سیستم TN و نحوه اجرای آن

اصول اولیه سیستم TN

در سیستم TN تمام بخش های فلزی تجهیزات و بخش های فلزی در دسترس موجود در تاسیسات به صورت مستقیم و با هادی حفاظتی، به نقطه ی ارت شده ی منبع تغذیه متصل خواهد شد. همانطور که در مقاله انواع سیستم ارتینگ اشاره شد، روش اتصال مستقیم به این بستگی دارد که کدام یک از حالت های TN-C، TNS یا TN-C-S از طرح ارتینگ TN استفاده شده است. در تصویر بعدی روش TN-C نمایش داده شده است. طرح ارتینگ TN-C دارای یک هادی مشترک به نام PEN بوده که به عنوان هادی خنثی و حفاظتی عمل می کند.

هرگونه خطای ناشی از شکست عایقی به بدنه یا زمین در سیستم های TN منجر به اتصال کوتاه بین فاز و نول خواهد شد. سطح اتصال کوتاه فاز به زمین در سیستم های TN بالا بوده و امکان استفاده از تجهیزات حفاظتی اضافه جریان را فراهم می کند. در صورت استفاده از تجهیزات حفاظتی اضافه جریان در سیستم های TN، اتصال فاز به زمین می تواند ولتاژ تماسی در حد 50 درصد ولتاژ فاز به نول ایجاد کند. این ولتاژ خطرناک در یک بازه ی کوتاه و از زمان رخ دادن خطا تا قطع مدار ظاهر خواهد شد. وضعیت سیستم ارت در تاسیسات مختلف به این شرح است:

• در شبکه های توزیع از ارت مکرر با فاصله های منظم و در امتداد هادی حفاظتی PE یا PEN استفاده می شود.
• متقاضی یا مصرف کننده ملزم به احداث الکترود زمین در درگاه ورودی یا نقطه ی سرویس می باشد.
• در تاسیسات بزرگ اغلب از الکترودهای اضافی به صورت پراکنده و اطراف ساختمان ها استفاده می شود. این الکترودها به منظور کاهش ولتاژ تماس تا حد ممکن احداث می شوند. در ساختمان های بلند مرتبه، تمام بخش های رسانای خارجی در هر سطحی به هادی حفاظتی متصل می شود.

به منظور اطمینان از عملکرد سیستم های حفاظتی اضافه جریان، باید جریان خطای زمین برابر یا بیشتر از جریان عملکرد آن ها در زمان مشخص باشد. جریان عملکرد سیستم های حفاظتی اضافه جریان با Ia مشخص شده است. جریان خطای فاز به زمین در سیستم TN به صورت زیر محاسبه می شود:

\[I_d=\frac{U_0}{Z_s}\ or\ 0.8\frac{U_0}{Z_C}\]

پارامترهای فرمول فوق عبارتنداز:

• Id جریان خطا
• U0 ولتاژ نامی فاز به زمین سیستم
• Zs امپدانس حلقه ی خطای زمین که برابر با امپدانس منبع، امپدانس هادی فاز تا نقطه ی خطا و هادی حفاظتی از نقطه ی خطا تا برگشت به منبع می باشد.
• Zc امپدانس حلقه ی مدار معیوب که در مقالات بعد شرح داده خواهد شد.
• Ia جریانی که باعث عملکرد سیستم های حفاظتی در زمان مشخص خواهد شد.

توجه داشته باشید که مسیر الکترودهای ارت تا بازگشت به منبع دارای امپدانس بیشتری از مقادیر ذکر شده بوده ولی نیاز به در نظر گرفتن آن نیست.

مثال

در تصویر زیر لحظه ی رخ دادن خطای داخلی و متصل شدن فاز 1 به بدنه ی تجهیز در سیستم TN نمایش داده شده است. در لحظه ی خطا ممکن است حدود نیمی از ولتاژ نامی سیستم روی بدنه ی فلزی تجهیز ظاهر شود. مقدار Uf در شبکه ی 230 ولت برابر با 115 ولت بوده که مقدار خطرناکی است.

