اتصال به زمین یا ارت

اتصال به زمین یا ارت

در وسایل الکتریکی نیاز است که پتانسیل بعضی قسمت‌های دستگاه با زمین یکی شود، برای این منظور از اتصال به زمین یا ارت 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 و تمام قسمت‌هایی که به زمین وصل شده‌اند هم پتانسیل زمین شوند، به عبارت دیگر پتانسیل صفر زمین را بگیرند. نوع 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 بخش‌های فلزی تجهیزات الکتریکی (مانند بدنه) وصل می‌شود، برای جلوگیری از وارد شدن شوک الکتریکی به انسان به هنگام بروز اتصال برق (سیم فاز) به بدنه دستگاه، مثلاً در اثر خرابی دستگاه برقی است. در کوتاه‌ترین مدت، جریان برق از دستگاه مستقیماً به زمین؛ به جای ماندن در بدنه و عبور از بدن انسان در صورت تماس، تخلیه می‌شود. در همان لحظه عمل کردن فیوز جریان را قطع می‌کند.

استفاده از فیوز در دستگاه‌های برقی، تنها برای حفاظت از خودِ دستگاه در برابر عبور جریانِ بیش از تحملِ دستگاه است، و نه مستقیماً برای حفاظت از انسان. به همین ترتیب، فیوزهای عادی که در منازل، کنار کنتور برق نصب می‌شوند نیز برای جلوگیری از آسیب به سیم‌ها در سیم‌کشی در اثر گرم شدن بیش از حد آن‌ها هنگام عبور جریان زیاد از سیستم هستند، و از انسان محافظت نمی‌کنند. نوع خاصی از فیوزهای اتوماتیک که گاهی کلید محافظ جان خوانده شده‌اند، برای حفاظت از انسان به کار می‌روند.

برای اطمینان از این‌که ولتاژ در سطوح بیش از حد بالا نیست، امپدانس (مقاومت) اتصال به زمین باید نسبت به امپدانس معمولی مدار کم باشد. یک جایگزین برای حفاظت از زمین در معرض سطوحی که در معرض خطر هستند، طراحی با «عایق دوگانه» یا سایر اقدامات احتیاطی است، به طوری که یک شکست یا ترکیبی از احتمالات ناکامل می‌تواند منجر به تماس بین مدارهای زنده و سطح شود. به عنوان مثال یک ابزار قدرت دستی ممکن است یک سیستم اضافی از عایق الکتریکی را بین اجزای داخلی و مورد ابزار داشته باشد، به طوری که حتی اگر عایق برای موتور یا سوئیچ نتواند کار کند، ابزار به‌کار نمی‌افتد.

عملکرد سیستم زمین

یک اتصال زمین کاربردی به هدف دیگری غیر از ایمنی الکتریکی عمل می‌کند و ممکن است جریان را به عنوان بخشی از عملیات معمول حمل کند. به عنوان مثال، در یک سیستم توزیع، قدرت برگشت زمین یک سیم، زمین یک مدار هادی را تشکیل می‌دهد و تمام جریان بار را حمل می‌کند سایر نمونه‌ها از دستگاه‌هایی که از اتصالات کاربردی زمین استفاده می‌کنند عبارتند از: :سرکوب کننده‌های موج و فیلترهای تداخل الکترومغناطیسی.

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.

اصطلاحات فنی سیستم ارتینگ

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.

مقایسه

	TT	IT	TN-S	TN-C	TN-C-S
امپدانس حلقهٔ خطای زمین	بالا	بیشترین	پایین	پایین	پایین
کلید محافظ جان توصیه شده‌است؟	بله	نه	بله	بله	بله
به الکترود زمین در محل نیاز دارد؟	بله	بله	نه	نه	نه
هزینه هادی خنثی	پایین	پایین	بیشترین	کمترین	بالا
خطر در قطعی هادی خنثی	نه	نه	بالا	بیشترین	بالا
ایمنی	ایمن	ایمنی کم	ایمن‌ترین	ایمنی کم	ایمن
تداخل الکترومغناطیسی	کمترین	کمترین	پایین	بالا	پایین
مخاطرات	حلقهٔ‌های امپدانس (امپدانس بالا)	اضافه ولتاژ در اتصالی مضاعف	قطعی هادی خنثی	قطعی هادی خنثی	قطعی هادی خنثی
مزیتها	ایمن و قابل اعتماد	قیمت و تداوم عمل	امن‌ترین	هزینه	امنیت و هزینه

کاربرد سیستم های ارتینگ

• 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

به‌طور 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،

سیستم اتصال زمین یا ارت

بسیاری از خطرات برای اشخاص و تأسیسات الکتریکی، بر اثر وجود سیستم اتصال زمین، ارت ضعیف یا عدم وجود اتصال زمین تجهیزات الکتریکی به وجود می آید. یک سیستم فشار ضعیف زمین شده نسبت به یک سیستم زمین نشده حوادث کمتری برای کارکنان در بردارد. در یک سیستم زمین نشده با وجود متعادل بودن ولتاژ فازها، تماس عمدی یا اتفاقی با هر کدام از فازها ممکن است خطر شوک الکتریکی جدی در برداشته باشد.

