سیستم زمین IT و کاربردهای آن

در سیستم‌ های زمین IT، تمام قطعات فعال از زمین عایق شده یا از طریق امپدانس بالا به زمین متصل می‌ شوند،  مشروط بر اینکه ایمنی الکتریکی حفظ گردد. در سیستم IT، اتصال به زمین قسمت های رسانای در معرض تماس تاسیسات الکتریکی به صورت جداگانه یا گروهی انجام می شود، در حالیکه در سیستم های TN ، نقطه ستاره ترانسفورماتورهای تامین کننده از طریق امپدانس کم به زمین متصل می شود و قسمت های رسانا در معرض تماس تاسیسات الکتریکی به سیستم زمین حفاظتی (PE) متصل می شوند. در سیستم‌ های  TT، نقطه ستاره نیز از طریق امپدانس کم به زمین متصل می ‌شود، اما قسمت‌ های رسانا در معرض تماس تاسیسات الکتریکی مستقل از ارتینگ سیستم به زمین متصل می ‌شوند.

در ورودی یک سیستم زمین مبتنی بر IT ، از یک ترانسفورماتور یا یک منبع تغذیه مستقل مانند باتری یا ژنراتور استفاده می شود، از آنجایی که هیچ هادی فعالی با مقاومت کم به زمین متصل نمی شود، در صورت اتصال کوتاه در بخش رسانای در معرض تماس و یا در زمان خطای زمین، جریان خطای بالایی در بدنه هادی ها جاری نمی شود، در نتیجه جریان خطای کم بوده و اندازه آن به مقاومت های عایق و ظرفیت هادی ها و اجزای سیستم نسبت به زمین بستگی دارد.

برخی از مهمترین کاربردهای سیستم زمین از نوع IT ، در بیمارستان ها ، صنایع دریایی و ماشین های متحرک می باشد، در اینگونه صنایع، اجرای سیستم زمین IT  طبق استانداردها اجباری است، همچنین با استفاده از سیستم اتصال به زمین ارت الکترونیکی کنزا صنعت، می توان جهت تامین ارت عملیاتی و اتصال به زمین ماشین های سیار مخابراتی و نظامی و همچنین ارت تجهیزات حساس کامپیوتری و مخابراتی و ارتینگ در اتاق های عمل جراحی استفاده نمود.

 برخی از صنایع از سیستم زمین IT استفاده می کنند تا اطمینان حاصل کنند که جریان خطا منجر به آتش سوزی یا انفجار نمی شود، از این نوع صنایع می توان به انبار های ذخیره مهمات، انبار مین در معادن و سیلوها اشاره نمود. برخی دیگر از صنایع،  از سیستم زمین IT جهت اطمینان از تداوم خدمات استفاده می کنند، از این گروه صنایع می توان به صنایع سردخانه ای، روشنایی اضطراری، نیروگاه های هسته ای، فرودگاه ها و همچنین سلول ها و نیروگاه های خورشیدی، اشاره نمود.

با توجه به نوع عملکرد و شرایط سیستم زمین IT، استفاده از این سیستم رو به رشد است. می توان نتیجه گرفت که کاربرد سیستم IT، در صنایع خاص و حساس می باشد و استفاده از آن در صنایع عمومی، کمتر مشاهده می شود. در ادامه این مقاله علاوه بر آشنایی با سیستم زمین IT، با مهمترین خصوصات آن آشنا می شویم.

سیستم IT

در سیستم IT دو بخش مهم اجرا و راه‏ اندازی می‏ شوند:

• در سمت تولید انرژی و منبع انرژی، نقطه خنثی یا نول، زمین نمی ‏شود و یا اگر زمین شود با امپدانس حداقل 1500 اهمی، به زمین متصل می ‏شود.
• در سمت مصرف کننده تمامی بدنه ‏های فلزی، هادی‏ های در دسترس و هادی‏ های بیگانه که نیاز به اتصال زمین دارند، از طریق یک یا چند الکترود زمین محلی و لوکال به زمین متصل می‏ شوند.

