تعریف سیستم زمین الکتریکی و زمین حفاظتی

 

اصطلاحات و تعاريف:

بدنه هادی تجهيزات : بدنه يا اسکلت هادی مربوط به تجهيزات الکتريکی است که در دسترس بوده و می توان آن را لمس کرد. اين قسمت از تجهيز در وضعيت عادی برقدار نيست ولی ممکن است در اثر بروز نقصی در دستگاه يا ايجاد اتصالی داخلی برقدار شود.

زمين شده : وصل شده به ميله زمين (الکترود) يا وصل به سيستم هادی های گسترده که به جای زمين عمل می کند.

الکترود زمين    (Earth electrode) سازه های فلزی مدفون درخاک که می توانند مسير جريانهای سرگردان زمين را تسهيل يا گراديان پتانسيل زمين ناشی از اين جريانها را تغيير دهند الکترود زمين می گويند.

اين الکترودها می توانند شامل موارد ذيل باشند:

1-  لوله آب فلزی مدفون

2-  شبکه های فلزی ساختمان که بطور موثر در زمين قرار گرفته است

3-  ميلگردهای داخل بتن

4-  شبکه های مسی موسوم به رينگ زمين

يکی از موثرترين الکترودهای زمين يک رينگ يا شبکه فلزی است که به اسکلت ساختمان در فواصل مناسب متصل گرديده است.

هم بندي (bonding):وصل الکتريکي هر ترکيبي از اجزاي هادي ،بدنه ها ،قسمت هاي فلز ي در دسترس ،اجزاي فلزي ساختمانها ،انواع لوله

 کشي ها ،پوشش هادي و غيره به يکديگر به منظور از بين بردن اختلا ف پتانسيل احتمالي بين آنها در حالت عادي يا در صورت بروز اتصالی.

نول(neutral) . در سيستم تکفاز سيم برگشت جريان که پتانسيل آن نسبت به زمين صفر است و در سيستم سه فاز نقطه گره ستاره را نول می گويند، در اين جزوه نول سيمی  است که می تواند در بعضی حالات به زمين متصل شود.

زمين آرام (Quiet ground يا (Clean earth استاندارد IEEE 100 زمين آرام را اينگونه تعريف می کند: شبکه زمين ويژه که از بخش های قراردادی سيستم زمين قدرت  system groundPower  ايزوله می باشد و نويز الکترومغناطيسی و ولتاژهای ناخواسته موجود در لحظات خطا يا عادی زمين روی آن اثر نمی کند و موجب اخلال در عملکرد مطلوب کامپيوتر نخواهد شد .

معيار دقيقی جهت تعيين مقاومت زمين آرام در دست نمی باشد و زمينی که ولتاژهای ناخواسته ناشی از جريانهای داخل زمين را به کامپيوتر منتقل نکند خواه يک الکترود باشد خواه يک شبکه وسيع ايزوله، زمين آرام می باشد  .زمين آرام را با اين علامت نشان ميدهند.

زمين نويزی(noisy ground)برخلاف زمين آرام، زمين نويزی يک شبکه زمين  الکتريکی  است که استعداد القاء يا تزريق ولتاژهای ناخواسته ومزاحم را به سيستم کامپيوتر دارد. علامت زمين معمولي و يا زميني که استعداد جمع شدن نويز درآن زياد است نيز به شکل زير است

تداخل ناشی از ميدان الکترو مغناطيسی Electro Magnetic Interference (EMI)بهميدانهای الکترومغناطيسی    راه يافته در زمين بخاطر وقوع صاعقه، اتصال کوتاه در زمين های مجاور و نظائر آن که از سيگنالهای با فرکانس پايين شهری تا فرکانسهای راديوئی(RF) و سيگنالهای با سرعت بالای صاعقه را شامل می شود      EMIگويند.

براي اينکه سيستم ارت عملکرد رضايت بخشي داشته باشد بايد مجموعه اين سيستم مقاومت الکتريکي کمي نسبت به زمين داشته باشد و بتواند جريانهاي زياد را به راحتي از خود عبور دهد.

سه ويژگي مهم يک سيستم زمين عبارت است :

1- امپدانس الکتريکي بسيار پائين                                   Low  Electrical Impedance

2-مقاومت مکانيکي بسيار بالا                                     High  Mechanical Resistance

3- مقاومت بالا در برابر خوردگي                                  High  Corrosion  Resistance

تاثير جريان الکتريکي بر بدن

تاثير جريان الکتريکي عبوري از بدن تابع فرکانس f،ميزان i و مدت زمان t  عبور اين جريان ميباشد.تجربه نشان داده است که آدميان در برابر جريان الکتريسيته بين 50 و 60 هرتز که فرکانس معمولي در صنعت برق است حتي با شدت 1/0 آمپر کاملآ نا توان بوده اند در حاليکه در برابر همان جريان با فرکانس بين 3000 تا 10000 هرتز متوجه خطر عمده اي نشده اند.