هنگامی که یک اتصالی به زمین (ارت فالت) روی یک فاز سیستم زمین نشده یا سیستم زمین شده رخ می دهد، شخصی که با یکی از فازهای دیگر سیستم و زمین تماس می گیرد، تحت ولتاژی برابر ۷۳ برابر ولتاژ سیستم دارای نول زمین شده قرار می گیرد.

از دیگر خطرات عدم وجود سیستم اتصال زمین مناسب، خطر آتش سوزی و خسارت سنگین تجهیزات و تأسیسات است. پس یکی از راه های پیشگیری از حوادث جانی و تأسیساتی، داشتن اتصال زمین مناسب است.

زمین هادی الکتریسیته

زمین از موادی تشکیل شده که غالباً هادی الکتریسیته است به خصوص در حالتی که مرطوب باشد بنابراین اگر شخصی که روی زمین قرار دارد با جسمی که نسبت به زمین دارای پتانسیل است تماس پیدا کند به علت برقرار شدن جریان، دچار برق گرفتگی می شود. نظر به اینکه زمین هادی الکتریسیته است از آن به منزله یک سیم برای برگشت جریان استفاده می شود.

کره زمین را می توان به عنوان یک مرجع پتانسیل ثابت (پتانسیل صفر) در نظر گرفت. این پتانسیل صفر به تمام بخش هایی که به صورت هادی به زمین وصل است اعمال می شود. در عمل بخش های هادی تجهیزات الکتریکی به طور مستقیم به این پتانسیل صفر متصل می شود. در صورت بروز یک اتصال کوتاه در هادی، ناحیه اطراف اتصال زمین (سیستم اتصال زمین) نیز تقریباً دارای همان ولتاژ شده و در نتیجه از ایجاد ولتاژ تماس خطرناک، جلوگیری می شود.

در حقیقت زمین هادی الکتریسیته است و مقاومت آن بستگی به نوع ترکیبات خاک دارد مثلاً در قسمتی که شن و ماسه خشک و قلوه سنگ باشد مقاومت زمین خیلی زیاد بوده ولی خاک مرطوب و رس دارای مقاومت کم است.

می دانیم که اگر بار سیستم متعادل باشد جریانی از طریق زمین عبور نخواهد کرد ولی اگر جریان یکی از فازها بیشتر از دو فاز دیگر باشد جمع برداری جریان ها در نقطه نول صفر نیست و از سیم نول جریانی خواهد گذشت. در بخش محاسبات جریان عبور کننده از سیم نول و اثرات ناشی از آن در صورت نامتعادل بودن سیستم بررسی و محاسبه شده است.

ارت یا زمین کردن

ارت یا زمین کردن شامل یک اتصال مصنوعی برق به زمین است که مقاومت بسیار کمی برای عبور جریان دارد. در حقیقت کلمه “زمین” در کارهای برقی به زمینِ دارای پتانسیل صفر اطلاق می شود. وقتی یک نقطه از شبکه، زمین شود آن را تک زمینی و وقتی در نقاط مختلفی زمین شده باشد، آن را چند زمینی می نامند.

زمین یا ارت کردن یک سیستم الکتریکی، فرآیند اتصال همه قطعات فلزی یا بدنه های فلزی دستگاه های الکتریکی (به غیر از هادی های اصلی مدار برق) به زمین است و هدف از آن انتقال هر نوع نشتی انرژی الکتریکی در بدنه فلزی دستگاه ها به زمین به منظور حفاظت جان کارکنان با تجهیزات است. 

حفاظت توسط سیم زمین، نوعی از حفاظت است که در آن قسمت های هادی دستگاه که با شبکه تغذیه ارتباط الکتریکی ندارند، توسط سیم به زمین وصل می شوند. تا موقعی که اتصالی در بدنه دستگاه رخ ندهد، قسمت های حفاظت شده دستگاه، هم پتانسیل با زمین خواهند بود.

اگر قسمت های الکتریکی دستگاه به بدنه آن اتصالی پیدا کند، جریانی از بدنه دستگاه به نقطه صفر ترانسفورماتور شبکه از طریق سیم وصل شده به زمین جاری می شود.

مقدار این جریان باید به اندازه ای باشد تا جریان خطا باعث قطع سریع وسیله حفاظتی (مثلاً فیوز) شده و ولتاژ تماس قطع گردد. مقدار جریان قطع که باید باعث قطع فیوز شود بستگی به مقاومت سیم زمین و مقاومت محدوده محل تماس سیم با زمین دارد.