یکی از مهمترین ویژگیهای یک سیستم IT این است که در صورت بروز اولین خطا بین خطوط  فاز و زمین، سیستم الکتریکی به کار ادامه می ‏دهد و قطع نمی شود و در واقع سرویس دهی با وقفه همراه نخواهد بود،  از این خطا با نام “اولین خطا” یا First Fault یاد می‏ شود.

میزان جریان اولین خطا به امپدانس نول(در صورت وجود) و ظرفیت خازنی مدار پایین دست (کابلها، نشتی های جریان و …) بستگی دارد. جریان اولین خطا که آنرا با  نمایش می ‏دهیم، می بایست آنقدر کم باشد که قانون Id*RA≤50V  را نقض نکند، در صورت تحقق این قانون، می ‏توانیم به این نتیجه برسیم که جریان خطا خطر زیادی ایجاد نمی‏ کند.

این نوع عملکرد اجازه می‏ دهد که تا زمانی که خطا مشکلی ایجاد نکند، سیستم مصرف کننده بکار خود ادامه دهد و خدمات، تداوم داشته باشد. این خصوصیت در برخی از مکان ها و سیستم های الکتریکی خاص بسیار مهم و کاربردی است.

اقدامات مورد نیاز جهت بهره‏ برداری سیستم IT

• مانیتورینگ و نظارت دایمی بر عایقها و بررسی میزان نشتی و سیستم زمین جهت تشخیص خطای اول.
• استفاده تجهیزاتی جهت محدود کردن ولتاژ نقطه خنثی ترانسفورماتور نسبت به زمین.
• تشخیص محل وقوع خطای اول که می ‏توان با استفاده از دستگاه هایی که بهمین منظور ساخته شده ‏‏اند، محل وقوع آنرا راحت تر تشخیص داد.
• در صورتیکه خطای دوم رخ دهد و خطای اول رفع نشده باشد، سیستم مانیتورینگ تشخیص داده و نسبت به قطع خودکار سیستم الکتریکی دستور خواهد داد. در این حالت سیستم مانیتورینگ، خطای دوم را یک خطای زمین و همراه با خطر جانی تشخیص خواهد داد. که در آن هادی فاز غیر از هادی فازی است که باعث خطای اول شده است(شکل شماره یک)

شکل یک

سیستم IT و حفاظت از خطا

در سیستم  IT ، خطای اول زمین نباید باعث قطعی شبکه الکتریکی شود، در این سیستم جریان خطای زمین براساس Ma اندازه گیری می‏شود. در ادامه دو مثال مختلف از محاسبه جریان خطای زمین را بررسی می ‏نماییم.

 

مثال اول

شکل 2

در مدار ساده شکل شماره 2، نقطه خنثی منبع برق با امپدانس معادل 1500Ω زمین شده است. جریان خطا در سیستم ارت و اتصال زمین در صورت بروز خطا در یک سیستم برق230/400V سه فاز، در حدود 153Ma در نظر می‏ گیریم. ولتاژ خطا نسبت به زمین ناشی از این جریان خطا و مقاومت هادی PE و مقاومت الکترود زمین و از محل وقوع خطا تا الکترود زمین، ناچیز فرض می شود.

مثال دوم

در یک شبکه الکتریکی که از یک کیلومتر هادی تشکیل شده است (شکل 3 )، امپدانس نشتی زمین 1µF/KM توسط خازن‏های C1 تا CN بوجود می ‏آید، امپدانس خازنی Zc ، بر روی هر خازن نسبت به زمین به این صورت محاسبه می‏ شود:

درهر فاز IC=U0/ZC = 230/3500 =66ma

شکل3

در صورت بروز خطای تکفاز به زمین، بردارهای ولتاژ و جریان بصورت شکل 4 تغییر می‏ نمایند:

شکل4

جریان خطایی که از مقاومت الکترود زمین RA عبور می‏کند، برابر است با مجموع جریان‏ها:

• جریان خازنی در فازهای سالم  Ic2 تا Ic3 .
• جریان خازنی نول Icn.
• جریان در مقاومت نول Id1.

