اتصال زمین الکتریکی و حفاظت (ارت)

چکیده: در تمام تأسيسات الكتريكي، به خصوص تأسيسات فشار قوي، زمين كردن يكي از مهمترين و اساسي ترين اقدامي است كه براي رفاه و سلامتي و اصولاً ادامه زندگي اشخاصي كه به نحوي با اين تجهيزات در تماس هستند و حتي در خارج از پست در رفت و آمد مي باشند بايد با دقت هر چه تمام تر و با توجه به قواعد و قوانيني كه بدين منظور تحرير شده اند انجام گيرد. در تأسيسات برق دو نوع زمين كردن وجود دارد كه ما يكي را زمين كردن حفاظتي و ديگري را زمين كردن الكتريكي مي ناميم. زمين از موادي تشكيل شده كه غالباً هادي الكتريسيته هستند به خصوص در حالتي كه مرطوب باشند، بنابراين اگر شخصي كه روي زمين قرار دارد با جسمي كه نسبت به زمين داراي پتانسيل است تماس حاصل نمايد به علت برقرار شدن جريان دچار برق گرفتگي مي شود. در اين پست سعي شده انواع روشهاي زمين كردن و محاسبات آنهابه طور مختصر ارائه گردد. جهت هر گونه اطلاع بيشتر مي توان به استاندارد 141،VDE.

زمين حفاظتي و الكتريكي

اهداف آموزشي:
١. شناخت زمين حفاظتي
٢. شناخت زمين الكتريكي
٣. طرح زمين حفاظتي
٤. طرح زمين الكتريكي
٥. شناخت ارتباط بين زمين الكتريكي و حفاظتي

زمين كردن حفاظتي:

زمين كردن حفاظتي عبارت است از زمين كردن كليه قطعات فلزي تأسيسات الكتريكي كه در ارتباط مستقيم (فلز به فلز) با مدار الكتريكي قرار ندارند. اين زمين كردن به خصوص براي حفاظت اشخاص در مقابل اختلاف سطح تماسي زياد به كار برده مي شود. بدين منظور در پستهاي فشار قوي بايد تمام قسمتهاي فلزي كه در نزديكي و همسايگي با فشار قوي قرارگرفته اند و امكان تماس عمدي با آنها موجود است، به تأسيسات زميني كه براي اين منظور احداث شده است (زمين حفاظتي) متصل و مرتبط گردند. اين قسمتها عبارتند از ستونها و پايه هاي فلزي، درب ها و نرده هاي فلزي، قسمتهاي فلزي دسترس تمام دستگاههاي اندازه گيري، زاي ولاتورها، مقره هاي عبور، به خصوص قسمتهاي فلزي كه براي كاركردن با دستگاه بايد آنها را لمس كرد و در دست گرفت، مثل چرخهاي فرمان انواع و اقسام تنظيم كننده ها و رگولاتورها، دسته كليدها و غيره، زيرا در اين قسمتها در اثر عبور جريان خيلي كم نيز عضلات دست به طوري منقبض مي شود كه بازكردن و رهايي پيدا كردن از آن غير ممكن و محال به نظر مي رسد و عاقبتي وخيم و اسفناك براي تماس گيرنده به پيش خواهد داشت. بدين منظور و براي جلوگيري از هرگونه حادثه اي بايد زمين حفاظتي به نحوي تأسيس گردد كه قسمتي از مسير جريان كه توسط تماس اعضاي بدن انسان اتصالي ميشود (دست و پا و يا دو دست يا دوپا ) داراي تفاوت پتانسيل يا افت ولتاژ زياد نباشد افت ولتاژ بستگي به شدت جريان و مقاومت مسير جريان دارد. شدت جريان اتصال زمين بيشتر بستگي به قدرت و نوع ارتباط شبكه با زمين دارد و در هر حال مقداريست معلوم و ثابت و قابل محاسبه و در ضمن غير قابل پيشگيري، لذا براي كوچك نگهداشتن افت ولتاژ بايد مقاومت مسير جريان حتي المقدور كوچك نگهداشته شود . به طور مثال اگر يك مقره عبور كه در ديوار مرطوبي نصب شده است بشكند و سيم فشارقوي با ديوار تماس پيدا كند و جريان اتصال زمين در اين حالت ٢٥ آمپر و مقاومت هر متر ديوار Ω ١٠ باشد ما بين دو نقطه از ديوار كه انسان با آن تماس دارد (فاصله دست و يا تقريباً ۲ متر) اختلاف سطحي برابر با:

U = I * R = 25۲10 = 500 Volt

بوجود مي آيد كه مسلماً براي انسان خطرناك است. ولي اگر پايه فلزي مقره كه به ديوار محكم شده بوسيله يك سيم نسبتاً ضخيم به زمين وصل شود، در موقع اتصال بدنه يا اتصال زمين، قسمت عمده جريان اتصالي از اين سيم عبور خواهد كرد و كليه قسمتهاي ديوار هم پتانسيل سيم در آن نقطه خواهد شد. لذا افت ولتاژ در امتداد ديوار ناچيز شده و براي انسان خطري ايجاد نخواهد كرد. عامل مؤثر خطر براي انسان يا هر موجود زنده ديگر جريان مي باشد كه البته وجود اختلاف گردسطح است كه باعث عبور اين جريان مي هد.

.در فشار ضعيف جريانهاي 1 تا 0.1 آمپر كه از قلب مي گذرد خطر جاني دارد. آزمايشها و بررسي هاي مختلف نشان داده شده است كه : جريانهاي تا 0.20 آمپر براي انسان قابل تحمل است جريانهاي تا حدود از 0.05 آمپر خطرناك و جريانهاي 0.1 آمپر بالا خطر جاني دارد. عبور جريان از قلب باعث مي شود كه عمل منظم طپش قلب نامنظم شده و در رسيدن خون به مغز وقفه اي حاصل گردد، در نتيجه انسان پس از چند ثانيه بيهوش ميشود و پس از چند دقيقه به هلاكت مي رسد. براي نجات برق زده بايد بلا درنگ از تنفس مصنوعي از تنفس مصنوعي كمك گرفته شود كه بهترين نوع آن تنفس از راه دهان به دهان مي باشد. شدت جريان مهلك و مقاومت بدن انسانها متفاوت است، مقاومت بين اعضاي مختلف بدن انسانها بطور متوسط برابر است با:

• دست و دست: تقريباً Ω ٤٠٠٠
• دست و پا : تقريباً Ω ٤٥٠٠
• پا و پا : تقريباً Ω ٦٥٠٠
• هر دو دست و پاها : تقريباً Ω ١٨٠٠

در ضمن بدن مرطوب و دستهاي عرق كرده باعث كم شدن مقاومت و عبور جريان زيادتر مي شود لذا مي توان گفت كه حتي اختلاف سطح 20 ولت نيز محسوس و اختلاف سطح ٦٠ ولت ممكن است خطر جاني داشته باشد. البته اثر مرگبار جريان بستگي به فركانس هم دارد و متاسفانه فركانس صنعتي 50 هرتس خطرناكترين آنها مي باشد. در فركانسهاي زياد، شدت جريانهاي زياد نمي تواند موجبات منقبض شدن اعضاي بدن انسان را فراهم سازد، بطوريكه عبور جريان به شدت چندين امپر با فركانس خيلي زياد نيز ممكن است براي انسان بي خطر باشد.

و به همين جهت است كه در پزشكي از جريانهاي با فركانس زياد براي درمان استفاده مي شود. در برق گرفتگي فشارقوي جريانهايي از يك تا 100 آمپر و بيشتر ممكن است از بدن انسان عبور كند بدون اينكه مستقيماً باعث از كار افتادن قلب شود. ولي در عوض اين جريانهاي شديد باعث خراب كردن و سوزاندن بافتهاي بدن بخصوص تجزيه آب بدن مي شود و به كليه ها آسيب فراوان مي رساند.

ودر ضمن عبور جريان زياد از بدن باعث سوزاندن محل ورود زخم برداشتن عميق در محل خروج جريان ميشود كه ممكن است متعاقباً منجر به مرگ گردد. در خاتمه بد نيست متذكر شويم كه بعضي از حيوانات به خصوص اسب ها در مقابل جريانهاي زمين حساس تر و مستعدتر از انسانها مي باشند كه شايد اين مستعد بودن بعلت بزرگتر بودن فاصله قدم آنها و اختلاف سطح قدمي كه آنها از زمين برداشت مي كنند باشد.

