اتصال به زمین

اتصال به زمین

در وسایل الکتریکی نیاز است که پتانسیل بعضی قسمتهای دستگاه با زمین یکی شود، برای این منظور از اتصال به زمین استفاده می‌شود.
اساس زمین کردن بر این است که جرم بزرگ زمین به عنوان پتانسیل صفر-به خصوص در مهندسی برق- در نظر گرفته می‌شود .
تمام قسمت‌هایی که به زمین وصل شده‌اند هم پتانسیل زمین شوند، به عبارت دیگر پتانسیل صفر زمین را بگیرند. ن
وع کیفیت ارتباط دهنده زمین با تأسیسات الکتریکی دارای اهمیت فوق‌العاده زیادی است.

هدف سیستم زمین

رابط یا سیمِ اتصالِ زمین (یا اِرت، Earth) که به بخش های فلزی تجهیزات الکتریکی (مانند بدنه) وصل می شود، برای جلوگیری از وارد شدن شوک الکتریکی به انسان به هنگام بروز اتصال برق (سیم فاز) به بدنه دستگاه، مثلا در اثر خرابی دستگاه برقی است.
در این هنگام، جریان برق از دستگاه مستقیماً به زمین (به جای عبور از بدن انسان) می‌رود.

گفتنی است که استفاده از فیوز در دستگاه های برقی، تنها برای حفاظت از خودِ دستگاه در برابر عبور جریانِ بیش از تحملِ دستگاه است، و نه برای حفاظت از انسان.
به همین ترتیب، فیوزهای عادی که مثلاً در منازل، کنار کنتور برق نصب می شوند نیز برای جلوگیری از آسیب به سیم ها در سیم کشی در اثر گرم شدن بیش از حد آنها هنگام عبور جریان زیاد از سیستم هستند، و از انسان محافظت نمی کنند.
البته نوع خاصی از فیوزهای اتوماتیک هم هستند که به کلیدِ محافظِ جان معروفند، و برای حفاظت از انسان به کار می روند.

برای اطمینان از اینکه ولتاژ در سطوح بیش از حد بالا نیست، امپدانس (مقاومت) اتصال به زمین باید نسبت به امپدانس مدار معمولی کم باشد.

انواع زمین کردن

در تاسیسات برقی دو نوع زمین کردن وجود دارد:
۱ -زمین کردن حفاظتی ۲ -زمین کردن الکتریکی

زمین کردن حفاظتی

زمین کردن حفاظتی عبارتست از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تأسیسات الکتریکی که در ارتباط مستقیم با مدار الکتریکی قرار ندارند. این زمین کردن بخصوص برای حفاظت اشخاص درمقابل اختلاف سطح تماسی زیاد به کار برده می‌شود.

زمین کردن الکتریکی

زمین کردن الکتریکی یعنی زمین کردن نقطه‌ای از دستگاه‌های الکتریکی و ادوات برقی که جزئی از مدار الکتریکی می‌باشند.
مثل زمین کردن مرکز ستاره سیم پیچی ترانسفورماتور و یا ژنراتور و یا زمین کردن سیم وسط یا سیم مشترک دو ژنراتور جریان دایم سری شده.
زمین کردن الکتریکی دستگاه‌ها به خاطر کار صحیح دستگاه‌ها و جلوگیری از ازدیاد فشارالکتریکی فازهای سالم نسبت به زمین در موقع تماس یکی از فاز‌ها با زمین می‌باشد.

سیستم‌های ولتاژ پایین

در شبکه‌های توزیع ولتاژ پایین، که نیروی الکتریکی را بین دستهٔ گسترده‌ای از مصرف‌کنندگان نهایی توزیع می‌کند، مهمترین نگرانی در طراحی سیستم اتصال به زمین امنیت مصرف‌کننده‌ای است که از لوازم الکتریکی استفاده می‌کند تا او را از شوک‌های الکتریکی در امان نگه دارد.

این سیستم باید به گونه‌ای طراحی شود که اطمینان حاصل شود شخص مصرف‌کننده هیچگاه با شیء فلزی که پتانسیل الکتریکی آن نسبت به شخص بیش از پتانسیل آستانهٔ امنیت-معمولاً حدود ۵۰ ولت- است تماس نمی‌گیرد.