موارد استفاده این سیستم حفاظتی برای مصرف کننده با قدرت کم است زیرا در صورت بالا بودن جریان مصرف کننده باید مقدار مقاومت زمین خیلی کم باشد که مشکل است.

برای بدست آوردن مقاومت مناسب زمین می توان با قراردادن نوار و لوله یا صفحه با ضخامت و طول های مناسب در عمق مشخص از زمین، مقاومت مناسب را بدست آورده و بدنه سیستم هایی را که باید حفاظت شوند به آنها متصل کرد.

استفاده از زمین به منزله یک سیم برای برگشت جریان

در صورت ارت یا زمین کردن اگرچه مقاومت زمین به طور نسبی زیاد است، ولی هادی جریان بوده، آن را در جهات مختلف نقاط زمین عبور می دهد. همین امر باعث می شود که سطح مقطع مسیر عبور جریان افزایش یابد و مقدار شدت جریان کمتر شود. به این ترتیب افت ولتاژ نیز کمتر می شود. (V= IR)

از خاصیت هدایت زمین جهت برگشت جریان در سیستم های تولید و انتقال نیرو استفاده می شود و جریان بارهای نامساوی از طریق زمین به منبع تولید نیرو برگشت می کند برای مثال، در شکل زیر اگر جریان فاز A بیشتر از دو فاز دیگر باشد، جمع برداری جریان ها در نقطه N (نول) صفر نبوده جریان اضافی از طریق زمین به منبع نیرو برگشت می نماید.

هم چنین اگر در یکی از فازهای سیستم، اتصالی بروز کند (مثلاً مقره خط بشکند و با زمین تماس پیدا کند، یا این تماس در اثر برخورد شاخه درخت و غیره باشد) جریان از طریق زمین برگشت می کند. معمولاً برای رفع این اتصالی، با استفاده از دستگاه های حفاظتی رله، جریان های اضافی و جریانی که در نقطه خنثی عبور می کند، اندازه گیری می شود و قسمت معیوب از سیستم جدا می شود. در ضمن هنگام اتصال زمین شدن هر یک از فازها، ولتاژ دو فاز دیگر افزایش می یابد. بنابراین زمین کردن نقطه خنثی سبب می شود که در افزایش این ولتاژ محدودیت حاصل شود و در نتیجه، سیستم در مقابل ازدیاد ولتاژ حفاظت شود.

انواع سیستم اتصال زمین یا ارت

سیستم اتصال زمین ایمنی

به اتصال منبع نیرو به زمین که به منظور تثبیت نقطه خنثی ترانسفورماتور و ژنراتور و کارکرد صحیح تجهیزات صورت می گیرد، اتصال زمین ایمنی می گویند.

سیستم اتصال زمین حفاظت سیستم

به اتصال بدنه فلزی تجهیزات الکتریکی که با مدار ارتباط الکتریکی ندارند با زمین، که به منظور جلوگیری از برق گرفتگی صورت می گیرد، اتصال زمین حفاظتی می گویند.

سیستم اتصال زمین عملیاتی

اتصال دستگاه های الکترونیکی سیستم های جریان ضعیف مانند مرکز کامپیوتر یا مرکز داده، مرکز تلفن، مخابرات و ارتباطات و … به زمین، که به منظور تضمین عملکرد صحیح و مطمئن تجهیزات این سیستم صورت می گیرد، سیستم اتصال زمین عملیاتی می گویند.

اتصال زمین عملیاتی در نهایت باید به ترمینال اصلی اتصال زمین ساختمان وصل و هم بندی شود.

سیستم اتصال زمین صاعقه گیر

به اتصال هادی نزولی سیستم صاعقه گیر به زمین در ساختمان های بلند مرتبه، سیستم اتصال زمین صاعقه گیر می گویند.

الکترودهای اتصال زمین به صورت مجزا از هم غلط است و باید به یکدیگر متصل باشند. الکترود اتصال زمین حفاظتی، الکترود اتصال زمین عملیاتی و الکترود اتصال زمین سیستم صاعقه گیر باید به یک ترمینال یا شینه اصلی اتصال زمین وصل و در آن هم بندی شوند.

مفاهیم پایه

زمین

جرم هادی زمین که بر حسب قرارداد پتانسیل آن در همه جا برابر صفر گرفته می شود.

الکترود زمین

الکترود زمین عبارت از یک قطعه جسم هادی است که در زمین قرار داده می شود و سیم زمین به آن متصل می شود. به عبارت دیگر یک یا چند قطعۀ فلزی است که برای ایجاد اتصال و ارتباط الکتریکی با جرم هادی زمین در زیر خاک قرار داده می شود.

هادی اتصال زمین

به قسمتی از سیستم زمین که الکترود زمین را به ترمینال یا شینه اصلی اتصال زمین وصل می کند هادی اتصال زمین گفته می شود.