جريان هاي تا 9 ميلي آمپردر فرکانس 50 تا 60 هرتز آسيب جدي در شخص ايجاد نميکند ولي چنانچه ميزان آن از 9 تا 25 ميلي آمپر افزايش يابد خطراتي مثل از کار افتادن ماهيچه هاي محل تماس مشهود بوده است جريان هاي بيشتر از 25 ميلي آمپرباعث از کار افتادن تنفس و يا منجر به مرگ خواهد شد.

جريان  بالاي 100 ميلي آمپر با فرکانس 60 هرتز که طبق جدول فوق موجب مرگ ميشود در فرکانس هاي بالاي 300 هرتز صرفآ موجب تحريک اعصاب ميشود .در جريانهاي با فرکانس 100 تا 200 کيلوهرتز نحوه اثر گذاري جريان روي بدن به جاي شوک و خارش به صورت حرارت ظاهر ميشود و اساسآ حرارت و سوختگي تنها اثرات شوک ناشي از عبور جريان با فرکانس هاي بالاي 100 کيلو هرتز ميباشد.

نکته قابل ذکر در ميزان خطر آفريني جريان الکتريسيته بر بدن،مدت زمان عبور اين جريان ميباشد.در اين خصوص ميتوان با استفاده از فرمول تجربي زير رابطه شدت جريان انتقالي و زمان عبور  آنرا محاسبه نمود. اين فرمول توسط DAISLER  بيان شده و در مورد 99.5 درصد افراد با وزن 50 کيلوگرم و زمان کمتر از 3 ثانيه صادق بوده است:

(  I_B)² * ts=0.0135

در اين رابطه ts   زمان انتقال جريان از بدن و I_B شدت جريان عبوري از بدن ميباشد.

به عنوان مثال طبق فرمول فوق به ازاي زمان0.5  ثانيه شخص ميتواند شدت جريان 164 ميلي آمپر را تحمل کند.با استخراج شدت جريان از فرمول بالا حداکثر جريان قابل انتقال از بدن فرد 50 کيلوگرمي را ميتوان به صورت زير محاسبه کرد.

I_B=0.116/√ts

با توجه به اينکه افراد با وزنهاي مختلف در برابر جريان الکتريسيته از خود مقاومت هاي متفاوتي نشان داده اند در استانداردها از جمله استاندارد  IEEE   حداکثر جريان مجاز قابل عبور از بدن يک فرد 70 کيلوگرمي اساس محاسبات واقع شده و لذا فرمول بالا بعدآ به صورت زير اصلاح و تکميل شده است :

(  I_B)² * ts=0.0246

I_B=0.157/√ts

فرمول فوق اساس ارزيابي شبکه زمين و تعيين پارامترهاي ايمني که در ادامه به آن ميپردازيم بوده است.

از لحاظ ولتاژ نيز در استانداردهاي ايران ولتاژ متناوب 50 ولت به بالا را ولتاژ خطرناک ميگوئيم

فلسفه و تاريخچه ارت

بين سالهاي 1880 تا 1892 خطوط انتقال و توزيع برق بدون اينکه نقطه نوترال يا نول زمين شده داشته باشند احداث مي شدند.و هيچ نقطه اي از شبکه و تجهيزات ارت نميشدند و اساسآ مفهومي به نام ارت وجود نداشت.

مشکلات برق گرفتگي و آتش سوزي در منازل و اماکن عمومي و صنعتي وجود داشت بدون اينکه فيوزهاي حفاظتي نصب شده در شبکه عيوب راتشخيص بدهند .

مشکلات ادارات بيمه جهت جبران خسارت بيشتر و بيشتر ميشد و به طور موازي تحقيقاتي جهت کاهش اين خطرات به عمل ميآمد.

در سال 1924 انجمن مهندسان برق ( IEE ) در انگلستان اتصال بدنه فلزي وسائل برقي به زمين يا همان ارت کردن را اجباري نمود هر چند اينکار ساده نبود و مشکلات فراواني داشت.

در سال 1923 فرانسه نيز در استانداردهاي ملي کشورش  ارت کردن بدنه تجهيزات برقي را الزامي نمود.

در سال 1927 فرانسه بحث ارت کردن نقطه نول ترانسفورماتورها را نيز تصويب نمود.

در سال 1935 استانداردهاي جامع حفاظت اشخاص و تجهيزات تدوين و اجرائي شد و از آن سالها به بعد ارتينگ همگاني شد.

 

فلسفه ارت کردن:

با دقت در شکلهاي ساده زير ميتوان به فلسفه ارت پي برد.

1-  در اين مدار ساده تکفاز که نول عمدآ به زمين متصل نشده صرفآ وقوع اتصالي مستقيم فاز به نول ميتواند فيوز را بسوزاند و جلوي خطرات بعدي را بگيرد .

در صورت اتصالي فاز به زمين و نول به زمين (هر يک به تنهائي) فيوز نخواهد سوخت و عيب ممکن است روزها وجود داشته باشد که منجر به آسيب به تجهيزات به خاطر تغيير در ولتاژ تغذيه آنها و يا آسيب به شبکه برق گردد.

در اين حالت اگر دست انسان به يک فاز يا نول بخورد خطري نخواهد داشت و فقط اتصال همزمان به فاز و نول باعث برق گرفتگي خواهد شد.