با توجه به اینکه ولتاژ نول 230V می‏ شود، بنابراین جریان خازنی نول        

این جریان ها با دمای 30º منتقل می‏ شوند، بطوریکه مجموع جمع برداری  بصورت زیر می ‏شود:

در مدارهای 3L+N، میزان جریان خازنی به زمین، در حدود چهار برابر جریان خطای فاز به زمین می‏ شود، در مقایسه با حالت نرمال کاری، Ic، جریان Id1 که از مقاومت نقطه خنثی نول می ‏گذرد،حدود 153mA خواهد بود.

جریان خطای زمین با جمع برداری جریان مقاومت   که حدود 153mA است و جریان خازنی  که حدود 264mA است، بدست می‏ آید. در نتیجه میزان نهایی آن بصورت زیر محاسبه می ‏شود:

بعنوان مثال در زمینی با مقاومت 50Ω، ولتاژ خطای  برابر با  می ‏شود و بدیهی است این میزان خطا نسبت به زمین، خطر زیادی ندارد.

جهت تداوم خدمات در شرایط خطای اول در سیستم IT:

• نیاز به نظارت بر روی سیستم زمین و عایق ‏ها داریم و در صورت بروز اولین خطا به طریقی مانند زنگ خطر یا چراغ‏ های خطر یا ارسال پیامک هشدار به سوپروایزر یا روش های دیگر، هشدار خطای اول اعلام شود.
• سیستم IT مزیت‏ های فراوانی دارد، ولی در صورت هشدار خطای اول نیاز است نسبت به رفع فوری عیب اقدام شود تا تداوم خدمات بعد از خطای اول، در شرایط اضطراری و خطرناک قرار نگیرد.

خطای دوم

خطای دوم منجر به اتصال هادی‏ های اصلی فاز یا نول به زمین یا هادی PE می‏ شود، مگر آنکه خطا در همان هادی خطای اول رخ داده باشد، در این شرایط،  قطعات حفاظتی مانند فیوزها و بریکرها بصورت اتوماتیک نسبت به حفاظت اقدام می ‏نمایند. جزییات و محدودیت‏ های سیستم IT مربوط به حفاظت آن می‏ شود، حفاظت در مقابل خطا، در هر یک از موارد زیر متفاوت است، این حالت ها در شکل شماره 5 نشان داده شده اند.

شکل 5

حالت اول

در زمان نصب و راه ‏اندازی تاسیسات الکتریکی، باید تمام قسمت های فلزی و رسانای در معرض تماس یا در دسترس به یک هادی PE مشترک متصل شوند، این مورد در شکل شماره 5  نشان داده شده است.

شکل6

در این حالت، هیچ الکترود زمینی در مسیر جریان خطا وجود ندارد، در نتیجه سطح بالایی از جریان خطا بوجود می ‏آید، جهت تضمین حفاظت نیاز است از قطعات حفاظتی مانند بریکرها و فیوزهای متناسب استفاده نمود، جهت انتخاب درست قطعات و سیستم‏ های حفاظتی، نیاز است ابتدا جریان اتصال کوتاه محاسبه شود، یکی از روشهای مناسب و قابل استناد، محاسبه جریان خطای زمین است.

• روش امپدانس
• روش ترکیبی
• روش مرسوم

اولین خطا می ‏تواند در یک سمت انتهایی مدار شبکه و خطای دوم در سمت دیگر، رخ دهد. به همین دلیل هنگام محاسبه سطح خطای احتمالی جهت تنظیم و انتخاب محافظ‏ های جریان اضافی، امپدانس حلقه مدار دو برابر می‏ شود.

در یک سیستم سه فاز و نول، اگر یکی از خطاها (اول یا دوم) از هادی خنثی نول به زمین باشد، کمترین جریان خطای اتصال کوتاه رخ می‏ دهد(هر چهار هادی در یک سیستم IT نسبت به زمین عایق هستند)، بنابراین در یک سیستم IT، ولتاژ خطای فاز به زمین را جهت محاسبه محافظت اتصال کوتاه استفاده می ‏نماییم:

0.8  ≥

که در آن:

: ولتاژ فاز به نول

: امپدانس حلقه مدار خطا

: سطح جریان تنظیم شده تحریک

حال فرض نماییم هادی خنثی در محل وجود نداشته باشد و سیستم شبکه برق بصورت سه فاز بدون نول مورد استفاده قرار می ‏گیرد، در این حالت جهت محاسبه میزان جریان خطای فاز به فاز را در نظر می‏ گیریم، یعنی:

تنظیمات رله ‏های حفاظتی جریان اضافی و نوع فیوز و درجه حفاظتی آن، مهمترین پارامترهای اساسی هستند که محاسبه دقیق و استفاده در محل مناسب، می ‏تواند تضمین خوبی در حفاظت نهایی باشد.

