سیستم ارت TT و نحوه اجرای آن

آنچه در این مقاله می خوانید−

سیستم ارت TT و نحوه اجرای آن
- اصول اولیه در سیستم TT
  - مثال
- جنبه های عملی

اصول اولیه در سیستم TT

در طرح ارتینگ TT دو سیستم زمین مجزا وجود دارد. طبق تصویر در سیستم ارت TT، تمام بخش های فلزی در دسترس و بخش های فلزی مربوط به تاسیسات باید به یک الکترود مشترک متصل شوند. اتصال به این الکترود از طریق هادی حفاظتی PE انجام خواهد شد. سیستم زمین حفاظتی اغلب داخل تاسیسات اجرا شده و ممکن است از چندین الکترود به هم پیوسته تشکیل شده باشد. بزرگی سیستم زمین به نوع و گستردگی تاسیسات بستگی دارد.

تصویر 1: طرح ارتینگ سیستم TT

نقطه ی نوترال یا خنثی منبع تغذیه در سیستم TT نیز به صورت مجزا اتصال زمین خواهد شد. توصیه می شود الکترود مربوط به نقطه ی خنثی ترانسفورماتور و الکترود حفاظتی تاسیسات با فاصله ی کافی از یکدیگر اجرا شوند. این فاصله بعلت جلوگیری از تاثیر الکترودها بر یکدیگر است.

امپدانس حلقه ی خطای زمین در سیستم TT شامل مسیر دو الکترود زمین، یعنی الکترود داخل تاسیسات و الکترود نقطه ی خنثی ترانسفورماتور به صورت سری است. با توجه به جدا بودن دو الکترود و بسته شدن حلقه ی خطا از طریق زمین، میزان جریان خطا در سیستم ارت TT اغلب بسیار پائین است. پائین بودن جریان خطا به معنی عدم عملکرد سیستم های حفاظتی اضافه جریان مانند بریکرها و فیوزها هنگام رخ دادن خطای زمین خواهد بود. برای رفع این مشکل باید از سیستم های جریان باقی مانده استفاده شود. به عبارت دیگر استفاده از RCD ها در سیستم ارتینگ TT ضروری است. جهت آشنایی با RCD ها مقاله ی RCD چیست را مطالعه نمایید.

اصل حفاظتی فوق هنگام استفاده از یک الکترود زمین مشترک نیز صادق است. در بسیاری از موارد بعلت نوع پست و محدودیت های فضا، ممکن است سیستم ارتینگ TN به متقاضی تحمیل شود ولی امکان برآورده کردن شرایط دیگر آن وجود نداشته باشد. به منظور حفاظت جداسازی خودکار منبع تغذیه در سیستم TT با تجهیزات جریان باقی مانده ی بسیار حساس، باید شرط زیر برقرار باشد:

\[I_{\Delta n}\le \frac{50}{R_A}\]

در فرمول فوق:

\(I_{\Delta n}\) جریان عامل تجهیزات RCD است. به عنوان مثال بریکرهای نشتی جریان بسیار حساس دارای کمتر مساوی 30 میلی آمپر هستند.
\(R_A\) مقاومت الکترود زمین تاسیسات است. در این بخش باید حداکثر مقاومت در طول زمان لحاظ شود.

هنگام تغذیه ی تجهیزات موقت در محل کار، اماکن کشاورزی، باغبانی و غیره مقدار 50 ولت با 25 ولت جایگزین خواهد شد.

قطع خودکار منبع تغذیه در سیستم TT با تجهیزات جریان باقی مانده یا RCD با حساسیت \({\boldsymbol{I}}_{\boldsymbol{\Delta }\boldsymbol{n}}\boldsymbol{\le }\frac{\boldsymbol{50}}{{\boldsymbol{R}}_{\boldsymbol{A}}}\) حاصل خواهد شد. در این فرمول \({\boldsymbol{R}}_{\boldsymbol{A}}\) مقاومت الکترود حفاظتی تاسیسات است.

مثال

در تصویر زیر نحوه ی عملکرد RCD هنگام رخ دادن خطا در سیستم ارت TT نمایش داده شده است. قطع خودکار منبع تغذیه در این مثال از ایجاد ولتاژ تماس و برقگرفتگی غیر مستقیم جلوگیری می کند. در نظر داشته باشید که RCD ها یا دستگاه های جریان باقی مانده به شکل های متنوعی ساخته می شوند. دستگاه های جریان باقی مانده می توانند به صورت مجزا و یا ترکیب شده با ادوات حفاظتی دیگر مانند بریکرها در مدار قرار بگیرند. در قسمت های بعدی ساختمان و روش نصب انواع RCD به صورت کامل شرح داده می شود.

