ارت و حفاظت
سيستم‌هاي اتصال زمين
براي جلوگيري از برق‌گرفتگي و براي تأمين ايمني و حفاظت از روشهاي زير استفاده مي‌شود:
ارتینگ و وظایف آن چیست ؟ با آتش مهار در این مقاله همراه باشید تا در مورد انواع ارتینگ و سیستم‌های اتصال به زمین اطلاع پیدا کنیم . درتمامي تأسيسات الكتريكي، بخصوص در مجتمع هاي صنعتي، اتصال به زمين يكي از مهم‌ترين و اساسي‌ترين اقداماتي است.كه جهت حفاظت اشخاص و تجهيزات و نيز بهبود عملكرد سيستم، صورت مي گيرد.
زمين الكتريكي چیست؟
زمين الكتريكي يعني زمين كردن بخش‌هايي از دستگاه كه جزئي از مدار الكتريكي است. از اين موارد مي‌توان به زمين كردن مركز ستاره سيم پيچي ژنراتور يا ترانسفورماتور اشاره كرد
اين نوع اتصال زمين معمولا براي صحت كار دستگاه‌ها. صفر بودن ولتاژ سيم نول در تأسيسات، حفاظت از تجهيزات، جلوگيري از افزايش ولتاژ فازهاي سالم نسبت به زمين . در موقع تماس يكي از فازها با زمين و… صورت مي گيرد
انواع ديگري از زمين كردن نيز وجود دارد. كه از اين موارد می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود
زمين استاتيكي
زمين صاعقه
زمين الكترونيك
زمين تعميرات
زمين حفاظتي كه به آن ارتينگ نيز گفته مي شود. معمولا به فرآيند اتصال همه قطعات فلزي يا بدنه هاي فلزي تجهيزات الكتريكي به زمين گفته شده .و براي حفاظت اشخاص در زمان هاي وقوع اتصال كوتاه بخش برق دار دستگاه به بدنه صورت مي گيرد. اين نوع اتصال زمين بخشي از مدار الكتريكي نبوده. و در نتيجه در حالت عادي جرياني از آن عبور نمي كند. عبور جريان از اجزاء اين سيستم بيانگر وقوع حالتي غير عادي در شبكه است كه از اين طريق مي توان اين حالات را تشخيص داده و حفاظت‌هاي مورد نياز انجام گيرد.
1ـ System grounding: در اين روش نقطه نول ژنراتورها، ترانسفورماتورها و شبكه هوايي در ابتدا و انتهاي خط به الكترود زمين وصل مي‌شود.
2ـ Equipment grounding: در اين روش بدنه يا محفظه فلزي كليه وسايل به الكترود زمين وصل مي‌شود.
3ـ سيستم حفاظتي برقگير: در ساختمانهايي كه مجهز به برقگير هستند، بايد سيستم اتصال به زمين برقگير از دو سيستم گفته شده در بالا كاملاً مجزا باشد همچنين دو سيستم اول نيز بايد در صورت امكان از سيستم زمين مجزا استفاده كنند.
سيستم TN: داراي نقطه‌اي است كه مستقيماً به زمين وصل است و كليه بدنه‌هاي هادي تأسيسات از طريق هاديهاي حفاظتي به اين نقطه متصل‌اند، با توجه به استفاده از هادي خنثي و حفاظتي اين سيستم به سه نوع تقسيم‌بندي مي‌شود.
الف) سيستم TN-S: در سرتاسر اين سيستم از يك هادي حفاظتي (PE) مجزا از نول استفاده مي‌شود. توجه كنيم رنگ سيم‌هاي PE و N به ترتيب بايد سبزـ زرد و آبي كمرنگ باشد تا تشخيص آنها به آساني صورت بگيرد. (شكل 1).
ب) سيستم TN-C-S: در اين سيستم در قسمتي از تأسيسات هاديهاي خنثي (N) و حفاظتي توأم مي‌باشند كه PEN ناميده مي‌شوند و در قسمتي ديگر از تأسيسات هاديهاي مجزاي PE و N داريم.