استاندارد IEC 60364

مطابق با استاندارد بین المللی IEC 60364 سیتم‌های زمین حفاظتی به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند.
و به صورت دو حرفی نمایش داده می‌شود بصورت سیستم TN, TT و IT

اصطلاحات فنی

حرف اول معرف نحوهٔ اتصال زمین به وسیلهٔ تأمین الکتریسیته (ژنراتور یا ترانس) است:

T — اتصال مستقیم به زمین (به لاتین:terra)

I — هیچ نقطه‌ای به زمین متصل نیست (ایزوله)

حرف دوم معرف نحوهٔ اتصال بین زمین و وسیلهٔ الکتریکی است:

T — اتصال مستقیم به زمین

N — اتصال به محل نصب، که خود به زمین متصل است.

شبکه‌های TN

شبکه TN−S

شبکه TN−S طبق استاندارد IEC که در بالا آمده است، مرکز ستاره ترانسفورماتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده و در محل مصرف کننده سیمهای حفاظتی و خنثی جدا و نسبت به هم عایق (Separate) می‌باشند.
این نوع سیستم زمین برای اکثر سیستم‌های الکتریکی مسکونی و صنعتی دارای جریان استانداردی می‌باشد که به ویژه در اروپا کاربرد زیادی دارد.

شبکه TN−C

شبکه TN−C طبق استاندارد IEC که در بالا آمده است، مرکز ستاره ترانسفورماتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده و در محل مصرف کننده یک سیم مشترک (Common) به عنوان حفاظت و خنثی در نظر گرفته شده است.
در این سیستم‌ها سیم نول N. و سیم خنثی PE با در نظر گرفتن شرایطی بطور مشترک استفاده می‌شود.
در تصویر زیر انشعاب صحیح ارت و نول در شبکه TN-C نشان داده شده است.

شبکه TN−C−S

شبکه TN−C−S طبق استاندارد IEC که در بالا آمده است، مرکز ستاره ترانسفورماتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده و در محل مصرف کننده از زیر تابلوی اصلی ژنراتور یا ترانسفورماتور تا تابلوی زیر کنتور یک سیم مشترک به عنوان خنثی و حفاظت امتداد دارد و در تابلوی مصرف کننده به دو سیم حفاظتی و خنثی تقسیم می‌شود.
در حقیقت این سیستم، ترکیب دو سیستم TN-S و TN-C می‌باشد؛ و از پرکاربردترین سیستم‌های حفاظتی می‌باشد.

شبکه‌های TT

در شبکه‌های TT یا (Terra-Terra) طبق استاندارد IEC که در بالا آمده است، مرکز ستاره ترانسفورماتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده و در محل مصرف کننده، تجهیزات توسط الکترود زمین بطور مستقیم زمین شده اند. بین این دو هیچ سیم زمینی وجود ندارد. در سیستم TT امپدانس فالت بزرگتر بوده (با فرض صفر بودن امپدانس الکترود زمین) و همواره باید از RCD یا Residual Current Device به عنوان اولین ایزولاتور استفاده نمود.

بزرگترین مزیت سیستم زمین TT عدم وجود نویزهای فرکانس پایین و بالا می‌باشد که ازطریق سیم نول متصل به تجهیزات وارد می‌شود. شبکه‌های TT همواره برای کاربردهای خاص مانند سایت‌های مخابراتی که از مزیت بدون ارت بهره می‌برند استفاده می‌شوند. همچنین شبکه‌های TT مشکل قطعی نول را ندارند. در زمان نبود محاقظ RCD، شبکه TT بدلیل قابلیت بد وجود جریان اتصال کوتاه بسیار زیاد در اتصال با PE جهت مصارف عمومی جذابیتی نداشت (در مقایسه با شبکه TN)، ولی با وجود تجهیزات جریان نشتی، این عیب تا حد زیادی کاهش پیداکرد و سیستم زمین شبکه TT در محل هایی که مدارهای AC توسط RCD محافظت می‌شوند جذابیت دارد.

شبکه‌های IT

در شبکه‌های IT یا (Isolated-Terra) طبق استاندارد IEC که در بالا آمده است، مرکز ستاره ترانسفورماتور بصورت ایزوله می‌باشد و در محل مصرف کننده، تجهیزات توسط الکترود زمین بطور مستقیم زمین شده اند. در این سیستم ها، جهت نظارت امپدانس از یک مانیتور عایقی استفاده می‌شود.

کاربردها

• سیستم TN-C-S: پرکاربردترین سیستم بوده‌است. در انگلستان به این سیستم protective multiple earthing ) PME) و در استرالیا و نیوزیلند multiple earthed neutral ) MEN). نیز اطلاق می‌شود.