هادی بیگانه

هادی هایی را که متعلق به تجهیزات برقی نیستند اما قادر هستند پتانسیلی مانند پتانسیل زمین را در دسترس قرار دهند، هادی بیگانه می نامند. اسكلت فلزي ساختمان ها، لوله های فلزی آب، گاز، شوفاژ دیوارها و کف هایی که هادی اند و غیره.

هادی یا سیم حفاظتی PE

 هادیی است که در بعضی از اقدامات حفاظتی به قسمت های زیر وصل می شود:

• نقطه زمین شده سیستم توزیع نیروی برق یا نول (خنثی) مصنوعی،
• ترمینال زمین،
• هادی های در دسترس،
• و هادی های بیگانه

• نول (خنثی) حفاظتي PEN

 سیم نولی است که زمین شده و کار سیم نول و سیم حفاظتی را انجام می دهد.

•  الکترودهای زمین مستقل

 به الكترودهای زمینی گفته می شود که عبور جریان حداکثر از یکی از آن ها تأثیر چندانی بر پتانسیل الکترودهای دیگر نگذارد.

• ·          جریان اتصالی

جریانی است که در اثر خراب شدن عایق بندی یا اتصال کوتاه شدن برقرار می شود.

•  جریان اتصالی زمین

 جريان اتصالی است که از زمین می گذرد.

• انواع اتصالی ها

خطاهای ناشی از جریان برق عبارتند از:

•    اتصال بدنه

     اتصال یکی از سیم های جریان برق (فاز) به بدنه دستگاه است.

• اتصال کوتاه

    اتصال دو سیم لخت است که نسبت به هم دارای اختلاف پتانسیل الکتریکی باشند.

• اتصال زمین

 اتصال یکی از سیم های حامل جریان برق (فاز) به زمین را اتصال زمین گویند.

اگر اتصالی کامل باشد در محل اتصالی مقاومتی وجود ندارد و جریان زیادی از آن نقطه عبور خواهد کرد و اگر اتصالی ناقص باشد در محل اتصالی مقاومتی وجود دارد و جریان اتصالی نسبت به حالت قبل کمتر خواهد بود.

مزایای ارت یا زمین کردن

درست عمل کردن دستگاه های برق گیر.

فراهم شدن سرعت کافی جهت کشف اتصالات و اشکالات توسط رله ها و برطرف شدن فوری عیب سیستم.

ممانعت از افزایش ولتاژ سیستم در اثر بروز اتصالی، و افت ولتاژ بر اثر عدم تعادل بار.

محافظتِ جان کارکنان، اعم از اپراتور، تعمیرکار و غیره در مقابل برق گرفتگی.

حفاظت دستگاه های الکتریکی.

قسمتی از هادی اتصال زمین که در تماس با خاک و بدون روکش عایق، به صورت دفنی در خاک باشد، جزء الکترود محسوب می شود.

انواع ارت یا زمین کردن

در تأسیسات برقی دو نوع زمین کردن (ارت) وجود دارد: زمین کردن حفاظتی و زمین کردن الکتریکی.

 زمین کردن حفاظتی

عبارت است از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تأسیسات الکتریکی که در ارتباط مستقیم با مدار الکتریکی نیستند. این روش بخصوص برای حفاظت اشخاص در مقابل ولتاژ تماسی به کار می رود.

در صورت اتصال یک سیم برقدار به بدنه هادی دستگاه الکتریکی، اختلاف پتانسیلی بین بدنه دستگاه و زمین به وجود می آید و اگر شخصی بدنه دستگاه را لمس کند، بین محل تماس بدن او به دستگاه و زمین ولتاژی به نام ولتاژ تماسی ایجاد می شود.

در صورت بیشتر بودن آن از ۵۰ ولت خطرناک خواهد بود. مثال اگر یک مقره اتکایی که روی دیوار مرطوبی نصب شده بشکند و هادی فشار قوی با دیوار تماس پیدا کند و جریان پیدا کند و جریان اتصال زمین در این حالت ۲۵ آمپر و مقاومت هر متر دیوار ۱۰ اهم باشد، بین دو نقطه از دیوار که انسان با آن تماس دارد (فاصله دست و پا تقریبا ۲ متر) اختلاف سطح الکتریکی برابر است با:

 ولت ۵۰۰ = ۱۰×۲×۲۵ =v= IR

یکی از راه های جلوگیری از برق گرفتگی در اثر تماس با بدنه برق دار دستگاه های الکتریکی استفاده از محافظ جان است. محافظ جان جریان نشتی را تشخیص می دهد و مدار را قطع می کند. 

اصول زمین کردن حفاظتی

زمین از موادی تشکیل یافته که غالباً هادی الکتریسیته هستند به خصوص در حالاتی که مرطوب باشند. بنابراین اگر شخصی که روی زمین قرار دارد با جسمی که نسبت به زمین دارای پتانسیل است تماس حاصل کند به علت برقرار شدن جریان دچار برق گرفتگی می شود.