تصویر 1: قطع خودکار از منبع تغذیه در سیستم TN

امپدانس حلقه ی خطا در تصویر فوق برابر با Zs=Zab+Zbc+Zde+Zen+Zna می باشد. اگر بیشترین امپدانس مربوط به هادی های BE و DE باشد،  Zbc و Zde به این شکل محاسبه خواهد شد:

\[Zs=2\rho \frac{L}{S}=64.3m\textrm{Ω}\]

جریان خطا یا Id در این مدار از تقسیم ولتاژ نامی سیستم بر امپدانس حلقه به دست می آید:

\[Id=\frac{230}{64.3\times {10}^{-3}}=3.576A\]

در مدار فوق از یک بریکر NSX160 اشنایدر الکتریک به عنوان حفاظت اضافه جریان استفاده شده است. حفاظت اضافه جریان شامل دو پارامتر اضافه بار و اتصال کوتاه می شود. همانطور که مشاهده می کنید جریان خطا در این مدار حدود 3.5 کیلو آمپر و تقریبا 22 برابر جریان نامی بریکر خواهد بود. جریان نامی این بریکر 160 آمپر است. جریان عملکرد لحظه ای یا instantaneous بریکر با توجه به واحد حفاظتی یا Trip Unit آن مشخص می شود. این پارامتر در برخی از بریکرها ثابت و در برخی به صورت قابل تنظیم است. در بریکرهای الکترونیک با دقت بسیار زیادی می توان جریان عملکرد لحظه ای را تنظیم کرد. طبق تصویر در یک بریکر حرارتی مغناطیسی فیکس، این مقدار 1250 آمپر و خیلی کمتر از جریان خطای 3576 آمپر است. در این بریکر مقدار جریان لحظه ای غیر قابل تنظیم است. بیشتر بودن جریان خطا از جریان عملکرد لحظه ای بریکر باعث قطع آن در زمان مطلوب و دستیابی به حفاظت مناسب خواهد شد.

تصویر 2: بریکر NSX160F اشنایدر بخش اضافه بار قابل تنظیم و جریان لحظه ی فیکس

برخی منابع معتقد هستند که هنگام رخ دادن خطا، میزان U0 سیستم حدود 20 درصد کاهش پیدا می کند. این افت ولتاژ بعلت امپدانس مدار معیوب ایجاد شده و می تواند مقدار جریان اتصال کوتاه را کاهش دهد. در فرمول زیر روش محاسبه ی جریان اتصال کوتاه با 20 درصد افت ولتاژ را مشاهده می کنید. طبق این فرمول میزان جریان اتصال کوتاه از 3576 آمپر در ولتاژ کامل به 2816 آمپر در 80 درصد ولتاژ کاهش پیدا کرده است. این روش پیشنهادی برای محاسبه ی جریان خطا در مقالات بعد شرح داده خواهد شد.

\[\frac{230\times 0.8\times {10}^3}{64.3}=2.816A\approx 18\ In\]

حداکثر زمان قطع مشخص شده

در استاندارد IEC 60364-4-41 حداکثر زمان عملکرد سیستم های حفاظتی استفاده شده در سیستم TN جهت حفاظت خطا مشخص شده است:

• برای تمام مدارهای نهایی تا جریان 63 آمپر با یک یا چند پریز و مدار 32 آمپر تغذیه کننده ی تجهیزات ثابت، حداکثر زمان جداسازی نباید از مقادیر داده شده در جدول زیر بیشتر شود.
• برای تمام مدارهای دیگر، حداکثر زمان جداسازی به صورت ثابت و معادل 5 ثانیه است. این محدودیت امکان عملکرد موضعی تجهیزات حفاظتی نصب شده در مدارهای توزیع را فراهم خواهد کرد.

ممکن است نیاز به استفاده از RCD ها در مدار ارت شده ی TN باشد. جهت استفاده از RCD ها در سیستم های TN-C-S باید هادی های حفاظتی و خنثی در بالادست تجهیز از یکدیگر جدا شده باشند. جداسازی هادی های خنثی و حفاظتی معمولا در درگاه ورودی یا نقطه ی سرویس انجام می شود.

