فصل ششم

الزامات اتصال زمين

1-6 كليات

اصول اساسي طراحي اتصال زمين سيستم و تجهيزات و عوامل اصلي كه در انتخاب نوع اتصال زمين سيستم نقش دارند و همچنين موضوع مهم حفاظت در برابر خطاي زمين به‌تفصیل در استانداردهاي مرتبط ذکرشده در فهرست منابع اين نشريه موردبررسی و بحث قرارگرفته است. هدف اين فصل تعريف و تشريح هرچه بيشتر اين الزامات اساسي اتصال زمين و نمايش چينشها و آرا يشهاي آن در چندين نوع از طرح‌های اتصال زمين سيستم و انتقال كه اغلب در سیستم‌های برق اضطراري و پشتيبان تأسیسات صنعتي و تجارتي به کار می‌روند، می‌باشد. الزامات اتصال زمين سیستم‌های برق اضطراري و پشتيبان به سبب منابع برق چندگانه، شرايط حسگري خطاي زمين و ضوابط خاص آیین‌نامه‌ها منحصر بفرد و يكتا هستند. بسته به نوع سيستم (اضطراري، پشتيبان يا پشتيبان اختياري)، این‌که نيروي برق ديگر از منبع جداگانه اي ناشي می‌شود يا نه و حفاظت در برابر خطاي زمين پیش‌بینی‌شده يا نشده، الزامات اتصال زمين تغيير می‌کند.

انواع مختلفي از حفاظت مداري را می‌توان نام برد كه براي حفاظت خطاي زمين مناسب هستند. برخي انواع متداول عبارت‌اند از كليدهاي خودكار با لغزش هاي سري، تجهيزات قطع مدار كه توسط وسايل حسكننده جريان خطاي زمين لغزش می‌کنند و فيوزها ولي با عملكرد پایین‌تر.

انتخاب و كاربرد تجهيزات حفاظتي مدار به تحليل مشروح هر يك از سيستم و مدارهايي كه قرار است محافظت شوند و نيز چينش هاي اتصال زمين تجهيزات سیستم‌ها نياز دارد. علاوه بر فراهم نمودن حفاظت خطاي زمين مناسب، هماهنگي وسايل حفاظتي اضافه جريان و سويچهاي انتقال با جريان اتصال كوتاه در دسترس حداكثر ضروري است.

سوييج هاي انتقال، اتصالات هادي بار را از يك منبع برق به منبع ديگري منتقل می‌کند. هادی‌های بار مذكور می‌تواند شامل اتصال هادي زمين (خنثي) باشد يا نباشد و به تبع آن تعيين می‌کند كه سيستم به‌طور جداگانه تحريك می‌شود يا نمی‌شود. اين عوامل طراحي سيستم اتصال زمين، انتخاب تجهيزات سويچينگ انتقال و امکان‌پذیر بودن حفاظت خطاي زمين را مشخص می‌کنند.

2-6 كاركردهاي اتصال زمين سيستم و تجهيزات

درواقع، روشي كه بر اساس آن هادي مدار سيستم به زمين يا به يك جسم هادي كه به‌طور مؤثری به زمين وصل است يا به‌عنوان جانشين زمين عمل می‌کند، عامدا متصل می‌شود، اتصال زمين سيستم را تعريف می‌کند. انواع اتصال زمين سيستم زير در اين فصل موردبررسی قرار می‌گیرند.

- اتصال زمين يكپارچه: يك هادي الكترود اتصال زمين، ترمينال زمين را به الكترود (هاي) اتصال زمين متصل كرده و هیچ‌گونه امپدانسي عامدا در اين اتصال قرار نميگيرد.

- اتصال زمين مقاومتي: يك مقاومت اتصال زمين در مدار اتصال بين ترمينال سيستم و الكترود (هاي) اتصال زمين قرار می‌گیرد.

- بدون اتصال زمين: هيچ يك از هادی‌های مدار سيستم عامدا به زمين اتصال نمی‌یابند.

اتصال زمين تجهيزات، فرآيند هم‌بندی تمام محف ظههاي هادي تجهيزات و هادی‌های درون هر مدار با استفاده از هادی‌های اتصال زمين تجهيزات می‌باشد. ضروري است اين هادی‌های اتصال زمين تجهيزات به‌موازات يا همراه هادی‌های مدار نصب و ادامه يافته و مسير هدايتي دائمی با امپدانس پايين براي جريان خطاي زمين را به وجود آورند. در سیستم‌های اتصال زمين يكپارچه، هادی‌های اتصال زمين تجهيزات با هادي مدار زمين شده و با هادي (هاي) اتصال زمين سيستم در نقاط معيني مطابق شکل‌های 6- و 1 6-2 هم‌بندی می‌شوند.