در ابتدای پیدایش صنعت برق، نقطه نوترال (خنثی) آلترناتور و ترانسفورماتورها را به زمین متصل نمی کردند. برای شبکه های کوچک آن دوران که دارای طول کم و ولتاژ پایین بودند نیازی به زمین کردن نوترال احساس نمی شد. این شبکه ها به شبکه های «نوترال مجزا»، یا «غير متصل به زمین» یا «زمین نشده» معروف بودند که به آن ها سیستم IT گفته می شود.

این شبکه ها نسبت به شبکه های زمین شده امروزی دارای چند امتیاز بودند. یکی اینکه اتصال اتفاقی یک فاز به زمین موجب برقراری جریان قابل ملاحظه و سبب قطع جریان برق و خاموشی نمی شد. دیگر اینکه در صورت تماس بدن شخصی که روی زمین قرار داشت با یکی از فازها به علت برقرار نشدن جریان خطرناک، شخص دچار برق گرفتگی نمی شود.

پدیده زمین جرقه زن

با توسعه شبکه ها و افزایش ولتاژ آن ها جریان ها در حالت اتصال یک فاز به زمین قابل ملاحظه شد که به طور متناوب خود به خود قطع و وصل می شد و در محل اتصالی جرقه ای ایجاد می کرد که به پدیده زمین جرقه زن معروف شد. این پدیده سبب افزایش ولتاژ فازهای سالم نسبت به زمین و موجب اختلالات شبکه می شود که به وسایل متصل به شبکه صدمات و خساراتی وارد می آورد.

اتصال نوترال شبکه به زمین مانع این افزایش ولتاژها می شود زیرا در صورت اتصال اتفاقی یک فاز به زمین، جریان عادی در مدار برقرار خواهد شد که سبب قطع مدار توسط رله های حفاظتی می شود. یک عیب مهم سیستم های زمین شده این است که اگر شخصی روی زمین قرار داشته باشد در صورت تماس با یکی از فازها دچار برق گرفتگی خواهد شد که جلوگیری از آن با عایق بندی مناسب سیم ها به سهولت ممکن است.

سیستم های TT یا TN

این عیب با فایده بزرگی همراه است و آن، این است که همه بدنه های فلزی دستگاه های برقی را می توان به زمین متصل کرد. به این ترتیب هیچگاه پتانسیلی بین بدنه فلزی دستگاه ها و زمین برقرار نمی شود که سبب برق گرفتگی شود. در صورت اتصال یک فاز به بدنه جریان زیادی از طریق زمین در مدار برقرار می شود که سبب قطع برق توسط رله های حفاظتی و رفع خطر می شود. اتصال بدنه فلزی دستگاه های برقی که در حالات عادی جریان برقی را به زمین حمل نمی کنند را «زمین کردن حفاظتی» گویند. سیستم هایی با نقطه خنثی زمین شده به سیستم های TT یا TN معروف هستند. 

هدف از زمین کردن حفاظتی، جلوگیری از برقرار شدن ولتاژهای زیاد و خطرناک روی بدنه فلزی وسایل و تجهیزات برقی نسبت به زمین است. برای پی بردن به خطرات بالقوه یک وسیله برقی زمین نشده را در نظر بگیرید.

نوترال شبکه در پست توزیع به زمین متصل شده و دارای مقاومت محدودی مثلاً ۲ اهم نسبت به زمین است. در صورتی که نقطه A وسیله برقی با بدنه اتصالی پیدا کند ولتاژ ۲۳۰ ولت نسبت به زمین روی بدنه برقرار می شود که بسیار خطرناک است. دقت کنید این گونه اتصالی موجب قطع فيوز نمی شود و کسی از وقوع آن مطلع نخواهد شد. در صورتی که شخصی که روی زمین ایستاده با بدنه وسیله که پیوسته بدون خطر فرض می شود تماس حاصل کند دچار برق گرفتگی شدید خواهد شد.

خطر برق گرفتگی

حال ببینیم اتصال بدنه به زمین چگونه خطر برق گرفتگی را دفع می کند. فرض کنید بدنه فلزی وسیله برقی به زمین متصل باشد و مقاومت اتصال آن نیز ۲ اهم باشد. حال به محض اتصال نقطه A به بدنه، یک مدار برقی کامل از طریق فاز R، نقطه اتصالی A بدنه فلزی، اتصال به زمین بدنه فلزی و اتصال به زمین نوترال که دارای مقاومت کل ۴ اهم است تشکیل می شود که جریانی حدوداً برابر ۵۷≅۴÷۲۳۰ آمپر حمل می کند که سریعاً موجب قطع فيوز ۱۰ آمپری مدار و قطع ولتاژ خطرناک از بدنه وسیله می شود.