نکته : با رعایت استاندارهای ارتینگ و همبندی ‏ها، می‏ توان امپدانس حلقه خطا را به اندازه کافی کم نمود تا خسارت در هنگام خطر، کاهش یابد یا از بین برود.

حالت دوم

در این حالت تجهیزات یا گروه ‏هایی از تجهیزات بصورت جداگانه زمین می ‏شوند، در این روش با تعدد الکترودهای زمین جداگانه مواجه هستیم، در نتیجه قسمتهای در معرض تماس خطای زمین دوم، در گروهی غیر از گروهی که خطای اول در آن رخ داده بوجود می‏ آید.

با توجه به شرایط این حالت، علاوه بر حفاظت های مربوط به حالت اول، نیاز به حفاظت های دیگری نیز داریم، بعنوان مثال نیاز است که در هر گروه و بر روی هر الکترود یک کلید نشتی جریان جداگانه در نظر گرفته شود، به این دلیل که الکترودها تنها از طریق امپدانس زمین با هم در ارتباط هستند و در این حالت خطای اتصال فاز به فاز هنگام عبور از زمین توسط مقاومت زمین، محدود می ‏شود و ممکن است تحریکی جهت قطعات حفاظتی، ایجاد نکند.

بنابراین کلیدهای نشتی جریان حساس‏ تری لازم است، ولی نیاز است  تنظیمات مربوطه بصورتی انجام شود که نسبت به میزان جریان اولین خطا، حساس ‏تر نباشند و باعث قطع شبکه نشوند. در شکل 7 مطابقت بین جریان نشتی زمین و جریان خطای اول نشان داده شده است و ظرفیت خطای چهار هادی اصلی در هر کیلومتر 1µF در نظر گرفته شده است.

نکته: در تاسیسات 3L+N ، محافظت در مقابل جریان اضافی در هادی خنثی، گاهی اوقات با استفاده از ترانسفورماتور جریان حلقه بر روی هادی خنثی انجام می‏شود.

پیاده سازی حفاظت در سیستم IT

• حفاظت با استفاده از بریکرها

در مثال شکل 5 نیاز است در مورد تنظیمات حداکثر جریان تاخیر، تصمیم ‏گیری شود، حفاظت در مقابل اتصال فاز به فاز با استفاده از یک قطع کننده مدار NSX160 مناسب انجام می‏ شود.

در یک سیستم IT، دو مدار الکتریکی در اتصال فاز به فاز دخالت دارند که در شرایط یکسان فرض می‏ شوند، یعنی طول مسیر آنها، سطح مقطع هادی‏ ها و هادی های PE با سطح مقطع یکسان نسبت به هادی فاز در نظر گرفته می ‏شود.

در چنین حالتی امپدانس حلقه مدار در هنگام استفاده از روش ‏های محاسبه متعارف، دو برابر است.

امپدانس حلقه اتصال کوتاه FGHJ بصورت زیر محاسبه میشود:

                                                                    مگااهم (mΩ)               FGHJ: 2RJH = 2ρ

که در آن:

ρ: مقاومت میله یا الکترود مسی بطول یک متر و سطح مقطع 1  بر حسب میلی اهم mΩ

L: طول مسیر بر اساس متر

FGHJ= 2 * 23.7 * 50.35 = 67.7mΩ

امپدانس حلقه B,C,D,E,F,G,H,J بصورت دو برابر آن خواهد بود یعنی 2* 67.7 = 135mΩ

در نتیجه جریان خطا بصورت زیر محاسبه می‏شود:

                                                     

حفاظت با استفاده از فیوز

فیوز مناسبی که در زمان مشخص و بر اساس جریان  حفاظت را انجام دهد با استفاده از منحنی، قابل انتخاب است، جریان انتخابی باید بطور قابل توجهی کمتر از جریان خطای محاسبه شده برای مدار باشد. یک نمونه از منحنی در شکل 8 نشان داده شده است.

