در این مقاله با مفهوم زمین الکتریکی آشنا خواهید شد.بسیاری از مردم اصطلاح ” زمین ” یا “ارت” را شنیده اند، اما تعداد کمی از آنها مفهوم و اهمیت آنرا درک نموده اند. گاهی حتی برقکاران و کارشناسان برق با تجربه نیز، اتصال به زمین را جدی تلقی نمی کنند.

تاثیر “زمین نامناسب” یا “عدم وجود سیستم زمین ” می تواند خود را بصورت نویز در عملکرد تجهیزات، خصوصا سیستمهای کامپیوتری و الکترونیکی نشان دهد. یکی از مشکلات رایج در تجهیزات برقی و الکتریکی ، نشتی جریان به بدنه فلزی آنها است. از طرفی القای الکتریکی نیز که بر روی بدنه تجهیزات ایجاد می شود را باید بعنوان یک مشکل جدی در نظر گرفت.

همین مشکلات به تنهایی می توانند باعث آسیب های جانی و مالی بسیاری شوند. بنابراین “اتصال زمین” تجهیزات بسیار مهم و کاربردی است و از بسیاری از مشکلات جلوگیری می نماید.

برای اشخاصی که با تجهیزات الکتریکی کار می کنند، درک اهمیت زمین نمودن تجهیزات الکتریکی بسیار مهم است.

در قرن هجدهم میلادی، بنجامین فرانکلین آزمایش هایی را انجام داد تا راهی برای هدایت صاعقه به زمین پیدا کند. این آزمایش ها منجر به اختراع میله های صاعقه گیر شد که هم اکنون نیز از آنها به وفور استفاده می شود و به افتخار وی به نام میله فرانکلین، نامگذاری شد.

پس از این آزمایش ها و نتایج آن بود که در یافتیم که زمینی که بر روی آن زندگی می کنیم، یک رسانای الکتریکی بزرگ است. زمین شاید بهترین رسانا نباشد ولی در هر صورت می تواند بعنوان یک هادی عمل نماید و اندازه آن، آنقدر بزرگ هست که بتواند جریان های عظیم الکتریسیته را هدایت نماید.

به همین دلیل در محاسبات، سطح ولتاژ زمین  را “صفر” در نظر می گیریم. استاندارهای زمین و ارتینگ، ایجاب می کند که همواره تمام قطعات فلزی و رسانا، حتی آنهایی که در حالت عادی جریان برق از آنها عبور نمی کند، در یک سطح و نزدیک به صفر ولت نگاه داشته شوند. با توجه به گستردگی زمین و جهت تامین این سطح ولتاژ ، اتصال تمامی تجهیزات و رساناها به زمین بعنوان یک راهکار در نظر گرفته شد تا از این روش تمامی تجهیزات را هم پتانسیل نماییم.

دلایل مختلفی در مورد لزوم اتصال زمین وجود دارد که برخی از آنها اهداف ایمنی را دنبال می کنند و برخی از آنها جهت حفظ ثبات و تضمین عملکرد مدارها و تجهیزات الکتریکی ، الکترونیکی و کامپیوتری می باشد.

چرا به اتصال زمین الکتریکی نیاز داریم؟

1. همانطور که در شکل شماره یک نشان داده شده است، جهت جلوگیری از آسیب و خطرات در طرف ثانویه ترانسفورماتور به واسطه ولتاژ بالای سمت اولیه ترانسفورماتور، سیستم را به زمین متصل می نماییم تا در مواقع خطر، جریان خطا از آن مسیر به زمین وارد شود و خطری متوجه اشخاص نشود.

2. اتصال زمین تجهیزات:

   با اتصال بدنه تجهیزات به زمین می توان در زمان نشتی جریان بر روی بدنه که به هر دلیلی ممکن است اتفاق بیافتد(مانند خرابی عایق)، جریان خطا و جریان نشتی را به زمین انتقال داد و اشخاص یا کاربرها را از آسیب حفاظت نمود.

3. زمین سیگنال:

   یک نقطه مرجع (با ولتاژ فرضی صفر) جهت نقطه رفرنس و عملکرد صحیح سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری و مخابراتی که در آنها قطعاتی مانند مدارها و ریزپردازنده ها بر اساس آن نقطه مرجع، تصمیم گیری می نمایند و در صورت از بین رفتن نقطه رفرنس، احتمال آسیب دیدگی یا خطا در عملکرد و محاسبات وجود خواهد داشت.

4. اتصال زمین شیلد:

   که هدف آن، بیشتر جهت جلوگیری از تجمیع الکتریسیته ساکن و امواج الکترومغناطیسی است.بطور کلی جداسازی و ایزوله نمودن از طریق شیلدینگ، می تواند باعث کاهش نویز و تاثیرات مخرب امواج الکترومغناطیسی شود. بعنوان مثال کابل ها، فیلترها و اتاق های دیتاسنتر را از طریق شیلدینگ، محافظت می نماییم.