حالا وضعیت دیگری را در نظر بگیرید. فرض کنید مقاومت های اتصال به زمین نوترال و بدنه هر کدام به جای ۲ اهم برابر ۱۰ اهم باشند. در این حالت مقاومت كل مدار اتصالی ۲۰ اهم خواهد بود که جریانی برابر ۱۱٫۵=۲۰÷۲۳۰ آمپر می کشد که البته قادر به قطع فيوز ۱۰ آمپری نخواهد بود. در این حالت بدنه وسیله برقی در ولتاژ ۲۳۰ ولت باقی می ماند و می تواند موجب برق گرفتگی و هلاکت افراد شود.

بنابراین دقت کنید که کار حفاظت از طریق ایجاد مسیری با امپدانس کم برای جریان انجام می شود به طوری که جریان زیادی برقرار شود و سبب عمل کردن رله ها یا فیوزهای حفاظتی که حفاظت عليه بار اضافی را عهده دار هستند شود.

از بحث بالا روشن است تنها در حالاتی که امپدانس كل مداری که در صورت اتصالی برقرار می شود از حد متعارفی کمتر باشد وسایل حفاظتی علیه بار اضافی نظیر فیوز یا محافظ جان می توانند موجب قطع مدار و رفع خطر شوند. در حالاتی که مقاومت کل مدار شامل مقاومت اتصال های زمین، مقاومت محل اتصالی و غیره از حد متعارف بیشتر باشد وسایل حفاظت علیه بار اضافی قادر به قطع برق و رفع خطر نخواهند بود و لازم است از وسایل دیگر مانند رله جریان نشتی به زمین استفاده شود.

 زمین کردن ایمنی

یعنی زمین کردن نقطه ای از دستگاه الکتریکی که جزیی از مدار الکتریکی است؛ مثل زمین کردن مركز ستاره سیم پیچی ترانسفورماتور یا ژنراتور.

این زمین کردن به خاطر کار صحیح دستگاه ها و جلوگیری از ازدیاد فشار الکتریکی فازهای سالم نسبت به زمین در موقع تماس یکی از فازها با زمین صورت می گیرد؛ مثال زمین کردن سیم نول شبکه و مرکز ستاره ترانسفورماتور سه فاز و ترمینال K ثانویه C.T و P.T (ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ).

مقاومت اتصال زمین

مقاومت زمین اثر بسیار مهمی بر تأسیسات الکتریکی دارد. اولاً به دلایل ایمنی، بیشتر تأسیسات الکتریکی به زمین اتصال یا ارت شده اند ثانياً بعضی از خطوط انتقال dc (جریان مستقیم) ولتاژ بالا، از زمین به عنوان هادی برگشتی استفاده می کنند تا جریانی حدود چند آمپر را حمل کنند  چون زمین هادی نسبتاً خوبی است یک مسیری برای جریان های نشتی مختلف ایجاد می کند.

مقاومت مخصوص خاک بین ۵ اهم متر تا ۵۰۰۰ اهم متر بستگی به ترکیبات آن (خاک رس، شن، گرانیت و غیره) و درجه رطوبت دارد. مثلاً در بهار، مقاومت ویژه خاک مرطوب ممکن است ۵۰ اهم متر و در طول تابستان که خاک خشک می شود به ۳۰۰ اهم متر برسد. مقاومت ویژه خاک با درجه حرارت نیز تغییر می کند.

هر چه درجه حرارت به نقطه انجماد نزدیک می شود، مقاومت ویژه خاک به آهستگی افزایش یافته و سپس همین که درجه حرارت بیش تر کاهش می یابد، مقاومت ویژه به سرعت افزایش پیدا می کند.

اندازه گیری مقاومت زمین

برای اطمینان از رضایت بخش بودن مقاومت اتصال زمین هر چند ماه یک بار این مقاومت باید اندازه گیری شود.

برای اندازه گیری مقاومت اتصال زمین از دستگاه اندازه گیری به نام (میگر) استفاده می شود که دارای چهار سر است که دو سر سیم آن برای اندازه گیری جریان و دو سر سیم دیگر باری اندازه گیری ولتاژ به کار می رود.

مقاومت بین دو الکترود زمین

زمین علی رغم مقاومت مخصوص پالایش، به دلیل سطح مقطع عظیمی که برای عبور جریان ایجاد می کند هادی بسیار خوبی است. برای مثال اگر یک ولتاژ (E) بین دو الکترود که در زمین قرار داده شده اعمال گردد، ملاحظه می شود که مانند مسیری که در شکل زیر نشان داده شده جریان در تمام حجم زمین عبور می کند.

حتی اگر دو الکترود چندین کیلومتر از هم دور باشند، مقاومت بین آنها نسبتاً پایین باقی می ماند. چهار مقاومت در مدار شکل فوق قابل تشخیص است.

١- مقاومت الکترودهای فلزی: قابل اغماض

۲- مقاومت اتصال بين الكترودها و خاک: قابل اغماض

٣- مقاومت خاک اطراف هر الکترود: مهم است (این مقاومت اساساً بستگی به طبیعت خاک و عمق الكترودها دارد).