زمين كردن الكتريكی

زمين كردن الكتريكي يعني زمين كردن نقطه اي از دستگاههاي الكتريكي و ادوات برقي كه جزئي از مدار الكتريكي مي باشند. مثل زمين كردن مركز ستاره سيم پيچي ترانسفورماتور و يا ژنراتور و يا زمين كردن سيم وسط يا سيم مشترك دو ژنراتور (جريان دائم سري شده MP). زمين كردن الكتريكي دستگاهها بخاطر كار صحيح دستگاه ها و جلوگيري از ازدياد فشار الكتريكي فازهاي سالم نسبت به زمين در موقع تماس يكي از فازها با زمين مي باشد. زمين كردن الكتريكي سه نوع است:

• زمین کردن مستقیم
• زمین کردن غیرمستقیم
• زمین کردن بار

زمین کردن مستقیم: مثل وصل كردن مستقيم نقطه صفر ترانسفورماتور با نقطه اي از سيم رابط بين دو ژنراتور جريان دايم به زمين.

زمین کردن غیرمستقیم: مانند اتصال نقطه صفر ژنراتور توسط يك مقاومت بزرگ به زمین يا اتصال نقطه صفر ستاره ترانسفورماتور توسط سلف بزرگ به زمين (مسلف پترزن يا پي زمينچك حدود كننده جريان).

زمین کردن بار: در اين نوع زمين كردن نقطه صف يا اصولاً هر نقطه از شبكه الكتريكي كه داراي پتانسيل نسبت به زمين است توسط يك فيوز فشارقوي (الكترود جرقه گير) به زمين وصل مي شود. تا موقعي كه از مدار فيوز باز است يعني در حالت كار عادي شبكه، ارتباط شبكه با زمين باز است ولي در موقعي كه ولتاژ زيادي شبكه را تهديد مي كند، مدار فيوز به كمك جرقه بسته مي شود و شبكه مستقيماً با زمين ارتباط برقرار مي كند. برقگيرهاي فشارقوي انواع اين فيوزها مي باشند و بدين جهت زمين كردن با در حقيقت نوعي از زمین كردن الكتريكي در حالت كار عادي شبكه محسوب نمي شود. از زمين الكتريكي اغلب در موقعي كه دستگاه ها و شبكه برق رساني بدون عيب نيز مي باشد، جريان عبور مي كند. در صورتيكه از زمين حفاظتي فقط در موقع ارتباط فازها با زمين جريان عبور مي كند.

تعيين مشخصات تأسيسات زمين حفاظتي

در تعيين مشخصات و ابعاد و طرح تأسيسات زمين حفاظتي دو شرط اصلی زير بايد رعايت شود:

• اختلاف سطح ميل از ١٢٥ ولت تجاوز نكند.
• اختلاف سطح تماسي در خارج از محدودة پست فشارقوي از ٦٥ ولت تجاوز نكند.

اختلاف سطح ميل از ١٢٥ ولت تجاوز نكند:

اختلاف سطح ميل همانطور كه مي دانيم بستگي به جريان اتصال زمين IE دارد.

125 = R* IE

در موقع محاسبه جريان اتصال زمين اگر پست فشارقوي داراي اختلاف سطح هاي مختلف 220V و 60KV و20KV و غيره است ولي در تمام پست از يك تأسيسات زمين حفاظتي مشترك استفاده مي شود، بايد مقاومت زمين را براي بزرگترين جريان اتصال زمين محاسبه و طرح ريزي كرد. در ضمن بايد مدت عبور جريان زمين محدود و كوتاه باشد تا از خشك شدن زمين اطراف ميل زمين كه باعث بالارفتن مقاومت گسترده ميل زمين ميشود جلوگيري گردد. جدول زير مدت زمان عبور جريان اتصال زمين را در اختلاف سطح ١٢٥ ولت براي مقاومت مخصوصهای مختلف زمين نشان ميدهد.

در صورتيكه اختلاف سطح ميل(E) ١٢٥عملاً غير از ولت باشد، مي توان مدت مجاز اتصال زمين را متناسب با ضریب 125/E^2 عبور جريان تغيير داد.