خلاصه :خطرات انساني :کمتر   آسيب به تجهيزات و شبکه برق :  زياد

2- همانطور که در تاريخچه نيز اشاره شد به خاطر حفظ پايداري شبکه برق و مسائل ديگر که در ادامه خواهد آمد در سال 1927 به بعد اتصال نول به زمين اجباري شد که در اينحالت وضعيت به صورت زير قابل بيان است :

اتصال فاز به زمين ميتواند فيوز را سوزانده و مدار و تجهيزات را محا فظت کند.

اتصال نول به زمين خطري براي شبکه و تجهيزات ندارد

اتصال بدن انسان به يک فاز( تنها) بسيار خطرناک است

اين وضعيت دو حالت دارد :

• اگر بدنه دستگاه به زمين که همان نول است وصل شده باشد

(يعني همان سيستم زمين حفاظتي )که در اينحالت فيوز سريعا سوخته و از عبور طولاني جريان به بدن جلوگيري ميکند

• اگر بدنه دستگاه به زمين که همان نول است وصل نشده باشد

يعني سيستم ارت نداشته باَشيم که در اينحالت بعيد است فيوز بسوزد لذا جريان برق تا زمانيکه شخص به خود آمده و خود را رها کند و يا کسي به کمک او بيايد از بدن عبور خواهد کرد و اين فاجعه است.

خلاصه اين حالت:

در صورت نصب سيستم ارت مناسب

خطرات انساني :کمتر              آسيب به تجهيزات و شبکه برق :  کمتر

در صورت عدم نصب ارت مناسب

خطرات انساني :در حد فاجعه         آسيب به تجهيزات و شبکه برق :  زياد

انواع زمين کردن

زمين کردن به طور کلي به دو بخش تقسيم ميشود:

1  -  زمين کردن الکتريکي يا زمين کردن نوترال يا نول کردن يا گراندينگ سيستم               Ground System

2-   زمين حفاظتي يا ايمني    Safety   Ground

از اين نوع سيستم حفاظتي در ايجاد ايمني براي افرادي که بنا به وظيفه شغلي در تماس با تجهيزات سيستم هاي الکتريکي و نيز براي افراد جامعه که مصرف کننده نهايي انرژي برق ميباشند ،استفاده ميشود.هدف ديگر از اين نوع سيستم زمين ، محدود کردن خطر آتش سوزي از راه قطع سريع مدار معيوب به کمک وصل بدنه هاي فلزي به هادي خنثي يا زمين است.

در برخي موارد تفکيک دو نوع اتصال زمين براي دو هدف بالا ممکن نيست و به  همين دليل ايجاد يک اتصال زمين براي هر دو منظور کافي است.ولي در بعضي شرايط تفکيک دو سيستم زمين لازم وضروري است و گاهي مسائل مربوط به زمين هاي ديگر مثل زمين صاعقه و زمين ابزار دقيق موضوع را پيچيده تر ميکند.

انواع زمين الکتريکي :

روشهاي مختلف زمين کردن نوترال عبارتند از :

الف-زمين کردن به شکل مستقيمSolidly  ground                                                                        

ب-زمين کردن از طريق مقاومت Resistance ground                                                                     

ج-زمين کردن از طريق راکتانسReactance  ground                                                                    

د-زمين کردن از طريق ترانسفورماتورTransformer  ground                                                            

ه-زمين کردن ايزوله يا زمين کردن از طريق ارسترIsolated ground or ungrounded                                

هر يک از اين روشها ويژگي خاصي دارد که موضوع بحث اين جزوه نميباشد و اطلاعات کامل را دراستاندارد IEEE Std C37.101-1993 ميتوان يافت.

انواع زمين حفاظتي:

سيستم زمين حفاظتي دراستانداردها و مدارک جديد از جهات گوناگون مورد طبقه بندي قرار گرفته که کامل ترين و جديدترين آنرا ميتوان به صورت زير بيان نمود:

1-گراند تجهيزات                                Equipment Ground

2-گراند صاعقه گير                               Lightning Ground

3-گراند بارهاي ساکن                          Electrostatic Ground

4-گراند ايزوله                                         Isolated Ground

5-گراند منفرد يا مستقل                       Transformer Ground

6- گراند سيگنال مرجع                     Reference   Signal  Ground

1-گراند تجهيزات :

عبارت است از اتصال تمام قسمتهاي فلزي يک دستگاه که

 در حالت عادي جرياني از آنها عبور نميکند به زمين

مثل اتصال بدنه لوازم برقي ،موتورها درل و غيره به

 زمين  اين نوع سيستم از معمول ترين و اصلي ترين نوع گراند است

به اين ترتيب در حالت عادي سيم گراند نقشي ندارد و جرياني از آن عبور نميکند

 ولي در حالتي که بنا به دلايلي مثلآ به خاطر خراب شدن پوشش و عايق، سيم فاز به بدنه فلزي دستگاه بخورد  ( اتصالي کند)  اين  امر باعث قطع سريع فيوزي که اين دستکاه از آن تغذيه ميکند خواهد شد و لذا پيش از وقوع هر خطري دستگاه معيوب بي برق ميشود و از کار مي افتد.

