زمین‌کردن شبکه‌های فشارضعیف (بخش اوّل مبانی زمین‌کردن)

یکی از موارد مهمی که در تأسیسات الکتریکی فشار ضعیف مطرح می‌باشد ، نوع سیستم زمین آن تأسیسات می‌باشد که البته تابلوهای برق نیز از این موضوع مستثنی نمی‌باشند.
حفاظت پرسنلی که با تجهيزات الکتريکی کار می‌کنند ، تداوم سرويس‌دهی سيستم به هنگام بروز یک خطای اتصال به زمین ، اضافه ولتاژهای تحمیل‌شده به سیستم و ….. همگی تحت تأثیر زمین‌کردن تأسیسات الکتریکی می‌باشند.

در شبکه ها و تأسیسات الکتریکی ، اکثر خطاهای اتصال‌کوتاه بوجود آمده ، خطاهای اتصال‌کوتاه فاز به زمین می باشند که در حقیقت ارتباط بین هادی های زنده شبکه (فاز‌ها) و زمین و یا بخش های زمین شده سیستم می‌باشد.

مقدار جریان خطای اتصال کوتاه فاز به زمین در شبکه ها و تأسیسات‌الکتریکی به نوع زمین‌کردن منبع ولتاژ سیستم مرتبط است و بدیهی است که در صورت زمین‌کردن مستقیم نقطه صفر منبع به زمین ، حداکثر جریان خطای فاز به زمین و در صورت زمین‌نشدن نقطه صفر منبع ولتاژ ، جریان خطای اتصال فاز به زمین در مقدار کمی جاری خواهد شد.

یکی دیگر از علت های زمین کردن سیستم های قدرت این است که یک نقطه به عنوان مرجع برای ولتاژهای سیستم بوجود آید و همچنین با توجه به وجود یک نقطه صفر مرجع در تأسیسات الکتریکی ، از اضافه ولتاژ های بوجود آمده در فاز‌ها می توان جلوگیری کرد.

از طرفی سیستم‌هایی که نقطه صفر آنها به زمین متصل نمی‌باشد دارای این ویژگی می‌باشند که با اتصال یکی از فاز‌ها به زمین می‌توان سیستم را همچنان فعال نگاه داشت تا از قطع شدن شبکه و از دست رفتن ناگهانی فرایندهای تولید جلوگیری گردد ولی در ازاء این حسن ، بوجود آمدن عدم تعادل ولتاژها از عیوب چنین شبکه‌هایی می‌باشند.

استاندارد IEC-60364-3 ، انواع زمین‌کردن تأسیسات فشار ضعيف را از نظر نوع ارتباط منبع ولتاژ و بدنه تجهیزات با زمین طبقه‌بندی کرده است:
انواع زمین کردن تأسیسات الکتریکی فشار ضعیف ، با دو حرف مشخص می گردد که حرف اول نمايانگر ارتباط مستقيم شبکه به زمين می باشد.

همانطوری که در شکل فوق مشاهده می کنید ، حرف T به عنوان حرف اول به معنی ارتباط يک نقطه از شبکه به زمين می باشد که اين نقطه ، نقطه صفر منبع ولتاژ مانند مرکز ستاره سیم‌پیچ ثانویه ترانسفورمر MV/LV يا ژنراتور می باشد و حرف I به عنوان حرف اول به اين معنی می باشد که شبکه به زمین متصل نمی باشدکه نقطه صفر شبکه که معمولاً ، نقطه صفر منبع ولتاژ مانند ترانسفورمر قدرت يا ژنراتور می باشد هيچ گونه ارتباطی به زمين ندارد يا توسط يک مقاومت به زمين متصل شده است.

حرف دوّم نیز نمايانگر ارتباط بخش های بيرونی هادی تجهيزات را به زمين مشخص می کند و حرف T به عنوان حرف دوّم به اين معنی است که بدنه بيرونی تجهيزات (بخش های هادی) به صورت مستقيم به زمين متصل می باشند و همچنین حرف N به عنوان حرف دوّم به اين معنی است که بدنه بيرونی هادی تجهيزات به نقطه صفر شبکه متصل می باشد که نقطه صفر منبع ولتاژ مانند ترانسفورمر MV/LV يا ژنراتور می باشد.

بر اساس سیستم کدبندی فوق شبکه‌های فشارضعیف را از نظر زمین‌کردن‌ به انواع زیر تقسیم‌بندی می‌شود:

شبکه‌های با سیستم TT

با توجه به تعاريف فوق می‌توان دريافت که در اين سیستم ، بدنه هادی تجهيزات به صورت جداگانه به سیستم زمين متصل می‌باشند و نقطه صفر منبع ولتاژ نیز به صورت جداگانه زمین شده‌است.

در اين نوع تأسيسات وظيفه سيم نول تنها جهت توزيع ولتاژهای تک‌فاز و همچنين حفظ تعادل ولتاژهای تک‌فاز در مقدار نامی (به عنوان مثال ۲۳۰ ولت در شبکه‌های ایران) می‌باشد.