1-2-6 كاركردهاي اتصال زمين سيستم

به‌منظور مقابله با اضافه ولتاژها به سبب رعد و برق، افزايش (يا افت) ناگهاني ولتاژ خط يا نمايش غير عمدي با خطوط ولتاژ بالا و براي پايدار كردن ولتاژ ـ به ـ زمين در طول كارنرمال، سیستم‌ها و هادی‌های مدار اتصال زمين می‌شوند. هادی‌های مدار و سیستم‌ها به روش يكپارچه اتصال زمين می‌شوند تا عمل وسيله اضافه جريان در حالت خطاهاي زمين تعديل شده و ولتاژ ـ به ـ زمين در شرايط خرابي پايدار شود.

هدف از تهيه نصب الكترودهاي زمين و هادی‌های الكترود زمين كه الكترودها را به هادي اتصال می‌دهند، هدايت و عبور جریان‌های خطاي زمين حاصل از خطهاي زمين در تجهيزات، مجاري كابل ها و سیم‌ها يا ساير محفظههاي هاديها، نمی‌باشد. در سيستم اتصال زمين يكپارچه، جريان خطاي زمين از هر نقطه خطاي زمين در سيستم شروع‌شده و با عبور از هادی‌های اتصال زمين تجهيزات به جامپر (jumper) هم‌بندی (بين هادی‌های اتصال زمين تجهيزات و هادي اتصال زمين سيستم) مطابق شکل‌های 6- و 2 3-6 مي رود.

در سيستمهـاي تغذيه با سرويس (برق شهري) و بااتصال زمين يكپارچه، مسير برگشت جريان خطاي زمين از طريق جامپر هم‌بندی در تجهيزات سرويس و هادي سرويس اتصال زمين شده به ترانسفورماتور منبع تغذيه تكميل می‌شود.

2-2-6 كاركردهاي اتصال زمين تجهيزات

سيستمهـاي اتصال زمين تجهيزات كه از شبكه هاي اتصال يافته هادی‌های اتصال زمين تجهيزات تشكيل يافته، كاركرد ها و وظايف اساسي زير را بر عهده‌دارند:

- آن‌ها ولتاژ ـ به ـ زمين (ولتاژ شوك) در بخش‌های فلزي روباز و غير حامل جريان تجهيزات، مجاري کابل‌ها و سيم ها و ساير محفظههاي هادي را، در شرايط ايجاد خطاهاي زمين، محدود می‌کنند.

- آن‌ها جریان‌های خطاي زمين با مقدار و اندازه كافي را براي عمل نمودن سريع وسايل حفاظتي مدار با ايمني هدايت مي نمايند

- آن‌ها تداخل الکترومغناطيسی (EMI)، نويز مود ـ مشترک و ساير تداخلهای الکترونيکی را کاهش می دهند.

شكل 6 -1: اتصال. زمين سيستم و تجهیزات ـ نوع يكپارچه ـ براي سيستم با منبع تغذيه سرويس

شكل 6 -2: اتصال زمين سيستم و تجهيزات ـ نوع يكپارچه ـ براي سيستم با منبع تغذيه جداگانه

به‌منظور اطمينان از عملكرد كاركرد هاي اصلي فوق‌الذکر هادي اتصال زمين تجهيزات بايد:

- دائمی و مداوم باشند

- داراي ظرفيت فراوان جهت هدايت امن هر جريان خطاي زمين كه امكان دارد بر آن‌ها تحميل شود، باشند

- داراي امپدانس به قدر كافي پايين باشند تا ولتاژ ـ به ـ زمين به‌اندازه‌ایمني محدودشده و عمليات وسايل حفاظتي مدار تسهيل شود

هم انطور كه در شکل‌های و 6-1 2-6 نشان داده است، فردي كه محفظهاي هادي با خطاي زمين درون آن را لمس می‌کند از صدمات شوك مصون خواهد ماند مشروط بر آنكه هادی‌های اتصال زمين تجهيزات، مسير شنتي با امپدانس به قدر كافي پايين جهت محدود كردن جريان عبوري از بدن آن فرد به مقدار ايمن را به وجود آورند.

در سیستم‌های زمين شده يكپارچه، سیستم‌های زمين شده با مقاومت بالا و سیستم‌های زمين نشده، پیش‌بینی و فراهم گردد. در سیستم‌های زمين شده مقاومت و سیستم‌های زمين نشده، بدين علت به هادی‌های اتصال زمين تجهيزات نياز است كه حفاظت در برابر شوك تأمین شده و مسيري با امپدانس پايين براي جریان‌های خطاي فاز ـ به ـ فاز در موردي كه قبل از وقوع خطاي زمين ديگر در فاز متفاوت در سيستم، خطاي زمين اول تعيين محل و رفع نشده باشد، مشخص و ارائه شود.

3-6 هم‌بندی تجهيزات مكمل

 با هم‌بندی تجهيزات مكمل بين محفظه هاي هادي تجهيزات و اقلام هادي مجاور می‌توان خطر شوك الكتريكي را كاهش داد. هم‌بندی تجهيزات مكمل نشان داده‌شده در شكل 3-6 پتانسيل بين بخش‌های فلزي روباز غير حامل جريان و فولاد ساختماني زمين شده مجاور را در هنگام وقوع خطاي زمين متعادل مي سازد. راكتانس القايي مدار خطاي زمين معمولاًاجازه نميدهد مقدار قابل‌توجهي از جريان خطاي زمين از طريق اتصالات هم‌بندی مكمل عبور كند.

