سیستم اتصال به زمین

در این مقاله تعاریف اولیه، اتصالات همبندی و اجزای سیستم اتصال به زمین را بررسی می کنیم.

تعاریف مربوط به اتصالات زمین یا Earthing connections

استانداردهای ملی و بین المللی مانند IEC 60364 به وضوح المان های مختلف اتصالات زمین را شرح می دهند. اصطلاحات زیر معمولا در صنعت و منابع برای شرح سیستم های زمین یا ارتینگ استفاده می شوند. اعداد داخل پرانتز به بخش های مشخص شده در تصویر بعدی اشاره می کنند:

• الکترود زمین (1): یک هادی یا گروهی از هادی های به هم متصل شده که در زمین قرار می گیرند. این هادی ها تامین کننده ی اتصال الکتریکی با زمین هستند. اطلاعات بیشتر در بخش 1.6 همین فصل شرح داده شده است.
• زمین: جرم رسانای زمین که پتانسیل الکتریکی آن در هر نقطه ای به صورت قراردادی، صفر در نظر گرفته می شود.
• الکترودهای زمین مستقل از نظر الکتریکی: الکترودهای زمین که به اندازه ی کافی از یکدیگر دور هستند و حداکثر جریان عبوری یکی از آن ها، تاثیر قابل توجهی بر پتانسیل الکترود یا الکترودهای دیگر نداشته باشد. به عبارت دیگر الکترودها باید به اندازه ای از یکدیگر دور باشند تا حداکثر جریان خطای زمین در یک الکترود، باعث ایجاد اختلاف ولتاژ در الکترودهای دیگر نشود.
• مقاومت الکترود زمین: مقاومت تماس یک الکترود زمین با زمین
• هادی ارت یا هادی اتصال زمین (2): یک هادی حفاظتی که ترمینال اصلی ارت تاسیسات با شماره 6 را به الکترود زمین با شماره 1 یا دیگر بخش های اتصال زمین مانند سیستم های TN متصل می کند.
• قسمت های رسانا یا فلزی در دسترس: قسمت فلزی تجهیزات که قابل لمس بوده و به صورت عادی برقدار نیستند. قسمت های در دسترس ممکن است هنگام رخ دادن خطای الکتریکی برقدار شوند.
• هادی حفاظتی (3): یک هادی که برای برخی از تدابیر حفاظتی در برابر شوک الکتریکی استفاده می شود. هادی حفاظتی برای اتصال بخش های زیر در نظر گرفته شده است:
  • بخش های فلزی در دسترس
  • بخش های فلزی خارجی
  • ترمینال اصلی زمین یا ارت
  • نقطه ی زمین شده منبع یا نوترال ساختگی
• قسمت های رسانای خارجی (4): قطعه یا قطعات فلزی که اغلب دارای پتانسیل زمین بوده و بخشی از تاسیسات الکتریکی نیستند. به عنوان مثال:
  • کف یا دیوارهای غیر عایق، اسکلت فلزی ساختمان ها
  • لوله های فلزی آب، گاز، سیستم گرمایش، هوای فشرده و غیره به همراه تجهیزات فلزی همراه آن ها که بخشی از تاسیسات الکتریکی نیستند.
• هادی هم بندی یا باندینگ (5): یک هادی حفاظتی که برای اتصال بین بخش های فلزی و ایجاد سطح هم پتانسیل استفاده می شود.
• ترمینال اصلی زمین (6): ترمینال یا شینه ای که برای اتصال تمام هادی های حفاظتی به تجهیزات سیستم اتصال زمین به کار برده می شود. منظور از هادی های حفاظتی تمام سیم های مربوط به هم بندی یا ایجاد سطح هم ولتاژ، ارت عملکردی و غیره است.

تصویر 1: نمونه ای از یک واحد آپارتمان که در آن ترمینال اصلی ارت با شماره 6، اتصال تمام بخش های فلزی به یکدیگر برای ایجاد سطح هم پتانسیل را فراهم می کند. اتصال قابل جدا شدن شماره 7 به منظور اندازه گیری مقاومت سیستم اتصال زمین تعبیه شده است. برای اندازه گیری مقاومت الکترود باید آن را از قسمت های دیگر ایزوله کنید.

اتصالات

سیستم اصلی همبندی یا باندینگ جهت ایجاد سطح هم پتانسیل: سیستم باندینگ اصلی توسط هادی حفاظتی اجرا شده و هدف آن اطمینان از عدم ایجاد سطوح با پتانسیل های متفاوت در بخش فلزی ورودی به ساختمان است. به عنوان مثال بخش های رسانا و خارجی مانند لوله های آب و گاز ورودی به ساختمان را در نظر بگیرید. پتانسیل بخش های فلزی مانند لوله ها می تواند بعلت رخ دادن خطای خارج از ساختمان، افزایش پیدا کند. با پیاده سازی سیستم هم بندی اصلی، تمام بخش های فلزی ورودی به ساختمان دارای یک پتانسیل بوده و اختلافی بین آن ها ایجاد نمی شود.

تصویر 2: باندینگ لوله های فلزی

اتصالات هم بندی اصلی باید در نزدیک ترین نقطه ی ورودی بخش های فلزی به ساختمان انجام شود. به عنوان مثال تمام لوله های فلزی در ورودی ساختمان به یکدیگر و در نهایت به شینه یا ترمینال اصلی زمین با شماره 6 متصل خواهند شد. در نظر داشته باشید که اتصال شیلد فلزی کابل های مخابرات و ارتباطی به زمین، نیاز به اخذ مجوز از صاحبان کابل دارد.

