اتصال زمین در سیستم های الکتریکی و انواع آن

در شبکه‌های توزیع ولتاژ پایین، که نیروی الکتریکی را بین دستهٔ گسترده‌ای از مصرف کنندگان نهایی توزیع می‌کند، مهمترین نگرانی در طراحی سیستم اتصال به زمین امنیت مصرف کننده‌ای 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 مصرف کننده هیچگاه با شیء فلزی که پتانسیل الکتریکی آن نسبت به شخص بیش از پتانسیل آستانهٔ امنیت(معمولاً حدود ۵۰ ولت) است تماس نمی‌گیرد.

هدف از اتصال به زمین ،تامین ایمنی در برابر برقگرفتگی در بهره برداری و تعمیرات سیستم الکتریکی و حفظ عایقبندی سیستم می باشد.اتصال به زمین یک نقطه از سیستم الکتریکی با عایق بودن آن با زمین عامل مهمی در حفظ سلامت خود سیستم و عایقبندی آن است ،مسئله دیگر حفاظت در برابر برقگرفتگی است که روش رعایت ایمنی با توجه به نوع سیستم متفاوت خواهد بود ولی در هر حال همه روشهای ایمنی ،نوعی اتصال بدنه های هادی تجهیزات به زمین می باشد.در احداث اتصال به زمین یا هادی هایی که در تماس با زمین بوده و  به آن الکترود زمین گفته می شود موارد ذیل مد نظر است:

۱-مقاومت الکترود زمین تا حد امکان کم باشد.

۲-هادی ها ، الکترودزمین ، اتصالات و غیره توانایی عبور جریان اتصال به زمین را در مدت برقراری این جریان ها داشته باشد.

۳-حفظ سلامت خود سیستم،صرفنظر از خواسته های مربوط به ایمنی.

۴-حفظ سلامت و ایمنی افرادی که از سیستم برق استفاده می کنند.

 

استاندارد ۶۰۳۶۴ IEC وصل بودن یک نقطه از سیستم را به زمین با حرفT نشان می دهد که حرف اول Terra به معنی زمین است و وصل نبودن یک نقطه از سیستم را به زمین و یا وصل بودن آن به زمین از طریق امپدانس بزرگ را با حرف I که حرف اول کلمه Isolated است نشان می دهد.

همچنین در استاندارد IEC وصل بودن بدنه های هادی تجهیزات را به زمین از طریق هادی خنثی با حرف N و وصل مستقیم تجهیزات الکتریکی را به زمین با حرف Tنشان می دهد.

سیستم TN: نقطه خنثی(N)به سیستم اتصال به زمین وصل است و بدنه های هادی(PE) به خنثای زمین وصل شده است.

سیستمTT: : نقطه خنثی (N)به سیستم اتصال به زمین وصل است و بدنه های هادی (PE) به زمین مستقل متصل شده است.

سیستمIT:سیستم کاملا” از زمین مجزا است و بدنه های هادی (PE) مستقیما” به زمین وصل اند.

از سه سیستم ذکر شده سیستم توزیع TN به دلیل سادگی و ارزانی متداولترین سیستم مورد استفاده است. در سیستمTN برای اتصال بدنه های هادی تجهیزات به زمین می توان از روش های مختلفی استفاده کرد و این مسئله سبب می شود که این سیستم دارای سه زیر سیستم شود:

سیستمTN-S:یعنی بدنه هادی و نقطه خنثی از طریق هادی جداگانه به سیستم زمین متصل است.در سیستم ۵ سیمه شامل سه فاز و یک رشته هادی برای نول و یک رشته هادی حفاظتی

سیستم :TN-Cیعنی بدنه هادی و نقطه خنثی از طریق یک هادی مشترک به سیستم زمین متصل است. در سیستم ۴ سیمه شامل سه فاز و یک رشته هادی برای نول وحفاظتی

سیستم TN-C-S:یعنی سیستم تا نقطه ای به صورت TN-Cو از آن به بعد به صورت TN-Sاست.

برخی تعاریف :

۲ – زمين كردن الكتريكي :

زمين كردن الكتريكي يعني به زمين وصل كردن نقطه خنثي حقيقي يا مجـازي شـبكه هـاي بـرق كـه جزئـي ازمـدار الكتريكي ميباشند ، مانند زمين كردن مركز ستاره سيم پيچي ترانسفورماتور (نقطه خنثي حقيقي) ويازمين كردن ترانسـفورماتورهاي باسيم پيچي مثلث ازطريق بوبين نوترال (نقطه خنثي مجازي ) . اهميت نقطه زمين وقتي ظاهر مي شود كه درشبكه هاي برق يك اتصال فاز به زمين بروز مينمايد .

دراين حالت جريان فاز معيوب ازطريق زمين به نقطه خنثي ترانسفورماتور برگشت داده مي شود ومي توان باوسـايل حفـاظتي ارزانقيمت مانند فيوزها مدار اتصالي راقطع كرد . درصورتيكه نقطه خنثي به زمين وصل نشده باشد ، جريان اتصالي فاز به زمـين بعلـتعدم وجود مسير برگشت ناچيز وخيلي كمتر از جريان معمولي فاز بوده وفيوزهاي بكار رفته براي جريان نرمال مداررا قطع نميكنند ،اين امر موجب بالا رفتن ولتاژ فازهاي سالم نسبت به زمين شده كه خود موجب بروز اشكالاتي در ايزولاسـيون شـبكه خواهـد بـودوبراي قطع مدار فاز معيوب درچنين سيستمي ناگزير به استفاده از وسايل حفاظتي گران قيمت خواهيم بود .