شکل 8

حفاظت با استفاده از کلیدهای نشتی جریان یا RCD ها

در مواردی که طول مدار زیاد است و همچنین در مواردی که از چند الکترود زمین جداگانه استفاده می‏ شود و با توجه به این نکته که جریان خطا، ممکن است از طریق چند الکترود به زمین نشت نماید، حفاظت از روش جریان اضافی و بریکرها و فیوزها، بسیار سخت است.در این شرایط از RCDها استفاده می ‏نماییم.

در استفاده از RCD نیاز است محتاط باشیم، بعنوان مثال سیستمهای حساسی مانند شبکه‏های فناوری اطلاعات بی جهت نباید قطع شوند، همانطور که می‏دانید این مدل سیستم‏ها بطور عادی نشتی هایی به زمین دارند و حساسیت RCD  نباید بگونه‏ ای باشد که نسبت به نشتی های عادی حساسیت نشان دهند و حفاظت نادرست نماید، همچنین چینش RCD  ها باید بصورتی باشد که اولین خطا باعث قطع سیستم نشود.

حداکثر طول مسیر مدار

قوانین در یک سیستم IT تقریبا شبیه به سیستم TN است، محاسبات حداکثر طول مدار نباید از طول مسیر مدار پایین دست بریکرها و فیوزها تجاوز نماید تا این اطمینان حاصل شود که بر اساس امپدانس حلقه، محافظت انجام می ‏شود. بررسی طول مدار برای ترکیبی واقعی از دو خطای همزمان، تقریبا غیر ممکن است.

در صورتیکه روش محاسبات و طراحی ما به این صورت باشد که تحریک حفاظت جریان اضافی بر این اساس باشد که اولین خطا در انتهای مدار مربوطه رخ دهد و از طرفی خطای دوم در انتهای یک مدار یکسان رخ دهد، می‏تواند تمام نکات و شرایط حفاظتی مورد نیاز کل مدار را تضمین نماید. در شکل 9 مسیر جریان خطا در دو حالت سیستم بدون نول و سیستم با اتصال نول، نشان داده شده است.

شکل 9

در یک سیستم سه فاز سه سیمه، خطای دوم می ‏تواند باعث اتصال کوتاه فاز به فاز شود، بنابراین ولتاژ مورد استفاده برای حداکثر طول مدار با استفاده از فرمول زیر قابل محاسبه است:

در یک سیستم 3L+N اگر یکی از خطاها روی هادی خنثی اتفاق افتاده باشد، کمترین میزان جریان خطا رخ خواهد داد. در این حالت،   مقداری است که برای محاسبه حداکثر طول کابل استفاده می‏شود :

  =   بر حسب متر

مقادیر فرمول های ارایه شده به شرح زیر است:

  :  طولانی‏ترین نقطه مدار بر حسب متر

    : سطح مقطع هادی های فاز بر حسب

    : سطح مقطع هادی PE بر حسب

  :   S خنثی است اگر سیستم شامل هادی خنثی باشد.

:     در صورتیکه سیستم شامل هادی خنثی نباشد

:  ولتاژ فاز به نول(230V در یک سیستم 230/400V)

   : مقاومت در دمای طبیعی عملکرد:

مس:/     -Ω   23.7 *

آلومینیوم:/     -Ω   37.96 *

  : سطح تنظیم اضافه جریان یا حداکثر جریان بر حسب آمپر جهت عملکرد و تریپ فیوز حفاظتی

جدول های زیر طبق روش های مرسوم طبقه ‏بندی شده اند، در جدول‏ ها حداکثر طول مدار در نظر گرفته شده است، بطوریکه مقادیر مقاومتی بیش از آنها، می ‏تواند قطعات یا سیستم‏ های حفاظتی را  وادار به واکنش نماید تا در زمان مناسب و با سرعت مناسب حفاظت کافی را انجام دهند، در نتیجه در زمان تماس غیر مستقیم ایمنی منسبی ایجاد می شود و همچنین از تجهیزات نیز حفاظت خواهد شد.