تصویر 3: شینه و سیم های ارت (شینه های ارت به صورت بدون مقره نیز ساخته می شوند.)

اتصالات تکمیلی همبندی یا باندینگ: اتصالات تکمیلی جهت ایجاد ارتباط الکتریکی بین بخش های فلزی در دسترس و هادی های خارجی انجام می شود.اتصالات تکمیلی هنگامی اهمیت ویژه پیدا می کند که شرایط صحیح حفاظتی برآورده نشده باشد. به عنوان مثال هادی های باندینگ اولیه مقاومت بالا و غیر قابل قبولی داشته باشند.

اتصال بخش های فلزی در دسترس به الکترود یا الکترودهای زمین: اتصال بخش های فلزی در دسترس تجهیزات توسط هادی حفاظتی انجام می شود. هدف اصلی این اتصال، ایجاد یک مسیر مناسب و با مقاومت پائین برای هدایت جریان خطا به سمت الکترود زمین است.

اجزای سیستم اتصال زمین

اتصال صحیح تمام بخش های فلزی در دسترس ساختمان و بدنه ی فلزی وسایل و تجهیزات الکتریکی برای حفاظت در برابر شوک الکتریکی الزامی است. برای اطلاعات بیشتر جدول زیر را مطالعه کنید.

جدول 1: فهرست بخش هایی که باید به عنوان قسمت های رسانای در دسترس Exposed-conductive-parts و رسانای خارجی Extraneous-conductive-parts در نظر گرفته شوند.

جدول 2: فهرست بخش هایی که نباید به عنوان قسمت های رسانای در دسترس و رسانای خارجی در نظر گرفته شوند.

مفهوم طرح های ارت استانداردشده

طرح ارت بر اساس اقدامات لازم در خصوص حفاظت افراد هنگام تماس غیر مستقیم مشخص می شود. انتخاب سیستم ارت یا سیستم اتصال به زمین توسط طراح یا مجری تاسیسات الکتریکی انجام خواهد شد. سیستم ارتینگ سه بخش اصلی و مستقل را شرح می دهد. این بخش ها عبارت اند از:

• روش اتصال سیستم الکتریکی و بخش های فلزی در دسترس به الکترود یا الکترودهای زمین: سیستم الکتریکی معمولا از طریق هادی نول یا خنثی به زمین متصل می شود. بدنه تجهیزات می تواند به بخش زمین شده منبع تغذیه یا سیستم اتصال زمین مجزا متصل شود.
• یک هادی حفاظتی جداگانه یا ترکیب هادی حفاظتی و نوترال و تبدیل آن ها به یک هادی

استفاده از تجهیزات حفاظت اضافه جریان برای حفاظت در برابر خطای زمین یا استفاده از رله های تکمیلی با قابلیت تشخیص جریان های بسیار پائین ناشی از خطای زمین عایق شده: سیستم های حفاظتی اضافه جریان مانند فیوز و بریکرهای معمولی فقط قادر به تشخیص جریان های نسبتا زیاد هستند. در این روش باید خطای زمین با مقاومت بسیار پائین و جریان بسیار بالا رخ بدهد تا توسط سیستم اضافه جریان قابل تشخیص باشد. در طرف مقابل سیستم های تشخیص نشتی جریان مانند RCD ها یا Residual current devices schemes و رله های EF یا Earth fault relay قرار دارند. این تجهیزات می توانند خطای زمین با جریان بسیار پائین و در حد میلی آمپر را شناسایی کنند. قابل ذکر است که بریکرهای قدرت مجهز به رله های دیجیتال جهت شناسایی خطای با جریان بالا و خطای زمین نیز وجود دارند.

تصویر 4: بریکر نشتی جریان و بریکر ترکیبی ABB

انتخاب های فوق در عمل گروه بندی و استاندارد سازی شده اند. طرح های ارت با عنوان های مختلف مانند طرح سیستم قدرت، سیستم های توزیع نیروی برق یا آرایش سیستم ارت شناخته می شوند. طرح های مختلف ارت بیان کننده خصوصیات اتصال زمین تاسیسات پائین دست سیم پیچ ثانویه ی ترانسفورماتور MV/LV است. در این سیستم ها، لوازم مورد نیاز جهت اتصال زمین بخش های فلزی تاسیسات فشار ضعیف تغذیه شونده از ترانس نیز مشخص خواهد شد. هر یک از طرح های سیستم نیرو دارای مزایا و اشکالاتی هستند. برخی از مزایا و معایب طرح های حفاظتی عبارتنداز:

• اتصال بخش های فلزی تجهیزات و هادی خنثی یا نول به هادی حفاظتی PE باعث هم ولتاژ شدن و اضافه ولتاژ کمتر می شود. ایراد این طرح افزایش جریان خطای فاز به زمین است.
• جدا کردن هادی حفاظتی حتی با سطح مقطع های کوچک باعث افزایش هزینه ها خواهد شد اما احتمال آلودگی آن توسط افت ولتاژ و هارمونیک و غیره بسیار کمتر از یک هادی خنثی است. در این طرح از جریان های نشتی اجزای رسانای خارجی نیز جلوگیری می شود.
• رله های حفاظتی جریان باقی مانده یا دستگاه های نظارت بر عایق الکتریکی بسیار حساس بوده و در اغلب موارد از خسارت های سنگین در موتورها، آتش سوزی، برقگرفتگی و غیره جلوگیری می کنند. حفاظت های فوق به صورت تکمیلی و مستقل بوده و بر اساس تغییرات در تاسیسات عمل می کنند. این سیستم های حفاظتی باعث افزایش هزینه ی اولیه تاسیسات الکتریکی خواهد شد.