T (s)	Uo (VAC)
0.8	50 < Uo ≤ 120
0.4	120 < Uo ≤ 230
0.2	230 < Uo ≤ 400
0.1	Uo > 400

جدول1: حداکثر زمان جداسازی از منبع تغذیه در سیستم TN برای مدارهای نهایی با جریان نامی تا 63 آمپر با یک یا چند پریز و مدارهای 32 آمپر جهت تغذیه ی مصرف کننده های نصب ثابت

حفاظت با بریکر در سیستم TN

واحد عملکرد آنی بریکر یا instantaneous trip unit of a circuit breaker می تواند خطای زمین را در کمتر از 0.1 ثانیه قطع کند. سرعت عملکرد بالای بریکر، تضمین کننده ی قطع خودکار از منبع تغذیه در زمان مجاز است. با برقراری شرط Ia=Im، می توان از تمام مدل های بریکر با تریپ یونیت های مغناطیسی و الکترونیک با فانکشن لحظه ای یا با وقفه ی بسیار کوتاه استفاده کرد. تاکید می شود که همیشه باید حداکثر تلرانس اعلام شده توسط استاندارد مربوطه در نظر گرفته شود.

به منظور اطمینان از عملکرد بریکر هنگام رخ دادن خطای زمین کافی است مقدار جریان خطای محاسبه شده یا تخمین زده شده در محل سایت یعنی U/Zc یا U/Zs از جریان عملکرد لحظه ای یا با وقفه ی کوتاه بریکر بیشتر باشد. بیشتر بودن جریان خطا از جریان عملکرد لحظه ای بریکر باعث قطع مدار در زمان مجاز خواهد شد. جریان عملکرد لحظه ای بریکر اغلب با Im مشخص شده و می تواند به صورت ثابت یا قابل تنظیم باشد. دامنه ی تنظیم Im به نوع تریپ یونیت بریکر بستگی دارد. در تریپ یونیت های الکترونیک می توان مقدار Im یا جریان عملکرد لحظه ای بریکر را با دقت بالا و دامنه ی گسترده ای تنظیم کرد.

در تصویر منحنی عملکرد بریکر با دو فانکشن کوتاه مدت و لحظه ای آورده شده است. طبق منحنی، مقدار جریان خطای محاسبه شده به شکل U0/Zs از جریان عملکرد لحظه ای یا Im بیشتر بوده و بریکر را به صورت آنی قطع می کند.

تصویر 3: جداسازی با بریکر در سیستم TN

در تصویر یک بریکر NSX160B اشنایدر با تریپ یونیت الکترونیک را مشاهده می کنید. جریان نرمال این بریکر توسط دیال Io از 63 تا 160 آمپر قابل تنظیم است. توسط دیال Ir می توان رنج انتخاب شده را در بازه ی 0.9 تا 1 تنظیم کرد. به عنوان مثال با قرار دادن Io روی 63 و Ir روی 0.9 مقدار جریان نرمال بریکر معادل 56.7 خواهد بود.

در بخش Isd می توان جریان عملکرد لحظه ای بریکر را تنظیم کرد. این بخش دارای بازه ی 1.5 تا 10 بوده و در مقدار تعیین شده در Ir ضرب می شود. به عنوان مثال با قرار دادن Io روی 100 و Ir روی 1 و Isd روی 1.5، این بریکر جریان های بالاتر از 150 آمپر را بالافاصله قطع خواهد کرد.

