زمین‌کردن شبکه‌های فشارضعیف (بخش دوّم – بررسی خطاهای زمین)

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.

با توجه به این موضوع که بسیاری از مواردی نظیر انتخاب تجهیزات حفاظتی ، سطح مقطع هادی‌ها در تابلو‌های برق به زمین‌کردن سیستم مرتبط می‌باشد ، لازم است کارشناس طراحی تابلو به مبانی زمین‌کردن در شبکه‌های فشار‌ضعیف مسلط باشد و این مقاله نیز به همین دلیل تهیه‌شده است.

در بخش دوّم این مقاله به ارتباط سیستم زمین تأسیسات فشارضعیف با طراحی تابلوهای برق و انتخاب تجهیزات مربوط به آن خواهیم پرداخت و پیشنهاد می‌گردد که بخش اول این مقاله را تحت عنوان مبانی زمین‌کردن شبکه‌های فشارضعیف را مطالعه نمایید

بررسی وقوع خطاهای فاز به زمین در تأسیسات الکتریکی

خطاهای فاز به زمین به معنی اتصال بین یک فاز و زمین می باشد که با مقاومت بالا ممکن است انجام گردد و یا با مقاومت پایین که طبیعتاً عبور جریان بالایی را به همراه خواهد داشت.

اثرات مربوط به اتصال فاز به زمین در تأسیسات الکتریکی رابطه مستقیمی با نوع زمین‌شدن سیستم دارد چون مقدار جریان خطا‌ به مقاومت مسیر عبور جریان خطا بستگی داشته که آن هم تابع نوع زمین‌کردن تأسیسات الکتریکی می باشد که به تشریح هر یک از آنها پرداختیم.

خطاهای فاز به زمین در تأسیسات الکتریکی از این نظر هم حائز اهمیت می باشند که عمدتاً بسیاری از آتش سوزی ها و یا برق گرفتگی ها در تأسیسات الکتریکی مختلف از این نوع خطا‌ها ناشی می‌گردد که این موضوع باعث شده درجه اهمیت این مسأله بسیار بالا رود.

یکی دیگر از مواردی که در تأسیسات الکتریکی فشار ضعیف ، اهمیت خطاهای فاز به زمین را چند برابر می‌کند ، خطراتی است که اتصال کوتاه فاز به زمین در داخل موتورهای فشار ضعیف باعث عبور جریانهای با حد بالایی می کند که این جریان باعث ذوب شدن هسته موتور و صدمه دیدن شدید آن می گردد و لازم است با دقت مورد بررسی قرار گیرد.

در عمل با استفاده از رله ها و تجهیزات حفاظتی مناسب می توان مقدار جریان اتصال فاز به زمین را به مقدار مشخصی محدود نمود و همچنین خطرات برق گرفتگی ناشی از این گونه خطا ها را محدود نمود که به آن خواهیم پرداخت

تماس غیر مستقیم  اشخاص

منظور از تماس غیر مستقیم ، تماس اشخاص با بدنه تجهیزات الکتریکی می باشد که در حالت عادی بی برق و جدا از بخش های برقدار می‌باشد و به علت خطاها و نقص های عایق‌بندی برقدار شده‌اند. در این نوع خطاها ، به علت برقدار شدن بدنه تجهیزات الکتریکی ، نوع زمین کردن تأسیسات الکتریکی بسیار حائز اهمیت می باشد که به آنها می پردازیم.

تأثير عبور جريان بروی بدن انسان

خطراتی که برای پرسنل در اثر تماس با بخش های زنده تأسيسات الکتريکی بوجود می آيد در اثر عبور جريان الکتريکی از بدن بوجود آمده که بسته به مقدار جريان‌ عبوری ، تأثيرات مختلفی را بروی بدن انسان می‌گذارد و بشرح زير می باشد :

گرفتگی عضلات

استاندارد IEC-60479-1 تحت عنوان تأثيرات جريان الکتريکی بروی بدن انسان ، يک راهنما در خصوص تأثير عبور جريان بروی بدن انسان می باشد که جهت در نظر گرفتن نکات ايمنی بکار می رود. اين استاندارد يک دياگرام جريان – زمان را معرفی می‌کند که در آن تأثيرات عبور جريان الکتريکی از بدن انسان (فرکانس های 15 الی 100 هرتز) مشخص شده‌است.