توجه كنيم رنگ سيم‌هاي PE و N به ترتيب سبزـ زرد و آبي كمرنگ باشد و PEN در صورت امكان سبزـ زرد و در غير اينصورت آبي كمرنگ باشد. (شكل 1) توجه كنيم سيستم TN-C-S متداولترين نوع TN مي‌باشد.
ج) سيستم TN-C: در اين سيستم از يك هادي مشترك به عنوان هادي حفاظتي ـ خنثي (PEN) استفاده مي‌شود.
وسايل حفاظتي سيستم TN
الف ـ وسايل حفاظتي كه در اثر اضافه جريان عمل مي‌كنند (مثل فيوزها، كليدهاي خودكار مينياتوري و كليد اتوماتيك). در مواردي كه هادي خنثي و هادي حفاظتي توأم باشد (PEN)
ب) وسايل حفاظتي كه در اثر جريان باقيمانده عمل مي‌كنند (RCDها يا كليد ديفرانسيل)، فقط در قسمتي كه PE و N مجزا باشند.
ج) كليد (FI) (كليد خطاي جريان يا رله محافظ جريان خطا)
مقاومت مجاز اتصال زمين سيستم‌هاي TN
مقاومت الكتريكي نقطه خنثي يا هادي خنثي سيستم TN نبايد از دو اهم بيشتر باشد. اما هرگاه براي مجري مقررات ثابت شود كه در يك منطقه مقاومت اتصال اتفاقي بين فاز و زمين از 7 اهم بيشتر است بجاي 2 اهم مي‌توان مقاومت زير را مجاز اعلام كرد:
كه در اين فرمول RB همان مقاومت جديد برحسب اهم و RE مقاومت اتفاقي اتصال فاز به زمين (برحسب تجربه)، و U0 ولتاژ اسمي بين فاز و نول است و 50 ولتاژ تماس مجاز برحسب ولت است
سيستم TT: دراين سيستم، يك نقطه مستقيماً به زمين وصل مي‌شود و بدنه‌هاي هادي
تأسيسات الكتريكي مستقل از اتصال زمين سيستم به زمين وصل مي‌شوند. براي بهره‌برداري از اين سيستم، شرايط محيطي و وسايل حفاظتي مخصوص (RCDها) لازم است كه در ايران بدليل نبود اين شرايط كمتر استفاده مي‌شود. در اين سيستم، كليه بدنه‌هاي هادي تجهيزات الكتريكي كه توسط يك وسيله حفاظتي، محافظت مي‌شود بايد از طريق يك هادي حفاظتي به هم وصل شده و به الكترود زمين واحدي متصل گردند.
وسايل حفاظتي سيستم TT
ب) وسايل حفاظتي نوع جريان تفاضلي
ج) كليد FI
د) وسايل حفاظتي نوع ولتاژ اتصالي
مقاومت مجاز اتصال زمين سيستم‌هاي TT
الف) براي نقطه خنثي سيستم: مثل حالت TN لازمست مقاومت از 2 اهم كمتر باشد و اگر در يك منطقه اتصال اتفاقي فاز و زمين از 7 اهم بيشتر باشد بايد از فرمول مثل قبل استفاده كرد.
ب) براي نقطه خنثي يا هادي خنثي بدنه هادي براي نصب به الكترود زمين مستقل: در اين صورت مقاومت مجاز اتصال از رابطة بدست مي‌آيد كه Id جريان نامي عملكرد دستگاه حفاظت اضافه جريان با زمانهاي قطع مورد نظر و UL حداكثر ولتاژ تماس مجاز برحسب ولت است
سيستم IT
در اين سيستم بدنه‌هاي تأسيسات الكتريكي به زمين متصل مي‌شوند اما سيستم، به طور مستقيم به زمين وصل نمي‌شود يعني يا بوسيله امپدانس به زمين وصل مي‌شود يا اصلاً نسبت به زمين عايق است (شكل 1).