تصویر2: جدا سازی خودکار منبع تغذیه با نصب RCD در سیستم TT

در تصویر فوق یک دستگاه الکتریکی دچار نقص داخلی شده و فاز 1 آن به بدنه متصل شده است. این خطا می تواند بعلت شکست عایقی در تجهیزات مانند الکتروموتور رخ داده باشد. المان های نشان داده شده در تصویر عبارتنداز:

\(R_n\) الکترود نقطه ی خنثی ترانسفورماتور در محل پست: مقاومت این الکترود در مثال فوق 10 اهم است.
\(R_A\) الکترود حفاظتی تاسیسات: مقاومت این الکترود در مثال فوق 20 اهم است.
جریان حلقه ی خطا یا Id: این جریان از فاز 1 ترانسفورماتور آغاز شده و از طریق الکترودهای تاسیسات و نقطه ی خنثی ترانسفورماتور بسته می شود. مجموع مقاومت الکترودها معادل 30 اهم است. با تقسیم ولتاژ حدود 230 ولت بر این مقاومت، جریان خطا حدود 7.7 آمپر خواهد بود. جریان 7.7 آمپر بسیار پائین بوده و باعث عملکرد بریکرهای معمولی و فیوزها نخواهد شد.
\(U_f\) ولتاژ خطا: عبور جریان خطا باعث ایجاد ولتاژ روی بدنه ی تجهیز خواهد شد. مقدار این ولتاژ از طریق فرمول \(U_f=I_d\times R_A\) یا ضرب جریان خطا در مقاومت الکترود تاسیسات به دست می آید. به عبارت دیگر روی بدنه ی تجهیز فوق میزان ولتاژ خطا برابر با \(U_f=7.7A\times 20\mathrm{\Omega }=154V\) خواهد بود.

همانطور که مشاهده کردید، ولتاژ ایجاد شده روی بدنه ی دستگاه بسیار خطرناک بوده و باعث برقگرفتگی غیر مستقیم می شود. به منظور حفاظت این مدار با قطع خودکار منبع تغذیه باید از RCD استفاده گردد. جریان عامل این RCD با در نظر گرفتن ولتاژ تماس 50 ولت و مقاومت الکترود 20 هم معادل \(I_{\Delta n}\le \frac{50}{20}=2.5A\) خواهد بود. یک RCD با جریان عامل 300 میلی آمپر در خطای فوق، مدار را با زمان 30 میلی ثانیه و بدون هیچ گونه تاخیری قطع می کند. با نصب این تجهیز، مقدار ولتاژ خطا روی بدنه ی فلزی تجهیز از 50 ولت تجاوز نخواهد کرد.

انتخاب میزان حساسیت یا جریان عامل RCD بر اساس مقاومت الکترود تاسیسات یا \(R_A\) انجام می شود. در جدول زیر مقدار و حداکثر مقاومت الکترود زمین برای دو ولتاژ 50 و 25 ولت آورده شده است. همانطور که مشاهده می کنید، با کاهش جریان عامل RCD، میزان مقاومت الکترود تاسیسات افزایش پیدا می کند. به عنوان مثال با نصب یک دستگاه جریان باقی مانده با ، حداکثر مقاومت الکترود زمین در ولتاژ 50 و 25 ولت به ترتیب 1666 و 833 اهم خواهد بود. روش ایجاد یک الکترود ارت با چنین مقاومت بالایی در تاسیسات بسیار ساده است.

جدول 1: حداکثر مقاومت قابل قبول الکترود ارت تاسیسات برای RCD با جریان عامل مختلف

حداکثر مقاومت الکترود زمین		I _Δn
(25 V)	(50 V)	I _Δn
8 Ω	16 Ω	3A
25 Ω	50 Ω	1A
80 Ω	100 Ω	500 mA
83 Ω	166 Ω	300 mA
833 Ω	1666 Ω	30 mA

جنبه های عملی

تعیین حداکثر زمان قطع

زمان قطع RCD ها معمولا کمتر از الزامات تعیین شده در اغلب استانداردهای بین المللی است. این ویژگی باعث سادگی استفاده از RCD ها و فراهم کردن حفاظت موضعی یا سلکتیو خواهد شد. استاندارد IEC 60364-4-41 حداکثر زمان عملکرد تجهیزات حفاظتی در سیستم ارت TT به منظور حفاظت در برابر تماس غیر مستقیم را مشخص کرده است. زمان عملکرد برای تمام مدارهای نهایی با جریان نامی کمتر از 63 آمپر با یک یا چند پریز و مدارهای 32 آمپر جهت تغذیه ی تجهیزات ثابت در جدول زیر آورده شده است.