انواع اتصال زمین الکتریکی

در شکل شماره 2، یک مدل اتصال زمین نشان داده شده است. در این مدل، زمین رفرنس و ارت عملیاتی به زمین ایمنی و زمین قدرت متصل است. در زمان بررسی و اندازه گیری وضعیت اتصال زمین سیگنال، توجه به این موضوع بسیار مهم است که ورودی زمین سیگنال بطور مستقیم به نقاطی که ولتاژهای مختلفی نسبت به زمین مرجع دارند، متصل نباشد.

رعایت این نکته، در زمان استفاده از تجهیزات و مدارهای ارزان قیمت بازاری و تجاری ، بسیار مهم است. در اینگونه تجهیزات جهت کاهش قیمت تمام شده، معمولا از ترانس های ایزوله ، استفاده نمی کنند و برق AC یا متناوب مستقیما به مدار متصل می شود، نتیجه ای که حاصل می شود آن است که یک حلقه بین مدار و زمین الکتریکی ، ایجاد می شود و اختلاف ولتاژهایی بوجود می آید.

در برخی شرایط، اگر ورودی AC برعکس بسته شده باشد یا اختلاف ولتاژ قابل توجهی بین نقطه خنثی(نول شبکه) و زمین لوکال، وجود داشته باشد، می توان انتظار نتایج غیر قابل پیش بینی را داشت، بنابراین قبل از اتصال مصرف کننده، تمامی موارد مهم نیاز به بررسی دارند.

جهت جلوگیری از بروز مشکلاتی که در بخش قبل توضیح داده شد، می توان از یک سیستم شناور اتصال زمین(ارت) ، شبیه به دیاگرام شکل شماره 3 ، استفاده نمود.

در حالت ایده آل ، زمانی که اختلاف ولتاژ بین این دو نقطه در اندازه مورد قبول و استاندارد باشد، ورودی ها می توانند به هر نقطه از این ارت شناور متصل شوند.

اتصال زمین در خروجی

شکل های 4 و 5 برخی از سیستم های رایج اتصال زمین در خروجی را نشان می دهند. شکل شماره 4 مدل اتصال زمین در مدارهای DC را نشان می دهد، ولی در مدارها و تجهیزات فرکانس بالا، از مدل شکل شماره 5 استفاده می شود. بنابراین جهت جلوگیری از مشکل مطرح شده در بخش قبل، هنگام اندازه گیری فرکانس بالا، توجه ویژه ای لازم است. به بیان دیگر، اختلاف ولتاژ و عدم تطابق ورودی و خروجی، می تواند باعث اخلال و نویز و خطرات دیگر شود.

دستورالعمل ها و استاندارهای بسیاری جهت قوانین و انواع اتصال به زمین، تبیین شده است، با اینحال در بسیاری موارد، اجرای قوانین به درستی انجام نمی شود. شایان ذکر است در عمل، پیروی و اجرای تمام قوانین و استانداردها، ممکن است کمی دشوار باشد.

چند توجه مهم:

1. هنگامی که نیاز به اجرای زمین های مختلف مانند زمین حفاظتی، زمین ایمنی، زمین صاعقه گیر و زمین عملیاتی یا ارت سیستم های الکترونیکی را داریم، نیاز است هر یک را بدرستی اجرا نماییم و مسیرها را طوری انتخاب نماییم که بر یکدیگر تاثیر منفی نداشته باشند.
2. امپدانس مسیر زمین را همواره در کمترین میزان ممکن ، نگاه داریم.
3. سیستم زمین را طوری طرح ریزی نماییم که از حلقه های متعدد زمین جلوگیری شود، حلقه زمین خود می تواند باعث خطرات بسیاری شود.
4. همواره سعی نماییم خطوط قدرت و جریان بالا را از تجهیزات حساس، جدا نماییم و مسیرهای امن را جهت عملکرد صحیح این تجهیزات، مهیا نماییم.

مثال

به شکل شماره 6 دقت نمایید، فرض می کنیم یک مدار تغذیه استاندارد استفاده شده است، موج ولتاژ بین ورودی A و B باید میزانی بسیار کمی باشد.

در این شکل اگر از نقطه C به جای نقطه D بعنوان زمین ایمنی و سیگنال استفاده شود، یک ولتاژ گذرا و لحظه ای قابل توجه بوجود خواهد آمد، حتی اگر مقاومت بین نقاط C و D را ناچیز در نظر بگیریم، در خروجی تاثیر بسیار زیادی خواهد داشت.