نكات قابل ذكر در اين سيستم :

1- بهتر است سيم گراند روكش دار باشد و داخل لوله و يا كانالهاي فلزي و هادي عبور داده شود.

2-سيم گراند بايستي درون همان سيني ،كانال و يا لوله  ( ترجيحآ فلزي ) كشيده شود و از لوله مجزا استفاده نشود ،زيرا اين لوله به عنوان شيلد عمل ميكند و از سوار شدن نويز روي سيم هاي تغذيه تجهيزات الكترونيكي حساس جلوگيري ميكند.

2-گراند صاعقه گير:

ايجاد يک مسير ايمن و غير مخرب براي عبور جريان ناشي از صاعقه که مستقيمآ روي ساختمان يا تجهيزات فلزي در محوطه تخليه ميشود را از بام تا زمين گراند صاعقه گير گويند.

در صورتي که صاعقه به طور مستقيم به ساختمان يا تجهيزات فلزي روي بام يا  کنار ساختمان بخورد و ساختمان سيستم گراند برق گير نداشته باشد و يا اين سيستم درست طراحي و اجرا نشده باشد جريان صاعقه به جاي عبور از مسير امن گراند از طريق ديگر تجهيزات فلزي مثل مخزن آب ،آنتن ،دود کش ،ناوداني و غيره به زمين ميرسد و اين تخليه جريان که در بعضي اوقات در حد کيلوآمپر است ميتواند خطرات زيادي را براي افراد و تجهيزات داشته باشد.

در شماتيک روبرو با اينکه سيستم گراند برق گير هم اجرا شده ولي به علت  بالا بودن مقاومت گراند يا شل بودن کلمپ ها و يا قدرت و شدت بيش از حد  جريان صاعقه، اين جريان از دو مسير يکي مسير گراند صاعقه  و ديگري  از طريق مخزن  و لوله آب عبور کرده است

 که ميتواند براي اشخاصي که در آن  لحظه با    سيستم لو له کشي در ارتباط هستند خطرناک باشد.

گراند صاعقه گير شامل 5 بخش به شرح زير ميباشد

1-هاديهاي برقگير                                         Air terminals

2-هم بندي بام                                               Roof Ring

3-هاديهاي نزولي Down Conductors                              

4-رينگ پائين                                                  Earthing mesh

5-سيستم زمين چاهي يا ميله اي                     Earthing System

البته بايستي توجه داشت كه جهت بعضي ساختمانها با كاربري خاص مخصوصآ مخازن حاوي مواد قابل اشتعال و انفجار ،انبارهاي مواد قابل انفجار و زاغه هاي مهمات و مواد محترقه بايستي از سيستم معروف به سيستم معلق suspension  ِيا mast –shielding   استفاده مي شود كه در زير به طور نمونه نشان داده شده است

-گراند بارهاي ساکن :

بارهای ساکن، ناشی از اضافه يا کمبود الکترون در اتم های اجسام می باشند و جسمی که بازاء هر    100.000 اتم خود، يک الکترون کم يا زياد داشته باشد باردار قوی محسوب می باشد.

ولتاژی که بر اثر بارهای ساکن ايجاد می شود با مقدار بار ذخيره شده در آن جسم (Q) و ظرفيت جسم نسبت به محيط اطراف خود  ((C بوسيله رابطه V=Q/C ارتباط پيدا می کند.

اگر روند توليد بارهای ساکن در يک جسم بيشتر از نرخ نشت آن باشد ولتاژ جسم، رفته رفته افزايش   می يابد به حدی که بالاخره سبب يک تخليه ناگهانی انرژی (spark) به بخشی از محيط اطراف ميشود که اين تخليه ناگهانی در پاره ای از موارد خطر آفرين خواهد بود.

افزايش ولتاژ قبل از تخليه می تواند به چندين هزار ولت برسد اما چون بارها ساکن بوده و جاری نيستند احتمال تبديل فرآيند تخليه بارها (spark) به فرآيند جرقه (ignition) در يک محيط معمولی  خيلی کم است.

الکتريسيته ساکن در صنايع معمولاً درموارد ذيل توليد می گردند:

1- عبور مواد پودر شده از روی نقاله های بادی

2- چرخش تسمه ها و کمربندهای انتقال قدرت غير هادی

3- جاری شدن هوا، گاز يا بخار مواد، از مجراها و دريچه ها

4- حرکت هايی که سبب تغيير موقعيت سطوح تماس مواد غير مشابه مايع يا جامد ميگردد که  حداقل يکی از اينها هادی الکتريسيته خوبی نباشد.

5- بدن انسان، در محيط های خشک و کم رطوبت بر اثر تماس کفش با کف ساختمانها، بار ساکن تا چند هزار ولت توليد می گردد،

 همچنين توليد بار در بدن انسان می تواند براثر کارکردن نزديک عوامل توليد الکتريسيته ساکن مثل موارد 1 تا 4 فوق و يا براثر نزديک شدن به خودروهايی که دارای بار ساکن هستند بوجود آيد.