تاکید می شود که زمان عملکرد سیستم های حفاظتی نباید از مقادیر ارائه شده در جدول تجاوز کند. برای تمام مدارهای دیگر، حداکثر زمان قطع معادل 1 ثانیه و به صورت ثابت است. این محدودیت باعث عملکرد موضعی یا انتخابی بین RCD های نصب شده در مدارهای توزیع می شود.

پارامتر U0 در جدول زیر مربوط به ولتاژ نامی سیستم نسبت به زمین است. به عنوان مثال در مدارهای تکفاز مقدار U0 در محدوده ی 120 تا 230 ولت بوده که حداکثر زمان عملکرد تجهیزات حفاظتی در آن باید کمتر از 0.2 ثانیه باشد.

جدول 2: حداکثر زمان جداسازی از منبع تغذیه در سیستم ارت TT برای مدارهای نهایی با جریان نامی کمتر از 63 آمپر با یک یا چند پریز و مدارهای 32 آمپر جهت تغذیه ی مصرف کننده های نصب ثابت

T (s)	Uo (VAC)
0.3	50 < Uo ≤ 120
0.2	120 < Uo ≤ 230
0.07	230 < Uo ≤ 400
0.04	Uo > 400

عبارت RCD یک اصطلاح کلی برای تمام دستگاه هایی است که بر اساس اصل جریان باقی مانده عمل می کنند. به عنوان مثال عبارت RCCB به معنی بریکر جریان باقی مانده یا بریکر نشتی جریان بوده که در استاندارد IEC 61008 یک کلاس خاص از گروه RCD محسوب می شود. RCCB یا Residual Current Circuit Breaker در بازار با عنوان محافظ جان نیز شناخته می شود. بریکرهای نشتی جریان در استاندارد IEC 61008 از نظر زمان عملکرد به دو گروه کلی جنرال و تیپ S یا بریکرهای Selective یا تاخیری تقسیم می شوند.

بریکرهای جنرال و تیپ S از نظر منحنی زمان-جریان با یکدیگر تفاوت دارند. منحنی زمان-جریان متفاوت بین بریکرهای نشتی جریان باعث ایجاد بخش یا زون های حفاظتی جداگانه و عملکرد سلکتیو آن ها خواهد شد. بر اساس این ویژگی می توان از ترکیب چندین RCCB با جریان و مدل های مختلف در مدار استفاده کرد. اطلاعات بیشتر در خصوص RCD ها در بخش 7.5 این فصل آورده شده است. مدل های صنعتی RCD ها مطابق با استاندارد IEC 60947-2 دارای انعطاف بیشتری از نظر زمان تاخیر در قطع هستند. گستردگی زمان تاخیر در قطع این بریکرها باعث ایجاد انعطاف پذیری بالا در مدارهای صنعتی خواهد شد.

مشخصه ی عملکردی بریکرهای نشتی جریان خانگی و صنعتی در جدول زیر آورده شده است. این جدول بر اساس ضریب جریان عامل و مدت زمان عملکرد با واحد ثانیه تهیه شده است. در قسمت بالای جدول ضریب جریان عامل از 1 تا بیشتر از 5 را مشاهده می کنید. به عنوان مثال یک بریکر نشتی جریان خانگی با \(I_{\Delta n}30mA\) را در نظر بگیرید. این بریکر باید هنگام رخ دادن خطای زمین با جریان 30 میلی آمپر، مدار را در 0.3 ثانیه قطع کند.

با افزایش میزان جریان خطا، مدت زمان عملکرد کاهش پیدا می کند. به عبارت دیگر همین بریکر هنگام رخ دادن خطای 5 برابر \(I_{\Delta n}\) یا بیشتر از آن باید مدار را در زمان 0.04 ثانیه قطع کند. همانطور که مشاهده می کنید عملکرد بریکر در جریان عامل برابر با 0.3 ثانیه و در 5 برابر جریان عامل برابر با 0.04 ثانیه است.

زمان عملکرد بریکرهای تیپ S بیشتر از بریکرهای جنرال است. این ویژگی باعث می شود تا بتوان از بریکرهای جنرال بعد از بریکرهای تیپ S استفاده کرد. طبق جدول زمان عملکرد بریکر جنرال خانگی در 5 برابر جریان عامل 0.04 ثانیه بوده ولی این مقدار برای بریکر تیپ S معادل 0.15 ثانیه است.

در بخش صنعتی نیز 3 گروه بریکر دسته بندی شده است. گروه اول بدون تاخیر زمانی بوده و بالافاصله مدار را قطع می کند. گروه دوم 0.06 ثانیه تاخیر داشته و زمان عملکرد گروه سوم بر اساس اطلاعات شرکت سازنده مشخص خواهد شد.