در اين دياگرام چهار ناحيه مشخص شده است که در هر يک از آنها تأثيرات مختلف عبور جريان از بدن متفاوت می باشد. در شکل زیر اين دياگرام مشخص شده است

 همانطوری که گفته شد ، در هر يک از ناحيه های يک الی چهار ، تأثيرات عبور جريان الکتريکی بروی بدن انسان متفاوت می باشد که در جدول ۱ اين تأثيرات تشريح شده اند:

استاندارد IEC-60479-1 همچنين جداول مشابهی را برای تأثيرات عبور جريان الکتريکی مستقيم ارائه نموده است.

منحنی های مشخص شده در دياگرام فوق در عمل نمی‌تواند به سادگی در خصوص حداکثر جريان خطرناک عبوری از بدن انسان بکار رود و با توجه به امپدانس بدن انسان و همچنين با استفاده از قانون اهم ، می توان يک منحنی برای مشخص شدن ولتاژ مجاز تماس برای بدن انسان تعريف نمود.

امپدانس بدن انسان با عبور جريان الکتريکی از بدن تغيير می کند و استاندارد IEC-60479-1در اين خصوص ، مقادير متنوعی از امپدانس عبوری از بدن انسان را بر اساس ولتاژ تماس و همچنين جريان عبوری از بدن انسان ارائه می دهد.

همانطوری که اشاره کرديم ، می توان يک منحنی ايمنی که ولتاژ تماس و زمان تحمل بدن انسان را مشخص می کند را در اختيار داشت که در شکل زیر اين منحنی را مشاهده می کنيد :

ولتاژ تماس مشخص شده در دياگرام فوق ، ولتاژی می‌باشد که بين نقطه برق‌دار که بر اثر عواملی مانند نقص عايق بندی بوجود آمده است و همچنين نقطه دارای پتانسيل صفر میباشد. با بررسی اين دياگرام مشخص‌ است که حداقل ولتاژ تماس در منحنی 50 ولت می باشد و همچنين زمان در اين نقطه که زمان تحمل بدن در اين ولتاژ می باشد ، پنج ثانيه می باشد و اين نتيجه گرفته می گردد که تجهيزات حفاظت در مقابل جريان نشتی لازم است به ازاء ولتاژ 50 ولت ، در کمتر از پنج ثانيه مدار را قطع نمايند. در حقيقت قطع مدارات در اثر تماس با بخشهای برقدار لازم است به شکل کامل تابع اين منحنی باشد.

نکته مهم اين است که منحنی مذکور ، در شرايط عادی تماس بدن با هادی برقدار می باشد ولی در شرايط خاص تماس ممکن است مقاومت بدن بيشتر تنزل پيدا کند و ولتاژ قابل تحمل برای بدن انسان به مقداری در حدود 25 ولت تنزل پيدا نمايد.

در عمل تشخيص مقدار ولتاژ تماس ساده نمی باشد زيرا اين مسأله تابع وضعيت و پيکره بندی شبکه برق می باشد. بنابر اين در اين راستا يک سری روشهای تجربی وجود دارند که از طريق آنها می توان زمان قطع تجهيزات حفاظتی در مقابل جريان نشتی را نه بر اساس ولتاژ تماس بلکه بر اساس ولتاژ نامی شبکه های TN و همچنين ولتاژ تماسی که در شبکه های TT ظاهر می گردد تعيين نمود.

سیستم‌هایTT  

شکل زیر يک شبکه TT را نمايش می دهد که در آن بدنه تجهيزات و همچنين نقطه صفر منبع ولتاژ به شکل جداگانه زمين شده اند و تجهيز الکتريکی توسط يک کليد خودکار حفاظت می گردد. همانطوری که در شکل ملاحظه می کنيد ، يک اتصال بين يکی از فازها و بدنه تجهيز که زمين شده است بوجود آمده است که مسير جريان عبوری خطا نيز مشخص شده است

همانطوری که مشخص است ، مسیر جریان خطا که با خط ضخیم قرمز رنگ مشخص می باشد ، به مقاومت های مسیر شامل مقاومت سیم‌ها و همچنین مقاومت الکترودهای زمین محدود می‌باشد.

سیستم‌های TN

شکل زیر یک شبکه با سیستم زمین TNS را نشان می دهد و یک خطای بین فاز و بدنه بوجود آمده است و بدیهی است که مسیر جریان خطا در این سیستم از طریق هادی حفاظتی   PEبسته می‌گردد ودر چنین شبکه‌ای بدیهی است که مقدار مقاومتهای الکترودهای زمین در مقدار جریان خطا نقشی ندارند و مقدار جریان خطا تنها به مقاومت های مسیر و سیمها محدود می‌گردد.