هم بندي   ( bonding)و اتصال به زمين (grounding)  دو جسم که احتمال تجمع وتخليه بارهاي ساکن بين آنها وجود دارد روش موثري جهت از بين بردن اثرات سوء بارهاي ساكن است.

در اين روش بخش های مختلف تجهيزات و ماشين آلات به هم متصل شده و تماماً به زمين وصل می شوند. اين روش می تواند پاره ای از مشکلات بارهای ساکن را مرتفع نمايد. اين نوع گراند را گراند بارهاي ساکن ميگويند.

همانطور که در شکل زير مشخص است در حالت A  جسم غير هادي سمت راست باردار است بنابر اين نسبت به جسم سمت چپ  و زمين اختلاف پتانسيل دارد که ممکن است در بعضي مواقع تخليه آن  سبب خطراتي از جمله خطر آتش سوزي گردد.

در حالت B دو جسم توسط سيم هادي به هم وصل شده اند بنا بر اين بين دو جسم سمت راست وچپ اختلاف پتانسيلي وجود ندارد ولي بين اين دو با زمين اختلاف پتانسيل وجود دارد.

در حالت C   پس از وصل دو جسم به زمين ديگر هيچگونه اختلاف پتانسيلي بين اجسام و زمين وجود ندارد و خطر به کلي رفع شده است.

4-گراند ايزوله:

تاثير نويزهاي ايجاد شده توسط منبع تغذيه برروي بارهاي حساس را گاهي اوقات ميتوان با ايجاد يک زمين ايزوله براي آن بهبود بخشيد .اينکار با استفاده از پريز هاي زمين ايزوله انجام ميگيرد.

در اين نوع سيستم ، سيم گراند تجهيزات خاصي مثل تجهيزات الكترونيكي حساس به نويز را بدون اينكه در مسير تغذيه تا دستگاه به بخش هاي فلزي و تابلو هاي فرعي  و سوكت ها وصل نمود به طور ايزوله براي آن دستگاه مورد نظر مي كشيم و سيم زمين ايزوله تنها در فيذر تغذيه ورودِ به ارت متصل ميشود. به اين ترتيب  تاثير نويزهاي ايجاد شده توسط منبع تغذيه بر روي بارهاي حساس الكترونيكي را كاهش داده ايم.

هادي مربوط به زمين ايزوله ممکن است از کليه تابلوها عبور کرده و به زمين محلي متصل نشود تا در انتها در ورئدي سرويس زمين شود.حالتي خاص از زمين هاي ايزوله براي تعدادي ازتجهيزات بيمارستاني بکار ميرود.

-گراند منفرد

يک سيستم منفرد داراي زمين مرجعي است که مستقل از ديگر سيستم ها ميباشد.مثال مرسوم در اين زمينه استفاده از يک ترانسفورماتور با نسبت تبديل يک به يک و از نوع مثلث ستاره ميباشد. (0رجوع به شکل هاي زير).

نقطه گره ثانويه به زمين محلي جديدي متصل ميشود تا زمين مرجع جديدي بسازد که از سيستم اصلي مستقل است.سيستم هاي منفرد يک مرجع زمين محلي براي بارهاي حساس ايجاد ميکنند.در اين حالت مقدار نويز در دستگاههاي متصل به اين سيستم زمين به طور قابل ملاحظه اي کاهش مييابد .مزيت ديگر اي روش کاهش دامنه جريان نوترال در سيستم توزيع اصلي است.

-گراند شبکه اي سيگنال مرجع

از مهم ترين سيستم هاي گراند در دهه هاي اخير است اين سيستم زمين بيشتر به خاطر كاربرد سوم سيستم زمين يعني كاهش نويز در سيستم هاي كنترل و مخابرات و تله متري استفاده ميشود.

با گسترش فن آوری تبادل اطلاعات بين کامپيوترها از طريق ماهواره يا سرورمحلی (اينترنت، اينترانت و ...) که گاهی سرور مايل ها از کامپيوترهای فرعی دور بود بحث نويز هم جدی شد. به اين ترتيب که کامپيوترهای دور از هم دارای  تغذيه های جداگانه ودور از هم هستند و در اينصورت امکان هم بندی (Bonding)سيستم هايی که با هم در حال تبادل داده هستند عملاً غير ممکن بود، دراينصورت بر اثر عبور جريانهای سرگردان و اضافی در زمين، بين کامپيوترهای در حال تبادل داده اختلاف ولتاژ ايجاد ميشد، اين اختلاف ولتاژ گذرا ممکن است دارای فرکانس شبکه برق (60 هرتز، 50 هرتز) يا فرکانس های بالاتر باشد.

بنابراين در صورتی که کامپيوترهای اصلی و فرعی دور از هم به همراه سيستم زمين قدرت به شبکه زمين ساختمان خود وصل شده باشند اختلاف پتانسيل قابل توجهی درحد چندولت بين دو کامپيوتر توليد می شود که می تواند روی سيگنال های معمولی ارتباطی بين کامپيوترها اثر سوء داشته باشد.