تصویر 4: بریکر NSX160B اشنایدر

حفاظت با فیوز

فیوز دارای یک المان یا لینک ذوب شونده داخلی است. این لینک به اضافه جریان حساس بوده و می تواند از مدار در برابر خطای جریانی محافظت کند. سرعت عملکرد فیوز به میزان جریان عبوری از آن بستگی دارد. افزایش جریان عبوری از فیوز باعث عملکرد آن در زمان کوتاه تری خواهد شد. رابطه ی بین جریان و زمان عملکرد فیوز به شکل یک منحنی معکوس با عنوان منحنی جریان-زمان نمایش داده می شود. جهت حفاظت مدار و عدم ایجاد ولتاژ تماس روی بدنه ی فلزی تجهیزات، باید لینک داخلی فیوز در زمان مجاز قطع شود. از طریق منحنی فیوز می توان مقدار جریانی که باعث عملکرد صحیح فیوز در زمان مجاز می شود را تعیین کرد.

همانطور که قبلا شرح داده شد می توان جریان خطا را به شکل U0/Zs یا 0.8U0/Zc محاسبه کرد. تاکید می شود که جریان خطا باید به حدی زیاد باشد تا عملکرد صحیح فیوز در زمان مجاز را تضمین کند. شرط عملکرد فیوز به شکل ایمن در فرمول و تصویر نمایش داده شده است:

\[I_a<\frac{U_0}{Z_s}\ or\ 0.8\frac{U_0}{Z_C}\]

تصویر 5: جداسازی از منبع توسط فیوز در سیستم TN

تصور کنید که از یک فیوز به منظور حفاظت مدار 230 ولت استفاده شده باشد. طبق جدول قبل، زمان مجاز جداسازی از منبع در سیستم TN با ولتاژ 230 ولت معادل 0.4 ثانیه است. در منحنی بالا مقدار جریانی که فیوز را در زمان 0.4 ثانیه قطع می کند با Ia مشخص شده است. در نظر داشته باشید که تعیین جریان عملکرد فیوز باید بر اساس منحنی آن صورت بگیرد. منحنی عملکرد باید از شرکت سازنده فیوز دریافت شده و با جریان و مدل آن مطابقت داشته باشد. با مشخص بودن ولتاژ و جریان Ia یا جریان عملکرد فیوز در 0.4 ثانیه می توان امپدانس مدار را محاسبه کرد. امپدانس به دست آمده از طریق فرمول زیر مربوط به کل حلقه یا مدار است:

\[Z_s=\frac{{230}_v}{I_a}\ or\ Z_C=0.8\frac{{230}_v}{I_a}\]

تاکید می شود که امپدانس مدار هرگز نباید از مقدار به دست آمده از طریق فرمول بیشتر شود. افزایش امپدانس مدار به معنی عملکرد فیوز در زمان طولانی تر و ایجاد ولتاژ تماس خواهد بود.

حفاظت با تجهیزات جریان باقی مانده

همانطور که قبلا شرح داده شد؛ هادی های خنثی و حفاظتی در مدارهای TN-C مشترک هستند. با توجه به مشترک بودن این دو هادی، امکان حفاظت مدارهای TN-C با تجهیزات جریان باقی مانده وجود ندارد. از تجهیزات جریان باقی مانده یا RCD ها باید در شرایط زیر استفاده کرد:

• در مدارهایی که امپدانس آن ها به صورت دقیق مشخص نیست. به عنوان مثال تخمین طول مدار دشوار بوده و یا اجزای فلزی در نزدیکی سیم ها وجود دارد.
• در مدارهایی که جریان خطا در آن ها بسیار پائین بوده و امکان جدا سازی در زمان مجاز با تجهیزات حفاظت اضافه جریان وجود ندارد.

جریان عملکرد RCD ها بر اساس مدل تعیین شده و در بازه ی چند میلی آمپر تا چند آمپر قابل انتخاب است. رخ دادن خطای فاز به زمین در اغلب مدارها باعث عبور جریانی بیشتر از مقدار عملکرد RCD ها خواهد شد. به عبارت دیگر RCD ها با انواع مدارها سازگار بوده و به خوبی باعث جداسازی منبع در زمان مجاز می شوند. در عمل، تجهیزات جریان باقی مانده در مدارهای توزیع فرعی فشار ضعیف نصب می شوند. در اکثر کشورها، قطع خودکار منبع تغذیه مدارهای نهایی باید توسط RCD ها انجام شود.