۴- مقاومت زمين بين الكترودها: قابل اغماض

مقاومت مخصوص زمین

عبارت است از مقاومت یک متر مکعب از زمین به ابعاد ۱×۱ متر که بین دو الکترود صفحه ای سنجیده شده باشد. البته این مقاومت به نوع مواد تشکیل دهنده زمین بستگی دارد.

مقاومت بین الکترود و زمین بستگی به مقاومت ویژه زمین دارد که خود بسته به جنس زمین و میزان رطوبت آن تغییر می کند. خاک های سطحی به علت داشتن رطوبت کمتر دارای مقاومت ویژه بالاتر است.

برای کاهش مقاومت الکترود در این موارد از الکترودهای بلندتر استفاده می کنیم و یا با اضافه کردن املاح هادی در اطراف الکترود مقاومت ویژه زمین را کاهش می دهیم.

انواع الکترود زمین 

• الکترود صفحه ای
• الکترود قائم
• الکترود افقی

الکترود صفحه ای

بیشترین مورد استفاده الکترودهای صفحه ای در مناطق مرطوب و نمناک است که از الکترودهای صفحه ای کم عمق استفاده می شود.

در این حالت الکترود صفحه ای به ابعاد ۰/۵ * ۰/۵ متر به صورت عمودی در شرایطی در چاه قرار می گیرد که حدود ۲۰ سانتی متر بنتونیت در بالا و پایین الکترود را بپوشاند و پس از آن حداقل پوشش خاک ۱/۵ متر باشد.

الکترود صفحه ای در صورتی که به منظور الکترود اساسی (برای هر دو نوع زمین، شامل حفاظت سیستم و ایمنی) استفاده شود و به دلیل تغییرات آب و هوایی از وجود رطوبت و نم به طور طبیعی در سال های آینده اطمینان نباشد، باید چاهک و دریچه بازدید با ابعاد حداقل ۳۰ ۳۰ ۳۰ ایجاد نمود. هم چنین برای تزریق آب به الکترود زمین از لوله PVC که در همه جهات سوراخ دار است و با سنگریزه پر شده، استفاده کرد.

ارتفاع این لوله از ۱۰ سانتی متری دریچه سطح زمین تا لبه بالایی بنتونیت ته چاه است.

اتصال الکترود صفحه ای به هادی مسی اتصال زمین به دو صورت است. یکی استفاده از پیچ و مهره های اصلی و قفل شونده مسی و دیگری استفاده از جوش احتراقی است. از مشکلات الکترودهای  صفحه ای از بین رفتن اتصالات آن است.

 الکترودهای قائم

الکترودهای قائم که نیاز به فضای کمتر دارند و البته اثر گذاری بیشتری دارند، از متداول ترین نوع الکترود هستند.

الکترودهای میله ای، لوله ای و سیم لخت چند مفتولی از انواع الکترودهای قائم هستند. عمق دفن الکترودهای قائم کوبیده شده در زمین، حداقل ۲ متر است.

 طول الکترودهای قائم متداول حدود ۱/۲ تا ۱/۵ متر است و قابل امتداد هستند. یعنی با استفاده از قطعه ای شبیه بوشن می توان می توان طول الکترود را طولانی تر کرد و در زمین کوبید.

الکترود زمین در محلی نزدیک به تابلو کنتور نصب می شود.

الکترود افقی

این نوع الکترود معمولاً در مکان های با وسعت کافی اجرا می شود و در شکل های مختلف در عمق ۰/۵ تا ۰/۸ متری از سطح زمین نصب می شوند.

نحوه اجرای سیستم اتصال زمین (ارت)

   1- ابتدا چاهی به عمق ۲ متر و عرض ۸۰ سانتی متر حفر می کنیم بهتر است چاه حفر شده به رطوبت برسد. 

   2- مقدار۱۵۰ لیتر آب و ۵۰ کیلوگرم خاک بنتونیت را با یکدیگر ترکیب کرده و داخل چاه حفر شده می ریزیم (خاک بنتونیت به دلیل جذب رطوبت بالا استفاده می شود) مدتی زمان می هیم تا این ترکیب کمی سفت شود.

   3- صفحه مسی که سیم ارت به آن متصل شده است در وسط چاه به صورت عمودی و روی لایۀ بنتونیت قرار می دهیم. بهترین روش اتصال سیم ارت به صفحه مسی جوش احتراقی است.

   4- دو مرتبه از ترکیب خاک بنتونیت و آب و این بار برروی صفحه مسی استفاده می کنیم که معمولاً برای چاهی به قطر ۸۰ سانتی متر و صفحۀ مسی به مساحت ۵۰×۵۰ سانتی متر مقدار ۳۰۰ تا ۳۵۰ کیلوگرم بنتونیت و سه برابر آن آب استفاده می شود.