درصورتيکه سيستمهای سنتی يعنی اتصال کامپيوترها از طريق پريز برق به ارت و سپس اتصال به نول استفاده شده باشد مسير برگشت نول، جريان غيرقابل کنترلی روی سيستم زمين جاری می کند.

در هر نقطه که نول به زمين متصل شده و مسيرهای موازی وجود دارد جريان به نسبت عکس امپدانس ها طبق قانون اهم تقسيم می شود.

بر اثر اين جريان غيرقابل کنترل که روی سيستم زمين اعمال می شود و روی سيستم برق شهر هم تاثير سوء  می گذارد(چون نول برق شهر به ارت متصل شده) اصطلاحاً شبکه برق با زمين نويزی(noisy) يا کثيف (dirty) خواهيم داشت. (شکل فوق)

در اينصورت کامپيوترهايی که از اين شبکه برق شهر با ارت نويزی برق می گيرند دچار اخلال خواهند شد. 

توجه  :در اين مبحث به طور کلی به همه تجهيزات حساس به جريانهای ناخواسته  تجهيزات الکترونطکي حساس يا کامپيوتر گفته می شود.

تمامي اجزاء.يک سيستم اتوماسيون صنعتی که شامل زير سيستم های زير است نيز  تجهيزات الکترونيکی حساس گفته مي شود: 

• PLC
• Industrial computers
• Operator interface terminals
• Display devices
• Communication network

 

جريانهای سرگردان الکترومغناطيسی Electro Magnetic Interference (EMI) پديده ناخواسته ای است که می تواند روی تجهيزات الکتريکی و الکترونيکی حساس مثل کامپيوترهاَ، دستگاههای تلفن مرکزی، سيستم های کنترل ميکروپروسسوری، اينورترها و تمامی تجهيزات ديجيتال تاثير سوء داشته باشد.

 

 در ابتدا اين پديده و راههای کنترل آن صرفاً در سيستم های نظامی و هوافضا مورد توجه قرار داشت.

ولی در زندگی روزمره کنونی که اطراف محل زندگی و کار و تفريح ما چندين دستگاه حساس الکترونيکی و ميکروپروسسوری وجود دارد بی اعتنائی وعدم  نگاه جدی به اين پديده نوعی سهل انگاری و بی تفاوتی محسوب می گردد.

 در ابتدا آمريکا و سپس اروپا (EU) مرامنامه و دستورالعملی به شماره 89/336/EEC صادر نموده و کشورهای عضو ملزم به اجرای مفاد اين مرامنامه می باشند و هدف آن مقابله با آثار سوء و مخرب EMI می باشد.

آثار سوء EMI در درجه اول ايجاد نويزهای مزاحم و اخلال در کيفيت تبادل داده و اطلاعات می باشد که در عصر انفجار اطلاعات(    .(Information Technology)  يا    IT   بسيار پررنگ تر ظاهر گرديده است و دوم ايمنی تجهيزات و اشخاص در مقابل آثار زيانبار EMI خواهد بود.

در ادامه جزوه و بعد از مبحث انواع سيستم هاي توزيع درباره اين سيستم بيشتر توضيح داده خواهد شد.

تقسيم بندي سيستم هاي فشار ضعيف از نظر روش زمين کردن

در فشار ضعيف سه نوع سيستم نيرو معمول ميباشد:

*سيستم T N  که خود به سه گونه مختلف ميباشدکه عبارتند از :

T N-C-S

T N-C

T N-S

*سيستم T T

*سيستم I T

حرف اول از سمت چپ مشخص کننده رابطه نول  سيستم با زمين است به اين صورت که :

T  يعني نقطه نول مستقيمآ به زمين وصل است

I  يعني نقطه نول از طريق يک امپدانس به رمين متصل است يا نسبت به زمين ايزوله است

حرف دوم از سمت چپ مشخص کننده ر ابطه بدنه هاي هادي تاسيسات با زمين است به اين صورت که :

N  يعني بدنه هاي فلزي تجهيزات از نظر الکتريکي مستقيمآ

به نقطه زمين شده ترانس اصلي متصل شده اند

T  يعني بدنه هاي فلزي مستقل از اتصال زمين سيستم نيرو به زمين وصل ميشوند.

علاوه بر اين در مورد سيستم  TN از حروف اضافي ديگري براي مشخص کردن نحوه به کار گيري هاديهاي حفاظتي  PE و خنثي N

استفاده ميشود.

TN-C  يعني در سراسر سيستم بدنه هاي فلزي  به سيم  مشترک حفاظتي و خنثي PEN   متصل اند.

TN-S   يعني در سراسر سيستم بدنه هاي فلزي از طريق يک هادي مجزا  PE  به نقطه خنثي در مبدآ سيستم وصل ميشوند.

TN-C-S يعني بخشي از سيستم از مبدآ تا نقطه تفکيک داراي هادي توام حفاظتي و خنثي PEN   بوده و از آن نقطه به بعد دو هادي حفاظتي ( PE  )و خنثيN   از هم جدا ميشوند

سه سيستم ارت TN-IT و TT و زير سيستم هاي آنها به طور کامل در استاندارد

 IEC 364 تعريف و تبيين شده اند.