جريان خطاي زمين از مسيري جاري می‌شود كه كمترين امپدانس مدار خطاي زمين را داشته باشد. مسير جريان خطاي زميني كه راكتانس القايي مدار خطاي زمين را حداقل می‌کند از طريق هادی‌های اتصال زمين تجهيزات كه بايد همراه هادی‌های مدارها در يك مجاري نصب شوند، ميگذرد. بنابراين، در عمل، تمام جريان خطاي زمين از طريق هادی‌های اتصال زمين تجهيزات جاري شده و جريان خطاي زمين از طريق اتصالات هم‌بندی مكمل، بيش از جريان لازم براي متعادل‌سازی پتانسيل در مكان هاي هم‌بندی، نخواهد بود.

شكل 6 -3: هم‌بندی تجهيزات مكمل براي سيستم با منبع تغذيه جداگانه

4-6 جريان ايرادي در هادی‌های اتصال زمين

هادي ها اتصال زمين تجهيزات و سيستم بايد بنحوي، نصب‌شده واتصال يابند كه از جاري شدن قابل ايراد جريان از طريق هادی‌های اتصال زمين يا مسيرهاي اتصال زمين جلوگيري شود. اگر هادي مدار (خنثي) زمين شده به هادی‌های اتصال زمين تجهيزات در بيش از يك نقطه وصل شود، يا در بيش از يك نقطه زمين شود، مسيرهاي جريان خنثي سرگردان به وجود می‌آید. جري انهاي خنثي سرگردآن‌که از طريق مسيرهايي به غير از هادی‌های مدار (خنثي) زمين شده موردنظر، در طول عمليات نرمال سيستم، عبور می‌کنند هنگامي جريان ايرادي هستند كه در هر يك از رخدادهاي زير نقش داشته باشند.

- تداخل با عمليات صحيح تجهيزات، وسايل يا سیستم‌هایي كه به تداخل الكترومغناطيسي حساسيت دارند، مانند تجهيزات الكترونيكي، سیستم‌های مخابراتي، سیستم‌های كامپيوتري و غيره

- تداخل با حسگري و عمليات صحيح تجهيزات حفاظت خطاي زمين

- ايجاد جرقه با انرژي كافي جهت آتش گرفتن مواد قابل اشتعال

- انفجار مواد منفجره در طول توليد، ذخيره يا آزمون

- گرمايش بیش‌ازحد به‌واسطه حرارت به وجود آمده از جريان سرگردان در مجاري و غيره

- عمل الكتروشيميايي، بخصوص در خاك كه امكان دارد به عناصر فلزي مجاور صدمه وارد كند

اگر ترانسفورماتور تغذيه تحت مالكيت برق شهري بوده و در خارج ساختمان قرار داشته باشد، هادي سرويس زمين شده بايد در طرف ثانويه ترانسفورماتور تغذيه، توسط برق شهري، زمين شود. هادي سرويس زمين شده سیستم‌هایي با تغذيه سرويس، مطابق الزامات NEC بايد در تجهيزات سرويس زمين شوند. هیچ‌گونه زمين نبايد به هر هادي مدار (خنثي) زمين شده در طرف بار وسيله قطع سرويس اتصال يابد.

هنگامی‌که ترانسفور تحت مالكيت كاربر باشد، نيروي برق ثانويه را منبع تغذيه جداگانه می‌نامند. در چنين منبع با تحريك جداگانه، هدي خنثي آن بايددر محل ترانسفورماتور زمين شده باشد.

جريان خنثي سرگردان نمايش داده‌شده در شكل 4-6 به علت زمين شدن چندگانه هادي سرويس زمين شده است. چنين زمين شدن چندگانه هادي مدار خنثي می‌تواند جریان‌های سرگرداني را ايجاد كند كه احتمالا ايرادي بوده و سبب توليد جريان خطاي زمين و عبور آن در مسيرهايي شود كه اثر مغايري بر عمليات تجهيزات حفاظت خطاي زمين دارند. جریان‌های خنثي سرگردان ايرادي غالباً توسط خرابی‌های غير عمدي خنثي ـ به ـ زمين، مطابق شكل 6- 5 به وجود می‌آیند. تعيين محل خرابی‌های خنثي ـ به ـ زمين امري مشكل بوده و در صورت وجود جریان‌های خنثي سرگردان ايرادي بايد انتظار آن را داشت.

بر اساس ضوابط NEC، در هنگام راه‌اندازی يا به روز كردن يك سيستم، نقطه قطع و انفصالي در هادي مدار زمين شده براي مقاصد آزمون بايد تعيين شود. اين اتصال به‌طور موقت به‌منظور آزمون و اطمينان از اينكه هیچ‌گونه اتصال زمين فروسو به خنثي وجود ندارد می‌تواند باز (قطع) شود. هنگامی‌که اين اتصال باز است بايد احتياط هاي ايمني به عمل آيد چون امكان پس ـ تغذيه از منبع برق اضطراري يا پشتيبان وجود خواهد داشت.