   5- برای حفظ رطوبت چاه از لوله پلیکایی به ارتفاع ۲۰ سانتی متر که از سطح زمین داخل چاه نصب می شود استفاده می کنیم. توسط این لوله می توان آب را به صورت قطره ای به چاه تزریق کرد که رطوبت چاه به صورت دائم حفظ شود.

   6- پس از خشک شدن بنتونیت مابقی چاه را با خاک سرند شده و نرم پر می کنیم.

   7- پس از اجرای چاه ارت به منظور بازرسی باید در بالای هر چاه درپوشی نصب شود.

نقاطی که معمولاً در سیستم های توزیع باید زمین شوند

۱- یکی از دو سیم ثانویه ترانسفورماتور تک فاز دو سیمه

۲ – سیم نول یک سیستم تک فاز سه سیمه فشار ضعیف

۳- سیم نول یک سیستم سه فاز چهار سیمه فشار ضعیف

۴- مرکز ستاره ترانسفورماتور سه فاز

۵- ترمینال زمین هر برقگیر

۶- بدنه یا محفظه کلیه دستگاه های برقی و ترانسفورماتورهای هوایی و زمینی

۷- یک سیم ثانویه، هر کدام از ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ

۸- سیم نول کلیه مشترکان در محل ورود برق به مکان آن ها در محل کنتور

 هم بندی اصلی برای هم ولتاژ کردن

ایجاد اتصال بین همه اجزای فلزی ساختمان به یکدیگر، تا پتانسیل بین آن ها را به یک سطح ولتاژ آورد. در واقع اتصال الکتریکی قسمت هایی نظیر هادی حفاظتی اصلی (ارت)، نول، لوله های اصلی فلزی آب، لوله های اصلی گاز، رایزر تأسیسات و سیستم های برودتی و حرارتی، فاضلاب و … به یکدیگر را هم بندی اصلی می گویند.

حتی کانال های فلزی هوا، باید به تجهیزات الکتریکی متصل شوند. این کار با همبندی همه اجزای فلزی ساختمان و اتصال همبندی به سیستم اتصال به زمین انجام می شود.

به منظور اطمینان از وجود یک مسیر الکتریکی دائمی و قابل اعتماد به زمین، از یک سیم bonding jumper برای اتصال قسمت های الکتریکی، استفاده می شود

Bonding  Jumper

از مواد فلزی ساخته شده و جهت میانبر کردن و اطمینان از وجود مسیر دائمی اتصال به لوله های فلزی ، با پیچ یا بست به زمین محکم وصل می شود.

هم بندی اضافی برای هم ولتاژ کردن

زمانی که اطمینان کامل نسبت به قطع عملکرد و قطع وسایلی مانند فیوز، کلید مینیاتوری و سایر کلیدهای خودکار نداشته و یا به عبارتی کوچک تزین شکی در عملکرد آن ها وجود داشته باشد، باید از هم بندی اضافی به منظور هم ولتاژ کردن بهره گرفت.

در هم بندی اضافی همه قسمت های رسانا یا فلزی که هم زمان در محل در دسترس هستند، بدنه فلزی دستگاه برقی و غیر برقی، هادی های بیگانه و ارت به یکدیگر متصل می شوند.

هم بندی اضافی در محیط های مرطوب مانند استخر، سونا و حمام الزامی است. 

 دلیل زمین کردن شبکه فشار ضعیف و ثانویه ترانسفورماتور

دلیل زمین کردن مدار ثانویه یا فشار ضعیف ترانسفورماتور این است که در مقابل ولتاژهای اضافی به وجود آمده بر اثر عوامل خارجی حفاظت شود. برای مثال، ممکن است سیم طرف اولیه (فشار قوی) بریده شده بر روی شبکه فشار ضعیف بیفتد و یا این که عایق داخل ترانس بشکند و سیم پیچ اولیه (فشار قوی) به سیم پیچ ثانویه (فشار ضعیف) اتصالی کند.

اگر در این موقع شخص نقطه ای از شبکه فشار ضعیف یا نقطه هایی از ترانسفورماتور مثل رادیاتور با مخزن آن را لمس کند دچار شوک بسیار شدیدی خواهد شد، همچنین صدمات زیادی به متعلقات روی سیستم فشار ضعیف وارد خواهد شد. اما اگر ثانویه (فشار ضعیف) زمین شده باشد، شکست عایق ترانسفورماتور با قسمت های دیگر فشار قوی باعث می  شود که فیوزهای طرف اولیه (فشار قوی) بسوزد و در نتیجه، قسمت معیوب مدار از منبع تغذیه جدا شود.

همچنین ممکن است ترانسفورماتورها طوری نصب شده باشند که شخص در حالی که با زمین اتصال دارد بدنه آن را لمس کند. بنابراین برای حفاظت جان افراد باید ثانویه های ترانسفورماتورها و ترانسفورماتورهای اندازه گیری زمین شوند.لذا شرکت آزما فرآیند اکسیر البرز اقدامات موثر در این بعمل آورده است .