شکل زیر نیز یک شبکه با سیستم زمین TNC را نشان می‌دهد و  همانطوری که قبلاً اشاره گردید در این نوع شبکه ها هادی حفاظتی و هادی نول مشترک بوده و PEN نامیده می گردند و نیز مطابق شکل مشاهده است که از کلید خودکار با پل روی مسیر نول استفاده نشده است چون هادی مشترک PEN در این سیستم هرگز نباید قطع گردد.

در شکل مشخص است که یک خطای بین فاز و بدنه بوجود آمده و بدیهی است که مسیر جریان خطا در این سیستم از طریق هادی مشترک حفاظتی-نول  و یا PEN بسته می گردد و در چنین شبکه‌ای نیز مقاومتهای الکترودهای زمین در مقدار جریان خطا نقشی نداشته و مقدار جریان خطا تنها به مقاومت های مسیر و سیمها محدود می‌گردد.

در اين گونه شبکه ها جهت حفاظت در مقابل جريان نشتی از رله های نشتی جريان استفاده نمی‌گردد چون این نوع تجهیزات بر اساس مقایسه جریان رفت و برگشت به بار عمل می کنند و با توجه به مشترک بودن هادی حفاظتی و نول در صورت بروز يک نشتی بين يکی از سيمهای فاز و بدنه تجهيزات ، به علت مشترک بودن سيم نول وسيم حفاظتی ، مطابق شکل جریان خطا از سیم PEN باز می گردد و واضح است که مجموع جريانهای رفت و برگشت باز هم صفر بوده و در چنین شرایطی تجهيزات حفاظتی در مقابل جريان زياد مانند کليدهای خودکار لازم است عمل نمايند.

سیستم‌های IT

شکل زیر یک شبکه با سیستم زمین IT  را نشان می دهد و همانطوری که در شکل مشاهده می کنید ، یک خطای بین فاز و بدنه بوجود آمده است و در این نوع شبکه‌ها به علت عدم اتصال نقطه صفر منابع ولتاژ مانند ترانسفورمر ولتاژ به زمین ، مسیر جریان خطا با توجه به وجود خاصیت خازنی بین خطوط و زمین ، مسیر جریان خطا از طریق خاصیت خازنی مذکور فاز های سالم شبکه بسته می گردد  و بدیهی است که مقدار جریان خطا در این حالت به مقدار خاصیت خازنی فازهای شبکه با زمین بستگی دارد که مقدار خاصیت خازنی شبکه نیز به طول شبکه و نوع آنها (کابل یا خط‌ هوایی) مرتبط می‌باشد.

همانطوری که اشاره شد، در صورت وقوع یک اتصال زمین در این نوع شبکه‌ها ، به علت محدودبودن مقدار جریان نشتی ، سیستم می‌تواند به شکل موقتی به کار خود ادامه دهد و در این حالت مقدار ولتاژ تماس غیر مستقیم خطرناک نمی‌باشد که به این خطا ، اولین خطا (First Fault) می‌گویند ولی در حالی که هنوز خطای اول ، تشخیص داده نشده و رفع نشده است در صورت وقوع خطای دیگری بین فازهای دیگر و زمین ، باعث می گردد که جریان خطا از بدنه تجهیزات عبور کرده و ولتاژ تماس خطرناکی را در بدنه تجهیزات بوجود آورد و باعث ایجاد خطرات جدی در تماس افراد با بدنه تجهیزات مذکور خواهد شد به این نوع خطا اتصال زمین دوبل در شبکه‌های IT می‌گویند.

در این صورت بسته به این که بدنه تجهیزات الکتریکی که در مورد آنها اتصال زمین دوبل بوجود آمده است به همدیگر توسط هادی حفاظتی متصل باشند ، یا به صورت جداگانه به سیستم زمین متصل باشند ، میزان جریان خطا و در نتیجه ولتاژ تماس بدنه تجهیزات مذکور متفاوت می باشند.

در جدول زیر به شکل خلاصه انواع سیستم‌های زمین با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

استاندارد IEC-60364 مشخص‌نموده که لازم است خطاهای اتصال فاز به بدنه تجهیزات توسط تجهیزات حفاظتی تابلودر زمان مجاز تشخیص داده شده وقطع گردد تا ولتاژ تماس از ۵۰ ولت تجاوز ننماید.

این مقاله برای استفاده افراد علاقه‌مند به تابلوهای برق و فراگیری فنون مربوط به آن تهیه شده است و متعلق به سایت طراحی کاربردی تابلوهای برق بوده و استفاده از آنها در سایت‌های دیگر مجاز نمی‌باشد