد زیرا با انحراف ضربه مستقیم صاعقه و حفاظت در مقابل آن، هادی های فاز را محافظت می کند.

محافظت در برابر اضافه ولتاژهای ناشی از رعد و برق

اضافه ولتاژهای گذرا رویداد های روزانه در سیستم های قدرت الکتریکی هستند. سوئیچینگ سیستم های قدرت، منشاء  اصلی آنهاست، اما کنترل نوسانات سوئیچینگ نسبتا آسان است. خطاهای سوئیچینگ با منشاء رعد و برق، می تواند بسیار خطرناک تر باشد. آنها ممکن است ولتاژ سیستم را تا چند برابر ولتاژ نامی افزایش دهند. اگر تجهیزات موجود در سیستم قدرت در برابر امواج صاعقه ای محافظت نشوند، آسیب قابل توجهی رخ می دهد.

اتصال به زمین، علاوه بر محافظت در برابر ضربات مستقیم صاعقه، اثرات نوسانات القایی را کاهش می دهد.

به همین ترتیب، سرج ارستر ها در تمامی تجهیزات الکتریکی متصل می شوند تا جریان های گذرا را به زمین منحرف کنند.

نتیجه پایانی

• 1- یکی از مهم ترین اما کم درک شده ترین ملاحظات در طراحی سیستم های الکتریکی، اتصال به زمین و ارتینگ است.
• 2- سیستم ارتینگ از اتصال با کمترین امپدانس ممکن به زمین تشکیل شده است. زمین یک هادی ضعیف است اما برای اهداف حفاظتی ماف  به اندازه کافی خوب و مناسب است.
• 3- زمین در عملکرد صحیح سیستم های الکتریکی اعم از برق و الکترونیک و همچنین محافظت از افراد نقش اساسی دارد.
• 4- اتصال زمین سیستم به شناسایی و حفاظت از خطاهای الکتریکی کمک می کند.
• 5- اتصال زمین تجهیزات یک مسیر بازگشت برای جریان خطای زمین فراهم می کند.
• 6- تداوم سرویس دهی و جریان الکتریکی در یک سیستم قدرت را حفظ می کند.
• 7- زمین استاتیک از ایجاد الکتریسیته ساکن جلوگیری می کند و احتمال آتش سوزی یا انفجار را در مکان هایی که مواد خطرناک جابجا می شود کاهش می دهد.
• 8- اتصال به زمین حفاظت در برابر صاعقه به حفاظت از سازه ها و تجهیزات در برابر ضربه های مستقیم کمک می کند.
• 9- اتصال به زمین و برقگیرهای متصل به زمین، می توانند ولتاژهای خطرناک سیستم را به مقادیر ایمن،  محدود کنند.
• 10- ارتینگ مناسب تضمینی جهت عملکرد صحیح سیستم های حساس مخابراتی و کامپیوتری می باشد.