یکی از دلایل می تواند شارژ و دشارژ خان های بین دو نقطه C و D باشد که می تواند در لحظه، انرژی زیادی را تخلیه نمایند.در نتیجه حتی با روشن نمودن منبع تغذیه ورودی، میتوان انتظار آسیب های جدی به تجهیزات حساس و مدارها و قطعات تشکیل دهنده آنها را داشت.

اتصال زمین نامناسب

همانطور که در شکل شماره 7 نشان داده شده است، در سوکت ها یا پریز های برق، معمولا تیغه یا پل مربوط به زمین، ضخیم تر و بلندتر از سایر تیغه ها است، بطوریکه در هنگام اتصال به پریز برق، ابتدا تیغه ارت وارد پریز می شود و ارتباط آن برقرار می شود.

امپدانس زمین نسبت به استانداردها، بسیار بالا است، ما نیاز به زمینی داریم که از ما حفاظت نماید، شرایط حفاظت در زمانی که قرار است ولتاژ 300 ولت به زمین منتقل شود در مقایسه با زمانی که ولتاژ 100 ولت به زمین منتقل می شود، متفاوت است و امپدانس کل سیستم زمین باید طوری باشد که در شرایط خطای مختلف، حفاظت کافی را تضمین نماید.

استفاده از نول به جای ارت

از نول نیز در هر شرایطی نمی توان بعنوان زمین استفاده نمود، هر چند که نول خود یک اتصال به زمین مناسب است، استفاده از نول بعنوان ارت می تواند خطراتی بهمراه داشته باشد. معمولا در یک سیستم زمین مناسب، اختلاف پتانسیل بین سیم ارت و سیم نول، کمتر از 2 ولت است، به شرط آنکه این دو سیم به هم متصل نباشند.

در صورتیکه از نول بعنوان ارت استفاده نماییم و جهت فاز و نول جابجا شود، چه اتفاقی می تواند بیافتد؟

جابجایی فاز و نول در اتصالات

شکل شماره 8 را در نظر بگیرید ، بر اساس آن فرض می نماییم که فاز و نول جابجا شده اند و در بخشی از مدار(تجهیزات A) جای فاز و نول عوض شود، در این حالت حتی اگر دستگاه های  A و  B خاموش باشند، حلقه با ولتاژ حدود 230 ولت در مدار بوجود می آید و بدنه برخی از دستگاه های درون این حلقه برقدار باقی می ماند و همین مشکل می تواند مقدمه بسیاری از مشکلات مانند برقگرفتگی های شدید، آتش سوزی و شکست عایق شود.

آرایش در تابلو برق مصرف کننده

در بسیاری از کشورها از پیکربندی Y جهت برقرسانی به مصرف کننده ها و مشترکین نهایی، استفاده می شود. همانطور که در شکل شماره 9 نشان داده شده است ، این پیکربندی بصورتی است که سه فاز و یک نول در آن در نظر گرفته می شود، این پیکربندی به سیستم برق سه فاز و چهار سیمه معروف است. اختلاف ولتاژ بین نول و هر یک از فازها حدود 230 ولت و ولتاژ بین دو فاز با هم حدود 400 ولت خواهد بود.

نول در مبدا ترانسفورماتور زمین می شود، در این حالت اگر خطایی در یک خط فاز رخ دهد، آن خطا زمین می شود و در واقع با زمین هم پتانسیل می شود تا خطری متوجه اشخاص و تجهیزات ایجاد نشود.

نول بعنوان بالانس و تعادل سه فاز عمل می نماید، در زمان طراحی شبکه داخلی برق، نیاز است یک اتصال زمین با رنگ مشخص و استاندارد با امپدانس و مقاومت مناسب با زمین ، ایجاد نماییم و آنرا در تابلو برق به محل مشخص آن اتصال دهیم. بوجود آوردن این اتصال زمین وظیفه شرکت های توزیع برق نمی باشد. در بسیاری موارد ، سازندگان از آن چشم پوشی می کنند و یا به درستی آنرا اجرا نمی نمایند و این خود می تواند پایه گذار بسیاری از مشکلات آینده باشد.

خط خنثی نباید بعنوان زمین مورد استفاده قرار گیرد و دلیل آن است که خط نول جهت جریان برگشتی به ترانسفورماتور مورد استفاده قرار می گیرد و استفاده از نول بجای ارت، می تواند باعث ایجاد اختلاف پتانسیل بین نول و ارت لوکال (زمین محلی) شود و اگر جریان مصرفی افزایش داشته باشد، افت ولتاژ اجتناب ناپذیر است.