شبکه‌های با سیستم TN

در اين نوع شبکه نقطه صفر منبع ولتاژ به شکل مستقيم زمين شده‌است و بخش‌های هادی بدنه تجهيزات نيز به شکل مستقیم به نقطه صفر منبع متصل می‌باشند و با توجه به این موضوع که برخلاف سیستم TT، زمین به عنوان مسیر جریان خطای فاز به بدنه نقشی ندارد ، مقدار چنین جریان خطایی به مراتب بزرگ می‌باشد و با عبور جریان خطای زمین با مقدار نسبتاً بزرگ ، معمولاً این امکان وجود دارد که چنین خطایی توسط رله‌های جریان زیاد تجهیزات حفاظتی مانند کلیدهای خودکار سنجیده شده و در زمان مناسب قطع گردند.

بسته به اين موضوع که هادی نول و هادی حفاظتی در سیستم به صورت جداگانه باشند يا يک هادی مشترک نقش آنها را ايفا کند اين شبکه ها به سه دسته تقسيم می گردند :

شبکه‌های با سیستم TNS

مطابق شکل زیر در اين نوع شبکه ها ،هادی نول و هادی حفاظتی به صورت دو هادی جداگانه در سيستم وجود دارند و بدنه هادی تجهیزات الکتریکی به صورت جداگانه به هادی حفاظتی (PE) متصل می‌باشند و هادی نول نیز به منظور توزیع بارهای تک فاز و متعادل سازی سیستم سه فاز در صورت عدم تعادل بارهای سه فاز بکار می‌رود و هادی نول و هادی حفاظتی در ابتدای سیستم به نقطه صفر منبع ولتاژ وصل می‌گردند.

شبکه‌های با سیستم TNC

مطابق شکل زیر ، در اين نوع شبکه‌ها ، يک سيم مشترک به عنوان سيم نول و سيم حفاظتی وجود دارد که سيم PEN ناميده می گردد.

با توجه به استفاده از هادی مشترک نول و حفاظتی ، قطع این هادی (PEN) مجاز نبوده و به همین علّت استفاده از کلیدهای دارای قطع کننده نول (کلیدهای چهار‌پل در سیستم سه فازه و یا دوپل در سیستم تک‌فاز) که سیم PEN را نیز قطع نماید ، در این سیستم مجاز نمی‌باشد.

در این گونه تأسیسات لازم است توجه گردد که سیم PEN اول وظیفه حفاظتی دارد و سپس نقش سیم نول را ایفا می کند که در این حالت به عنوان مثال در مورد یک بار مصرفی ، جهت اطمینان لازم است سیم PEN ابتدا به بدنه تجهیز متصل گردد و سپس توسط یک قطعه اتصال ورودی نول بار مذکور به بدنه آن متصل گردد.

در شکل زیر دو نوع اتصال صحیح و اشتباه ترمینال نول و ترمینال حفاظتی تجهیزات در سیستم TNCمشخص شده است. در حالت اشتباه ، هادی PEN ابتدا به ترمینال نول مصرف‌کننده وصل و از آنجا به ترمینال حفاظتی وصل‌شده و در صورت باز‌شدن ترمینال نول ، سیم PEN از بدنه تجهیز نیز قطع می‌گردد که صحیح نبوده و لازم است در هر شرایطی اتصال حفاظتی مصرف‌کننده متصل‌ باشد.

شبکه‌های با سیستم TNCS

اين نوع شبکه ها اصالتاً از نوع TNC می باشند و در برخی از بخش های تأسیسات الکتریکی ، هادی نول و هادی حفاظتی از هم جدا می‌گردند و به عنوان هادی‌های جداگانه نول و حفاظتی مورد استفاده قرار می‌گیرند (سیستم TNS)

سیستم TNCS در مرحله اول سیستم TNC بوده و در نقطه‌ای به بعد با جدا‌شدن هادی نول و هادی حفاظتی از یک دیگر به سیستم TNS تبدیل می‌گردند و پس از آن سیستم قابل تبدیل مجدد به سیستم TNC نخواهد بود.

در شبکه های TN جريان نشتی ، از طريق سيم PE يا PEN به منبع ولتاژ باز می گردد و ارتباط مستقيمی به الکترود زمين سيستم ندارد.

شبکه‌های با سیستم IT

در اين نوع شبکه ها نقطه صفر منبع ولتاژ به زمين متصل نبوده و يا از طريق يک امپدانس قابل‌توجه در حدود ۱۵۰۰ اهم یا بیشتر به زمين متصل می‌گردد. بدنه هادی تجهيزات به صورت جداگانه نیز به سيم زمين متصل می‌گردند.

در این نوع شبکه‌ها با اتصال زمین یک فاز به زمین ، جریانی جزئی از طریق خاصیت خازنی فاز‌های دیگر به زمین جاری می‌گردد و مقدار این جریان به مقدار ظرفیت خازنی بین هادی‌ها و زمین محدود می گردد که در حدود چند میلی‌آمپر می‌باشد و به همین علت ولتاژ تماس غیر مستقیم بدنه تجهیزات الکتریکی در این حالت اندک می‌باشد.

اصلی‌ترین علّت استفاده از چنین شبکه‌هایی این است که در صورت بروز خطای اتصال یک فاز به زمین ، سیستم بتواند به شکل موقت به کار خود ادامه دهد ولی به هر حال لازم و ضروری است چنین خطاهایی تشخیص داده شده و به موقع رفع گردند.

برای تشخیص اتصال زمین در چنین شبکه‌هایی لازم است از رله‌های نظارت بر عایق‌بندی (Insulation Monitoring) استفاده نمود که مقدار امپدانس هادی‌ها را به شکل پیوسته نسبت به زمین اندازه‌گیری می‌کند.