۳ – زمين كردن حفاظتي :

زمين كردن حفاظتي يعني اتصال به زمين كليه قطعات فلزي تأسيسات ودستگاههاي الكتريكي كه درارتباط مستقيم بـامدار الكتريكي قرار ندارند ودرحالت عادي بايد بي برق باشند . اين كار از بعد حفاظـت اشـخاص درمقابـل بـرق گرفتگـي ازاهميـتخاصي برخوردار است .

ممكن است دراين زمينه چند سؤال اساسي مطرح شود :

۱ -به جاي وصل بدنه فلزي دستگاه هاي الكتريكي به زمين چرا مبادرت به عايق بندي كامل نشود ؟!

درعمل معلوم مي گردد كه عايق بندي كامل تمام دستگاههاي الكتريكي و كـف و ديـوار سـاختمانها غيـر عملـي اسـت و هزينـهسنگيني در بر دارد .

۲ -اگرنقطه خنثي ترانسفورماتور به زمين وصل نشود باتوجه به اينكه مسيربرگشت جريان درزمان اتصالي فاز بـه بدنـه دسـتگاههاوجود ندارد آيا بازهم لزومي براي وصل بدنه فلزي دستگاههاي الكتريكي به زمين احساس ميشود ؟!

ظاهراً اينگونه بنظر مي رسد كه دراين حالت خطربرق گرفتگي وجودندارد ، ولي اگر درنقطـه ديگـري از همـين شـبكه (مـدار) فـازديگري بابدنه فلزي دستگاه يا زمين اتصال پيدا كند دراين حالت شخصي كه بابدنه فلزي دستگاه الكتريكي در تماس اسـت تحـتولتاژ بين دوفاز قرار خواهد گرفت كه ۷۳/۱ برابر حالتي است كه درآن مركز ستاره به زمين وصل شده باشد .ملاحظه مي گردد بهترين حفاظت انسان در برابر برق گرفتگي ناشي از اتصال فاز به بدنه دستگاههاي الكتريكي ، وصلبدنه فلزي آنها به زمين مي باشد كه در اثرآن ولتاژ بدنه هاي فلزي و زمين يكسان شده و عـاملي بـراي پيـدايش اخـتلاف سـطحالكتريكي خطرناك وجود نخواهد داشت .اصولا”حفاظت اشخاص در مقابل خطرات احتمالی ناشی از تماس با بدنه های هادی می تواند به دو روش زير تامينشود :

۱-۳ محدود کردن جريان اتصالی که ممکن است از بدن عبور نمايد، به ميزانی کمتر از جريان برق گرفتگی .

۲-۳ قطع خودکار تغذيه ، به محض بروز نقصی که ممکن است به عبور جريان بيش از جريان برق گرفتگـی از بـدنیکه در تماس با بدنه هادی است منجر شودقطع خودکار مدار را موجب خواهد شد .

۴ -زمين حفاظتي :

علاوه بر اقدامات حفاظتي اوليه مانند دور از دسترس بودن و حفظ فواصل مجـاز از قسـمتهاي برقـدار اصـلي تأسيسـاتطبق پيشنهاد استاندارد ، هشت نوع اقدام حفاظتي تكميلي ، ۳ مورد بدون هـادي حفـاظتي و ۵ مـورد بـا هـادي حفـاظتي ( PE(ميتواند درتأسيسات توزيع ومصرف جهت جلوگيري از بوجود آمدن ولتاژ تماس خطرناك درصورت بـروز اتصـال بدنـه دردسـتگاههابعمل آيد . هدف از زمين كردن حفاظتي جلوگيري از باقي ماندن ولتاژ تماس بيش از حد مجاز روي بدنـه وسـايل الكتريكـي اسـتاقدام حفاظتي « بدون هادي حفاظتي » كه عمدتاً به ايزولاسيون تقويت شده و ولتاژ كم حفـاظتي و ياجداسـازي حفـاظتي مربـوط ميگردد در اين مقوله نميگنجد،لذا از ۵ مورد اقدام حفاظتي « با هادي حفاظتي » بهترين حالت آن است كـه درطـول شـبكه اي كـه داراي سـيم نـول + هـاديحفاظتي مستقل از نول مي باشد اين دو ازيكديگر جدا و درنقطه منبع بهم متصل و به زمين هدايت گردنـد ودرتمـام نقـاط مصـرفبدنه دستگاههاي الكتريكي به هادي حفاظتي وصل شده باشند که به اين سيستم S.C.N.T مي گويند (۱ (منتهي ازآنجايي كه براي اجراي اين سيستم ازنقطه نظر اقتصادي هزينه زيادي بايستي صرف شده ودرهمـه جـا شـبكههاي تكفاز بصورت سه سيمه و شبكه هاي سه فاز بصورت پنج سيمه عللاوه بر سيم معابر بايستي طراحي واجرا شود عملاً مقـرونبه صرفه نميباشد ، لذا باتوجه به اينكه شبكه هاي موجود درايران از نوع سيستم N.T ميباشد كه درآن سـيم نـول بعنـوان هـاديحفاظتي ونقطه خنثي مشتركاً بكار ميروداحتياج بدقت ورعايت نظم زيادي داشته و لازم است شرايط آن چه از طرف شـبكه توزيـع و چه از طرف مصرف كننده ها بدقت رعايت شود زيرا در غير اينصورت حادثه سازخواهدبود.