اختلاف سطح تماسي در خارج از محدودة پست فشارقوي از ٦٥ ولت تجاوز نكند:

شرط دوم را مي توان با قرار دادن صحيح ميلها و نصب نرده ها در محل مناسب يا توسط هدايت كردن صحيح و تنظيم خطوط پتانسيل در زمين توسط ميل فرمان بدست آورد كه متداولترين و ساده ترين آن ، قرار دادن يك ميل فرمان فولادي به طور كمربندي دور تا دور تأسيسات و به فاصله يك متر از آن و در عمق نيم متر زمين . مي باشد رااين ميل فرمان ميتوان با تأسيسات زمين حفاظتي و حتي با نرده فلزي پيرامون تأسيسات متصل و مربوط نمود . جرياني كه در موقع اتصال زمين شبكه از تأسيسات زمين مي گذرد . در حالتهاي مختلف و شرايط مختلف متفاوت است . شبكهکدر موقع اتصال ي ( فاز ۲شكل -١ (كه فقط يكي از فازها مثلا در اثر جرقه يكي از مقره ها با زمين تماس پيدا مي كند ، جريان اتصال زمين برابر است با جريان كاپاسيتيو دو فاز سالم ديگر . l بر حسب و كاپاسيتيه هر كيلومتر سيم Cb و طول سيم لذا اين جريان بستگي به ولتاژ Uph كيلومتر دارد و برابر است با :

(IE = IC = 3Uph .w.cb.l A)

در صورتيكه در اتصال دوبل زمين (تماس دو فاز مختلف شبكه با زمين )، یا دراتصال يكفاز شبكه با زمين در شبكه اي كه نقطه ستاره ترانسفورماتور آن مستقيماً زمين شده است، عملاً يك اتصال كوتاه در شبكه بوجود مي آيد. با اين تفاوت كه مقاومت زمين نيز در مسير اتصال كوتاه قرار دارد.

جريان اتصال زمين در اين دو حالت خيلي زياد است، به خصوص اگر قدرت شبكه نيز زياد باشد. ولي چون شبكه هايي مسلماً داراي وسائل حفاظتي (رله جريان زياد و غيره) در مقابل اتصال كوتاه ميباشند، لازم نيست كه حتماً تأسيسات زمين برمبناي چنين جريان شديدي محاسبه واجرا گردد.
در چنين تأسيساتي، در تأسيساتي كه مركز ستاره آن مستقيماً و يا توسط مقاومت محدود كننده جريان زمين شده است، اختلاف سطح قدم مي تواند متناسب با زمان قطع رله حفاظتي از ١٢٥ ولت تجاوز نكند. اختلاف سطح قدم مجاز را متناسب با زمان قطع رله نشان ميدهد.

در اين شكل : منحني a مربوط به فشار قدم در محوطه خارج از پست كه به خيابانهاي اصلي و پر رفت و آمد شهر منتهي مي شود مي باشد. b مربوط به فشار قدم در محوطه خارج از تأسيسات پست خارجي (پشت نرده ها) اما در داخل محوطة متعلق به تأسيسات محوطه سازي و باغ و چمن و خيابانهاي داخل محوطه نيروگاه و غيره مي باشد و منحني c مربوط به محوطه داخلي پست خارجي است در صورتيكه براي داخل شدن به آن از كفش پلاستيكي مخصوص استفاده شود.

اختلاف سطح تماس مجاز در چنين تأسيساتي را متناسب با زمان قطع رله نشان ميدهد. در اين شكل منحني a مربوط به خارج تأسيسات و منحني b مربوط به داخل تأسيسات است.

در شبكه هايي كه جريان اتصال زمين از چند صد آمپر تجاوز مي كند ، با در نظرگرفتن رابطه R = 125V/IE مقاومت زمين بايد مقاديري در حدود 3 تا 0.3 اهم پيدا كند، لذا به خصوص در چنين مواقعي و يا در حالتي كه به علت نامساعد بودن جنس زمين و يا زياد بودن مقاومت مخصوص زمين و يا به هر دليل تكنيكي ديگر نمي توان به آساني و با صرف هزينه مناسب و متعارفي مقاومت گسترده لازم و مطلوب را براي عملي ساختن دو شرط فوق بدست آورد، براي جلوگيري از اختلاف سطح تماس و قدم زياد از روشهاي زير استفاده مي شود.