اين سيستم هم به علت لزوم استفاده از وسايل حفاظتي مخصوص، در مكانهاي محدودي مثل بيمارستانها، بعضي صنايع و … به كار مي‌رود
وسايل حفاظتي سيستم IT
الف ـ وسايل كنترل دايمي عايق‌بندي: در صورتيكه اعلام وقوع اتصال بين هر قسمت برقدار تأسيسات و بدنه‌هاي هادي يا زمين لازم باشد، بايد يك وسيله كنترل دائمي عايق‌بندي نصب شود و براي رفع فوري اتصالي، بايد يك خبركن سمعي يا بصري يا هر دو را به كار اندازد و منبع تغذيه را بطور اتوماتيك قطع كند.
ب ـ وسايل حفاظتي كه در اثر اضافه جريان عمل مي‌كند (مثل فيوز يا رله).
ج ـ وسايل حفاظتي جريان باقي مانده (RCDها)
د ـ كليد (FU) كه به Fault Voltage Protection نيز شناخته مي‌شوند.
مقاومت مجاز اتصال زمين بدنه‌هاي هادي‌ها
مقاومت مجاز اتصال زمين هادي‌ها از رابطة بدست مي‌آيد كه Id جريان اتصالي در حاليكه اولين اتصالي كامل بين فاز و بدنه هادي بوجود آمده باشد، هم
چنين Id شامل جريانهاي نشت بوده و امپدانس كل اتصال زمين تأسيسات الكتريكي را نيز در بر مي‌گيرد و UL ولتاژ احتمالي تماس است.
همچنين براي يافتن مقاومت مجاز اتصال زمين مي‌توان از فرمولهاي زير نيز استفاده كرد.
الف) سيستم برقگير: حداكثر 5 اهم
ب) نقطه نول ژنراتور، ترانس قدرت، شبكه فشار ضعيف: 2 اهم يا از فرمول كه در قبل توضيح داده شده است استفاده مي‌شود.
ج) بدنه تابلوها و وسايل فشار ضعيف
ج ـ1) اگر نول شبكه و بدنه هر كدام از وسايل برقي به صورت مستقل زمين شده باشد TTآنگاه مقاومت مجاز اتصال زمين از فرمول زير يافت مي‌شود: كه IA جريان عملكرد دستگاه حفاظت اضافه جريان است.
ج ـ2) اگر نول شبكه وسيم هادي بدنه هركدام از وسايل و دستگاه‌ها از طريق شبكه اتصال زمين به هم وصل باشند (TN) آنگاه مقاومت مجاز اتصال زمين از رابطة بدست مي‌آيد كه UE ولتاژ بين فاز و نول و IA همان جريان عملكرد دستگاه حفاظت اضافه جريان است.
د) بدنه وسايل فشار قوي:
كه به سه صورت بدست مي‌آيد:
د ـ1) 125
جريان باقي مانده نشت زمين + جريان سيم‌پيچ
د ـ2) 125
جريان باقي مانده نشت زمين
د ـ3) 125
جريان نشت زمين
الكترود زمين
انواع الكترودهاي زمين عبارتند از:
1) الكترود اتصال به زمين نوع ميله مسي مغز فولادي
2) الكترود اتصال به زمين نوع لوله‌اي با لوله فولادي گالوانيزه يا سياه با قطر داخلي حدود 10 سانتيمتر با طول 2، 3، 4 و 6 متر
3) الكترود اتصال به زمين نوع لوله‌اي با قطرهاي 3، 4 و 5 سانتيمتر به طول تقريب 5/1 متر
4) الكترود اتصال به زمين نوع صفحه مسي تخت از ورق مس
5) الكترود اتصال زمين نوع لوله‌اي پرسي با لوله مخصوصي پرس شده (G1 PIPE)
6) از سيستم لوله‌كشي آب شهر يا غلاف سربي كابلها تحت شرايط خاص مي‌توان استفاده كرد البته استفاده از لوله‌هاي گاز و گرمايش به عنوان الكترود زمين ممنوع است.
ـ براي حجم معيني از فلز الكترود هرچه يكي از ابعاد آن طولاني‌تر بوده و تماس الكترود با خاك بيشتر باشد، مقاومت آن نسبت به جرم كلي زمين كمتر خواهد بود. بنابراين يك الكترود ميله‌اي يا تسمه‌اي كه به صورت قائم يا افقي نصب شده باشد نسبت به الكترود صفحه‌اي ارجحيت دارد، الكترود صفحه‌اي كم اثرترين الكترودهاست.