جدول 1

جدول 2

جدول3

جدول4

نکات براساس جدول‏ها

• نوع حفاظت: بریکرها یا فیوزها که بر اساس جریان انتخاب می ‏شوند.
• سطح مقطع هادی فاز و هادی حفاظتی
• نوع سیستم ارتینگ
• ضریب تصحیح: جدول 5، ضریب تصحیح را در فواصل جداول 1 تا 4 در یک سیستم IT را نشان می‏دهد.

جدول 5

حداکثر طول مدار چه میزان باشد تا حفاظت از اشخاص در زمان تماس غیر مستقیم تامین شود؟

پاسخ: بر اساس جدول یک می‏توان پی برد که حداکثر طول 603 متر که باید ضریب تصحیح 0.36(m=2) برای کابل آلومینیوم) در آن اعمال شود. در نتیجه حداکثر فاصله سیمی می ‏تواند 217 متر باشد.

 

حداکثر زمان تریپ و تحرک

زمان قطع اتصال و تریپ حفاظتی در یک سیستم IT بستگی به نحوه اتصال الکترودهای مختلف و پست زمین اصلی دارد. برای مدارهای نهایی که در آنها جریان نامی بیش از 63A نداشته باشیم و یک یا چند پریز خروجی داشته باشند و 32A که فقط از تجهیزات متناوب با استفاده از جریان اتصال استفاده می ‏کنند، حداکثر زمان قطع و حفاظت شبیه به سیستم TN است.

شکل 10

در یک مدار جریان نامی بیش از 63A با یک یا چند پریز خروجی 32A که فقط از تجهیزات متناوب استفاده شده است، بطوریکه قسمت‏ های در معرض تماس آنها به یک الکترود مستقل زمین متصل شده باشد(جدا از الکترود زمین پست)، حداکثر زمان تریپ حفاظت و قطع ، بر اساس شکل یک خواهد بود. جهت مدارها و تجهیزات بدون قسمت ‏های در معرض تماس حداکثر زمان قطع یک ثانیه می ‏باشد. دلیل این امر آن است که هر خطای مضاعفی نتیجه یک خطای عایقی در همان گروه و خطاهای عایقی در گروه ‏های دیگر، باعث ایجاد جریان ‏های خطای متفاوت و با توجه به مقاومتهای مختلف الکترودهای زمین می‏شود و این نوع عملکرد شبیه رفتار حفاظتی در یک سیستم TT است.

سخن پایانی

استفاده از سیستم زمین TN کاربرد بیشتری در صنایع و مکان های عمومی دارد، ولی جهت حفاظت و افزایش بهره وری در برخی از صنایع خاص مانند دیتاسنترهایIT، اتاق های عمل جراحی بیمارستا ها، ماشین های سیار مخابراتی و نظامی، دیزل ژنراتورها و صنایعی از این نوع، استفاده از سیستم IT با توجه به ارائه نوعی خاص از حفاظت، خصوصا تداوم سرویس دهی در خطای اول، کاربرد فراوانی دارد.

شایان ذکر است با استفاده از سیستم ارت الکترونیکی کنزا صنعت، می توان علاوه بر افزایش حفاظت و بهره وری و تامین ارت سیستم های الکترونیکی و کامپیوتری، هدف تخلیه الکتریکی بدنه تجهیزات حساس ایجاد یک نقطه رفرنس ثابت را برآورده نمود.

ارت الکترونیکی کنزا صنعت، سیستمی اتصال به زمین است که با اتصال به زمین حفاظتی، سیستم ارت بدون تغییر  و ثابت را تولید کرده و تخلیه الکتریکی بدنه تجهیزات را بطور کامل انجام می دهد.  یک یکی از مهمترین خصوصیت های سیستم ارت الکترونیکی کنزا صنعت، عدم تغییر عملکرد حفاظتی و تخلیه الکتریکی بدنه، با تغییرات مقاومت اتصال به زمین می باشد.