در حالت عادی جریانی در سیستم زمین وجود ندارد و افت ولتاژ بین شینه ارت و زمین در حدود صفر ولت خواهد بود. بنابراین اتصال بدنه تجهیزات به زمین ، برای ما ایمنی و پایداری سیستم برق را به دنبال خواهد داشت و از طرف دیگر، اگر انواع خطا در سیستم الکتریکی رخ دهد ، بعنوان مثال نشت برق یا شارژ الکتریسیته ساکن در سیستم برق بوجود بیاید، از طریق سیستم ارت به زمین منتقل می شود. معمولا اختلاف ولتاژ بین نول و زمین محلی(ارت لوکال) در یک سیستم ایده آل کمتر از 2 ولت می باشد و هر چه این مقدار کمتر باشد ، بهتر است ولی دستیابی به اختلاف ولتاژ صفر، بعید است.

سیستم برق تکفاز: خطر عدم رعایت پلاریته و زمین نامناسب

زمانی که از یک سیستم تکفاز و یک خط نول و یک خط فاز استفاده می نماییم و اتصال زمین در این سیستم وجود نداشته باشد، قطعا اختلاف ولتاژی بین بدنه تجهیزات برقی و زمین خواهیم داشت. دلیل این اختلاف ولتاژ بوجود آمدن خاصیت خازنی بین هادی نول و بدنه تجهیزات و همچنین تراسفورماتور تولید و توزیع برق می باشد، این اختلاف پتانسیل در یک سیستم تکفاز 230 ولت حداقل 40 ولت خواهد بود.

در شکل شماره 10، اختلاف پتانسیل بین Vg1 و Vg2 در یک سیستم برق 230 ولت، می تواند 40 تا 120 ولت باشد. حال فرض کنید در یکی از تجهیزات این دو گروه ، جای سیم های فاز و نول عوض شود، می توان متصور بود که چه اختلاف ولتاژ خطرناکی بین آنها ایجاد می شود.

در اینحالت خطای بوجود آمده در تجهیزات گروه یک، ولتاژ بالاتری از V1 خواهد داشت، این سیگنال الکتریکی خطا، آنقدر قدرتمند می باشد که بتواند به قطعات و مدار تجهیزات گروه دوم آسیب جدی وارد نماید. این خطا می تواند علاوه بر خروجی تجهیزات گروه اول و ورودی تجهیزات گروه دوم ، بصورت شناور در زمین دو گروه تجهیزات ، جریان پیدا نماید. این خطا در شکل 12 با  Lg نشان داده شده است.

اگر جریان به اندازه کافی قوی باشد، خسارت های بسیاری را تحمیل خواهد کرد. بنابراین فقط با اتصال زمین مناسب می توان این مشکل را رفع نمود و شرایطی بوجود آید که     0 =  vg1  =  vg2   =  vg3   و در نهایت  0= Lg   شود.

 

جمع بندی زمین الکتریکی

زمانیکه تجهیزات الکتریکی را در یک ساختمان نصب می کنید، امپدانس الکتریکی تجهیزات را نسبت به زمین بررسی نمایید تا مشخص شود که آیا آنها طبق استاندارد نصب شده اند یا خیر،  همچنین حداقل سایز و سطح مقطع سیم و کابل ها را بر اساس میزان مصرف تجهیزات مربوطه و میزان قدرت خطاهای احتمالی و با توجه به محاسبات انتخاب نمایید.

1-از پریز های ارت دار استفاده نمایید.

2-برسی نمایید که جهت اتصال فاز و نول در پریزها، صحیح انجام شده باشد.

3-اختلاف ولتاز بین نول و ارت در کلیه پریزها بررسی شود.

4-امپدانس الکتریکی بین نول و ارت در کلیه پریزها بررسی شود.

5-پایداری برق متناوب را بررسی نمایید تا مشخص شود تغییرات ولتاژی بر اساس استاندارد باشد.

6-زمین بودن یا اتصال به زمین کلیه تجهیزات را پس از اتصال به پریز برق مربوطه، بررسی نمایید.

7-اختلاف ولتاژ بین بدنه تجهیزات، خصوصا آنها که در مجاروت یکدیگر هستند، بررسی شود.

8-پالس هایی که در زمان روشن شدن یک تجهیز بوجود می آید، می تواند با ایجاد نویز بر روی ماژول های حساس تاثیرات بسیار مخربی را ایجاد نماید. در نتیجه بهترین راه حل رفع مشکلات و خطاها، جلوگیری از ایجاد آنها است.

یکی از روش های مناسب جهت حفاظت از تجهیزات حساس الکترونیکی و کامپیوتری، خصوصا در مکان های آلوده الکتریکی مانند کارگاه ها و کارخانه ها ، استفاده از سیستم ارت الکترونیکی شرکت کنزا صنعت می باشد.