ـ انتخاب الكتروهاي مختلف بستگي به نوع زمين دارد. مثلاً براي زمينهاي نرم و شور، لوله سياه آب به قطر 4 اينچ و طول دو تا سه متر يا ميله مسي با مغز فولادي مخصوص، براي زمينهاي نيم سخت و سخت از ميله مسي با مغز فولادي مخصوص به تعداد لازم يا چاه اتصال زمين كه در آن صفحه مسي با ابعاد لازم همراه با ذغال و نمك باشد استفاده مي‌شود. همچنين براي زمينهاي بسيار سخت و صخره‌اي بايد يك شبكه بافته شده از مفتول مسي در مساحتي به وسعت حدود 600 مترمربع يا بيشتر در عمق 60 تا 80 سانتيمتري زمين، به كاربرد.
محاسبه تعداد چاه ارت
براي محاسبه تعداد چاه‌هاي ارت براي هر نوع الكترودي فرمولي جهت محاسبة مقاومت وجود دارد، بعد از محاسبة مقاومت الكترود، با توجه به مقاومت مجاز مورد نظر، تعداد الكترودهايي كه بايد موازي شوند تا اين مقاومت مجاز بدست آيد را مي‌يابيم، البته مي‌توان با موازي كردن انواع مختلف الكترودها نيز به اين مقدار مقاومت مجاز رسيد، تعداد الكترودهايي كه بايد موازي شوند، تعداد چاه‌هاي ارت را نيز معين مي‌كند.
مثلاً براي الكترود تك ميله‌اي يا تك لوله‌اي كه انتهاي آن در سطح زمين قرار دارد.
كه R مقاومت هر چاه اتصال زمين است، مقاومت مخصوص الكتريكي زمين برحسب اهم ـ سانتيمتر است كه در جدول 1 براي زمينهاي مختلف داده شده است، D قطر الكترود مورد نظر بر حسب سانتيمتر و L طول الكترود مورد نظر برحسب سانتيمتر است.
الكترود زمين اساسي
همان روش حفر چاه زمين است و از يك صفحه مسي كه به طور قائم در ته چاه قرار مي‌گيرد و در اطراف آن حداقل به ضخامت 20 سانتيمتر از هر طرف، پودر زغال هيزم ريخته كوبيده شده است استفاده مي‌شود.
الكترود زمين ساده
براي مواردي كه احداث چاه ارت براي مشتركين مقدور نيست و به دليل تعداد زياد مشتركان مي‌توان با احداث تعدادي الكترود ساده‌تر با مقاومت بيشتر به مقاومت مطلوب رسيد، از اين الكترود استفاده مي‌شود، الكترود زمين ساده مي‌تواند يك لوله گالوانيزه به قطر حداقل 1 اينچ يا ميله فولادي مخصوص كه در زمين كوبيده شده يا به صورت قائم دفن شده تشكيل يافته است. در محل خروج لوله از زمين نيز يك چاهك بتني يا آجري با ابعاد حداقل 30×30×30 سانتيمتر ساخته مي‌شود.
شرايط استفاده از يك يا دو الكترود براي سيستم و براي ايمني
چنانچه در يك پست، خطوط ورودي و خروجي فشار قوي كابلي باشند و طول هريك از خطوط قبل از پست، از 3 كيلومتر بيشتر باشد مي‌توان براي هر دو منظور ايمني و سيستم از يك الكترود استفاده كرد اما اگر يكي از دو شرط بالا يعني كابلي بودن و فاصله بيش از 3 كيلومتر نقض شود بايد دو سيستم زمين از هم جدا شوند. همچنين براي استفاده از دو الكترود، فاصله دو الكترود از 20 متر نباشد كمتر باشد.
حداقل عمق الكترودهاي زمين براي الكترودهاي كوبيده شده يا دفن شده به صورت قائم 2متر، لبه بالايي الكترود صفحه‌اي از سطح زمين 5/1 متر، الكترودهاي افقي تسمه‌اي يا هادي مسي 7/0 متر است