شكل هاي زير نيز ميتواند به تشخيص و تفكيك اين سيستم ها از هم كمك كند.

استفاده از سيستم هاي فوق بين کشورهاي مختلف متفاوت است.

ايران به طور صريح در استاندارد شبکه هاي توزيع وزارت نيرو تاکيد کرده که سيستم TN   استفاده شود .

در کشورهاي مجموعه بريتانيا نيز از سيستم TN   استفاده ميشود در آلمان سيستم  TN-C   استفاده ميگردد .

ساير کشورها از جمله فرانسه و اغلب کشورهاي آفريقائِي از سيستم TT   استفاده ميکنند.

سيستم IT    در نروژ استفاده ميشود.هر سه سيستم در هر حال چون اساسآ سيستم ارت هستند از نظر مسائل ايمني تقريبآ قابل قبول هستند اما در مقام مقايسه تفاوتهائي نيز با هم دارند.

مرور نکات مهم هر يک از اين سيستم ها :

الف : سيستم IT

در اين سيستم در حالت  عادي و سالم  ولتاژ نقطه خنثا (نول ) نسبت به زمين برابر صفر است و در اين هنگام ولتاژهايموجود هيچ تنش اضافي را بر روي عايق بندي هادي خنثي و هاديهاي فازها در سرتاسر سيستم ، بوجود نخواهند آورد.

U_N-E =  0

U_L1-E= U_O =230 v

U_L2-E=U_O=230 v

U_L3-E=U_O=230v

اما اگر به سبب سانحه اي در سيستم ، يکي از فازها (L3 در شکل زير ) به زمين وصل شود ،وضعيت ولتاژهاي سيستم  به قرار زير است

U_N-E  = U_O = 230 v

U_L1-E = U =   400 v

U_L2-E= U =  400 v

U_L3-E = U =  0 v

پس ولتاژ نول نسبت به زمين در سيستمي که يک فاز آن به زمين وصل شده است ديگر برابر صفر نبوده بلکه برابر Uo   ميشود .  در اين هنگام ولتاژهاي موجود تنشي را بر عايق بندي هادي خنثي و هاديهاي فازها در سرتاسر سيستم به وجود خواهند آورد.

در سيستم IT   اولين اتصال به بدنه در سيستم سبب قطع برق تجهيزاتي که اتصالي در آن واقع شده است نميشود ودر همان حال تماس با بدنه تجهيزات سبب برق گرفتگي نميگردد ،اين سيستم در بسياري از کاربردهاي حساس بي همتا است .بعضي از مواردي که استفاده ازسيستم IT  در آنها توصيه ميشود عبارتند از :

-اتاق هاي عمل   ICU و CCU

-معادن روباز و زير زميني

-سيستم هاي توليدي که قطع برق در آنها ممکن است  سبب خساراتي شود مثل :

• شيشه سازي
• کوره هاي مواد مذاب
• صنايع شيميائي و مهمات سازي
• تغذيه کامپيوترها

در سيستم IT  پس از اولين اتصالي و در هنگامي که هنوز فرصت رفع عيب و ترميم سيستم پيدا نشده است ،اگر دومين اتصالي اتفاق بيفتد جريان اتصال کوتاه در اينحالت بالا رفته و شبيه سيستم TN  خواهد شد در اينحالت ولتاژ تماس بين بدنه هادي که فازها به آن اتصال شده با زمين بالا خواهد رفت و خطرات زيا دي خواهد داشت.

ب : سيستم TN

در اين سيستم با توجه به اينکه اتصال هر فازبه زمين به مثابه وصل مستقيم فاز به نول است حتمآ جريان اتصال کوتاه شديدي از مدار و فاز معيوب عبور کرده و فيوز به تنهائي نيز ميتواند مدار معيوب را سريعا  قطع نمايد .و نياز به رله هاي جريان باقيمانده يا RCD   نيز ندارد ولي مشکل اصلي در اين سيسستم را مي توان دو عامل دانست

1- عبور جريان اتصالي بسيار شديد ودر حد 20 کيلو آمپر در لحظات بسيار کوتاه قبل ازقطع فيوز ميتواند موجبات جرقه ،آتش سوزي و يا انفجار فيوز ها و کليدهاي حفاظتي را شامل شود.

2- ملاحظات تجربي و تئوري نشان مي دهد که  مهم ترين اتفاق خطرناکي که در يک سيستم TN  هم از نظر جاني و هم از نظر اقتصادي  بشر را تهديد ميکند پارگي هادي خنثي N   حفاظتي PE   و يا حفاظتي /خنثي PEN  است .

مخصوصآ در سيستم TN-C  پارگي هادي PEN  بزرگترين خطر در يک سيستم ميباشد .پارگط هادي PEN  دو نوع خطر ايجاد ميکند.

1-      ولتاژ بدنه هاي هاديممکن است به مدتي طولاني بيش از مقدار مجاز شود و خطر برق گرفتگي به وجود آورد.

2-      به علت مواج شدن و متغير بودن بيش از حد هادي  PEN  ولتاژهاي بين هر فاز و هادي PEN  ممکن است به شدت تغيير کند و سبب شکست عايق بندي و سوختن لوازم شود.