شرایط اولیه سیستم TN

در مرحله ی طراحی باید حداکثر طول مجاز کابل پائین دست فیوزهای ذوب شونده یا بریکر محاسبه شود. همانطور که می دانید طول کابل یا سیم تعیین کننده ی امپدانس مدار است. افزایش امپدانس مدار به معنی کاهش جریان خطا و عدم عملکرد صحیح سیستم های حفاظتی خواهد بود. علاوه بر محاسبات ذکر شده باید قوانین خاصی در اجرای تاسیسات رعایت شود. توجه به الزامات و استانداردها حین اجرای مدارهای الکتریکی الزامی است. قوانین خاص سیستم TN در تصویر و توضیحات بعد از آن آورده شده است. جهت مطالعه توضیح هر بخش به عدد مربوطه در لیست مراجعه کنید:

تصویر 6: الزامات طرح ارتینگ TN

1. هادی حفاظتی PE باید به صورت منظم و تا حد ممکن به زمین متصل شود.
2. هادی حفاظتی PE نباید از مسیرهای فرومغناطیسی مانند لوله ها، داکت ها و موارد مشابه عبور کند. علاوه بر این هادی حفاظتی نباید روی سطوح فولادی نصب شود. اثرات القایی و مجاورتی می تواند باعث افزایش امپدانس موثر هادی حفاظتی و کاهش جریان خطا شود.
3. در صورتی که از هادی PEN با هردو نقش حفاظتی و خنثی استفاده می شود، ابتدا باید آن را به ترمینال اتصال زمین تجهیزات متصل کرده و سپس با یک جمپر آن را به ترمینال نول متصل کنید. اتصال مستقیم هادی PEN به ترمینال نول و استفاده از جمپر برای اتصال به بدنه ی تجهیز مجاز نمی باشد. در نظر داشته باشید که نقش اصلی این هادی مربوط به حفاظت است.
4. هنگامی که در مدار از هادی های مس با سطح مقطع کوچکتر-مساوی 6 میلی متر مربع یا هادی آلومینیومی 10 میلی متر مربع یا کابل قابل جابجایی استفاده شده باشد، باید هادی های خنثی و حفاظتی را از یکدیگر جدا کنید. به عبارت دیگر در شرایط فوق باید سیستم TN-S اجرا شود.
5. در سیستم TN ممکن است از تجهیزات حفاظت اضافه جریان مانند بریکر یا فیوز برای شناسایی و قطع خطای زمین استفاده شود.

توجه داشته باشید که:

• در طرح ارتینگ TN باید نقطه ی نوترال LV ترانسفورماتور MV/LV، بخش های فلزی در دسترس پست و تاسیسات و بدنه ی فلزی تجهیزات پست و تاسیسات همگی به یک سیستم زمین مشترک متصل شوند.
• در پست هایی که اندازه گیری آن ها در سطح فشار ضعیف انجام می شود باید یک ایزولاتور یا جداکننده ی مناسب در درگاه ورودی قرار داده شود. ایزولاتور فوق باید ایمن بوده و جداسازی آن به وضوح قابل مشاهده باشد.
• هادی PEN تحت هیچ شرایطی نباید قطع شود.

تجهیزات کنترلی و حفاظتی در پیکربندی های مختلف سیستم TN باید:

• هنگامی که مدار شامل هادی PEN است یعنی چهار سیمه: سه فاز بعلاوه هادی مشترک حفاظتی و خنثی، به صورت 3 پل انتخاب شوند.
• هنگامی که مدار شامل هادی حفاظتی و خنثی جداگانه است یعنی پنج سیمه: سه فاز بعلاوه نول و هادی حفاظتی، ترجیحا 4 پل انتخاب شوند.

محتوای این مقالات برگرفته از کتاب تاسیسات فشار ضعیف (طرح های ارتینگ و RCD) تالیف مثلث زرد می باشد. این کتاب دارای مجوز از وزارت فرهنگ و ارشاد اسلامی بوده و هر گونه کپی و نسخه برداری و انتشار مجدد غیرمجاز بوده و پیگرد قانونی دارد.