X IΔn	مدل	1	2	5	> 5
ساختمانی	لحظه ای یا جنرال	0.3	0.15	0.04	0.04
ساختمانی	تاخیری یا تیپ S	0.5	0.2	0.15	0.15
صنعتی	لحظه ای یا جنرال	0.3	0.15	0.04	0.04
	تاخیر زمانی 0.06 ثانیه	0.5	0.5	0.15	0.15
	گروه های دیگر تاخیر زمانی	با توجه به شرکت سازنده

نصب RCD در مدارهای توزیع

حداکثر زمان تریپ در مدارهای توزیع موجود در تاسیسات الکتریکی طبق استاندارد IEC 60364-4-41 و بسیاری از استانداردهای بین المللی دیگر معادل 1 ثانیه است. این زمان بیشتر از مقدار مجاز در مدارهای نهایی بوده و امکان عملکرد سلکتیو را ایجاد می کند.

در تصویر روش نصب چند RCD در مدارهای توزیع را مشاهده می کنید. در بالاترین سطح یعنی بخش A از یک RCD سلکتیو یا تیپ S استفاده شده است. این بریکر کل مدار را در برابر خطای زمین محافظت می کند ولی زمان تاخیر آن نسبت به سطوح دیگر بیشتر است.

سطح بعدی با علامت B مشخص شده که دارای RCD های لحظه ای یا بدون وقفه هستند. این RCD ها می توانند یک یا چند مدار نهایی را حفاظت کنند. رخ دادن خطای زمین در مدارهای نهایی باعث عملکرد بدون وقفه ی RCD مربوطه خواهد شد. در صورت عدم عملکرد RCD های سطح B یا رخ دادن خطای زمین در باسبار، بریکر سطح A عمل خواهد کرد.

در نظر داشته باشید که اگر مشخصات RCD گروه A با RCD های گروه B برابر باشد، رخ دادن خطای زمین در مدارهای نهایی باعث عملکرد همزمان آن ها و قطع کل مدار خواهد شد. با رعایت مشخصه های زمانی می توان از این پدیده و قطع بی مورد کل مدار جلوگیری کرد.

تصویر3: نصب RCD تیپ S و جنرال در مدارهای توزیع

جهت مطالعه ده ها مقاله ی تخصصی دیگر، بخش مقالات طراحی تاسیسات فشار ضعیف را مشاهده کنید.

اتصال بخش های فلزی یک یا گروهی از تجهیزات به الکترود جداگانه

برخی از تاسیسات بسیار گسترده بوده و امکان توزیع هادی PE در تمام بخش های آن وجود ندارد. در این تاسیسات ممکن است جهت اتصال زمین بدنه ی فلزی تجهیزات از الکترودهای مجزا استفاده شود. در تصویر دیاگرام تک خطی تاسیسات با دو الکترود زمین را مشاهده می کنید. این دو الکترود با یکدیگر ارتباطی نداشته و به صورت مجزا احداث شده اند. مقاومت الکترودها با یکدیگر متفاوت بوده و با RA1 و RA2 مشخص شده است.

حفاظت خطا در این مدار با RCD در سطح بریکر یا توسط RCCB صورت گرفته است. توجه داشته باشید که برای حفاظت هرگروه از تجهیزات یا گروهی که به صورت مجزا زمین شده اند، باید از RCD جداگانه استفاده شود. حساسیت هر RCD بر اساس مقاومت الکترود زمین آن تعیین خواهد شد.

تصویر4: الکترودهای زمین مجزا

حفاظت بدون اتصال زمین بدنه ی فلزی تجهیزات

این شرایط هنگامی رخ می دهد که تاسیسات موجود در محل های خشک بوده و امکان احداث الکترود زمین در آن ها وجود ندارد. قطع شدن هادی حفاظتی نیز چنین حالتی را ایجاد خواهد کرد. همانطور که شرح داده شد، RCD های با حساسیت بسیار بالا مانند نسخه های با \(I_{\Delta n}\le 30mA\) قابلیت حفاظت خطا هنگام تماس غیر مستقیم و حفاظت اضافی هنگام تماس مستقیم با بخش های برقدار را دارند.

در تصویر زیر استفاده از RCD در بخش A بدون اتصال زمین بدنه ی فلزی نمایش داده شده است. در نظر داشته باشید که بهترین عملکرد RCD ها جهت جلوگیری از تماس غیر مستقیم هنگامی ایجاد می شود که بدنه ی فلزی تجهیزات با مقاومت مناسب زمین شده باشند.