البته در اين سيستم يک مشکل ديگر نيز وجود دارد وآن اين است که بعضي ازتجهيزات سيستم را به يک الکترود زمين انفرادي وصل ميکنند بدون اينکه آن الکترود به هادي حفاظتي PE  و يا حفاظتي /خنثي PEN  هم وصل شده باشد .در اين حالت و در بعضي مواقع نادر که مقاومت الکترود انفرادي از مقاومت کل سيستم کوچکتر باشد اگر يک اتصالي بين هريک از فازها و بدنه هادي اتفاق افتد ،ولتاژ همه بدنه هاي هادي سيستم ممکن است به مقدار خيلي بيشتر از مقدار مجاز برسد.

ب : سيستم TT

در سيستم هاي با اتصال مستقيم و مستقل بدنه ها به زمين ( TT ) ، تامين مقاومت کم براي الکترود اتصال به زمين طبق جدول زير به منظور استفاده از فيوز يا کليد خودکار براي تامين ايمني بسيار مشکل است و بنابر اين لازم است چاره جوئي ديگري به عمل آيد .

 

 

راه حل استفاده از کليدهاي جريان تفاضلي يا RCD  است

کليدهاي جريان تفاضلي کليدهائي هستند که اگر جمع برداري جريانهاي خروجي از کليد با جمع جريانهاي ورودي به آن برابر نباشد يعني بخشي از جريان هر چند کوچک ،به جاي برگشتن ازطريق هاديهاي مدار از راه ديگري مانند زمين به منبع برگردد واکنش نسان داده و کليد را قطع ميکند ،ساختن RCD  با حساسيت زياد ( چند ميلي آمپر )  امکان پذير است و براي همين در کاربرد آنها ميتوان بر خلاف شرائطي که در استفاده از فيوز وجود دارد از شبکه هاي زمين با مقاومت زياد هم استفاده کرد . جدول زير حداکثر مقاو.مت هائي را نشان ميدهد که براي کليدهاي جريان تفاضلي با جريانهاي عامل مختلف قابل استفاده ميباشند.

 

 

کليدهاي RCD  مانند فيوزها در دو نوع سه فاز و تک فاز ارائه ميشوند که فرق اصولي با يکديگر ندارند و در نوع تکفاز فاز و نول به آن ميروند و فاز و نول از آن خارج ميشوند.

بنابر اين در سيستم TT علاوه بر فيوز هاي خودکار يا معمولي بايستي از کليد فيوزهاي RCD نيز استفاده شود .

با مرور جدول مزبور به سادگي ميتوان پي برد که سيستم TT از تمامي جهات سيستم کاملي است و قطعآ در آينده نيز در اکثر کشورها از اين سيستم استفاده خواهد شد.هر چند اجراي اين سيستم از بقيه آنها گرانتر ميباشد.

 

از لحاظ ميزان جريان اتصال کوتاه که پارامتر بسيار مهمي است نيز اين سيستم ها قابل مقايسه هستند ضمن اينکه بايد بدانيم هر چقدر اين جريان کمتر باشدسيستم از لحاظ  مسائل ايمني و نويز و اغتشاش بهتر خواهد بود

مقايسه جريانهاي فوق نيز بر مناسب بودن سيستم TT صحه خواهد گذاشت زيرا گر چه IT  جريان اتصال اول يا يک فاز به زمين بسيار کمي دارد ولي جريان اتصالي دو فاز به زمين آن بسيار بالا ودر حد سيستم TN خواهد بود.

       تقسيم بندي سيستم هاي DC از نظر روش زمين کردن (خلاصه )

در سيستم هاي برق جريان مستقيم نيز به هر حال احتمال وقوع خطاهاي انساني و يا معيوب شدن تجهيزات وجود دارد لذا مانند سيستم هاي جريان متناوب نيازبه طراحي و نصب سيستم ارت وجود دارد.

به طور مثال در خودرو که تغذيه آن به طور کامل DC است و يا در سيستم هاي  مخابراتي و تامين برق UPS ها و غيره و اتفاقا استفاده از برق DC  روز به روز با رشد سيستم هاي کنترل و مانيتورينگ رو به تزايد ميباشد

هدف از ارتينگ يا گراندينگ در DC  نيز مانند AC  تعبيه يک مسير برگشت جهت جريانهاي خطاي احتمالي ميباشد.در شکل هاي زير به طور شماتيک انواع روشهاي گراندينگ  DC نشان داده شده است.

IEC  براي تشخيص سيستم ها و هاديهاي مختلف در جريان مستقيم ازهمان نشانه هائي استفاده ميکند که براي جريان هاي متناوب استفاده ميشود .براي جريان مستقيم IEC  از دو حرف لاتينdc در انتهاي علامت استفاده ميکند

در زير سيستم هاي متداول جريان مستقيم طبق گروه بندي IEC  نشان داده شده است

توضيحات کامل در استاندارد NFC-15-100  آورده شده است.

 

برچسب‌ها: سیستم زمین, ارت, گراند, زمین حفاظتی, زمین الکتریکی شرکت فنی و مهندسی سازه نیرو...