• سیستم TN-S: بیشتر در اروپای شرقی استفاده شده‌است.

• سیستم TN-C: به ندرت استفاده شده‌است.
• سیستم TT: به واسطه این که یک سیستم مستقل از شبکه برای تأمین حفاظت به کار رفته‌است، برای شبکه‌های شامل چندین دستگاه الکترونیکی که پارازیت زیادی روی هادی خنثی ایجاد می‌کنند مورد توجه بوده‌است.
  ژاپن یک کشور فرا صنعتی ولی جزیره‌ای است؛ بنابراین مانند سایر کشورها نمی‌تواند در ساعات اوج مصرف با همسایگانش تبادل انرژی الکتریکی داشته باشد و برق هم گران‌قیمت می‌باشد؛
  بنابراین از دستگاه‌های ذخیره انرژی برای ساعات اوج مصرف زیاد استفاده می‌شود و این دستگاه‌ها پارازیت‌های خطرناکی را انتشار می‌دهند؛
  بنابراین سیستم TT مورد علاقه ژاپنی‌ها بوده‌است. کاربرد کلید محافظ جان لازمست.
• سیستم IT: کاربرد اصلی آن در بیمارستان‌ها و بالاخص اتاق عمل است تا اولاً احتمال برق‌گرفتگی خیلی کم باشد و ثانیاً در صورت اتصال فاز به بدنه هادی، نه پرسنل دچار برق‌گرفتگی شوند و نه فیوز بپرد.
  اما لازم است تا در صورت بروز اتصالی، چراغی روی دستگاه نظارت عایق روشن شود تا بعداً تعمیرکار برق نسبت به رفع عیب اقدام کند.

یک نمونه واقعی

برای بررسی یک نمونه متعالی از سیستم‌های پیشرفته زمین حفاظتی، سیر تکاملی در استرالیا عرضه می‌شود.
تا قبل از جنگ جهانی اول مانند باقی کشورها، از سیستم دو سیمه (بدون سیم PE) استفاده می‌شد.اما بعداً به TT تغییر یافت.

اکنون اداره برق محلی یک سیستم شامل PEN را به مشترک ارائه می‌دهد، اما بازرس اداره برق یک ترمینال اضافی زمین را از مشترک درخواست می‌کند.
قبلاً کافی بود این ترمینال به لوله‌کشی وصل باشد، اما اکنون باید به فونداسیون ساختمان، وان حمام و ظرفشویی هم وصل باشد.

به علاوه باید یک چاه زمین کم عمق هم به این ترمینال وصل باشد.
چنین سیستمی از دید کلی TN-C-S می‌باشد؛
و آن را Multiple Earthed Neutral یا MEN به معنای سیستم نول گسترش یافته نامیده‌اند.

به علاوه کلیه تجهیزات خارج از ساختمان باید از نوع TT باشند، یعنی یک چاهک زمین مجزا داشته باشند.

در معادن، بیمارستان‌ها، روشنایی راهنمای مراکز تجمع، کارخانجات شیمیایی و پمپ بنزین‌ها نیز حتماً باید از IT استفاده شود.

سیستم‌های ولتاژ متوسط

به طور کلی تفاوت‌های زیر در زمین کردن پست‌های فشار متوسط نسبت به برق فشار ضعیف خانگی وجود دارند:

• فقط افراد ماهر اجازه ورود به محوطه را دارند.
• وجود ولتاژهای بسیار بالا
• معمولاً خط ورودی فاقد سیم نول است؛
  بنابراین، در پست‌های فشار متوسط، مسائل مهم در سیستم زمین به ترتیب عبارتند از:
• تأمین تداوم در تغذیه مشترکین
• عدم آسیب دیدن تجهیزات و تأسیسات در صورت وقوع اتصالی
• قابلیت بالا در تأمین حفاظت کارگران
• رد کردن ایمن آذرخش به زمین مخصوصاً از طرف خطوط هوایی
• کم کردن ولتاژ گام به خصوص در محل تردد احشام

اگر فقط یکی از شرایط زیر موجود باشند، یک چاه زمین لازم می‌شود؛
وگرنه باید دو چاه زمین مجزا برای قسمت‌های فشار ضعیف و فشار متوسط + ترانسفورماتور در نظر گرفت:

• در اطراف پست برق، سیستم لوله‌کشی آب باشد؛
• مقاومت چاه زمین زیر ۱ اهم باشد؛
• کابل با زره در تماس با خاک طویل تر از یک کیلومتر از پست خارج یا داخل شده باشد،