زمین‌کردن شبکه‌های فشارمتوسط (بخش اول – مبانی)

عدم اطلاع کارشناسان حفاظت ، تابلوسازی و تأسیسات الکتریکی از ، انواع سیستم‌های زمین‌کردن شبکه‌های فشارمتوسط ، یک ضعف بزرگ مهندسی و طراحی به شمار می‌رود چون بسیاری از بخش‌های پایه طراحی به این موضوع مرتبط بوده و بدون داشتن اطلاعات در این مورد ممکن است خطاهای قابل توجهی در طراحی تابلوهای برق و تأسیسات الکتریکی بوجود آید و باعث خسارات جبران‌ناپذیری گردد.

منظور از زمین‌کردن چیست؟

ارتباط منابع شبکه‌های فشارمتوسط با زمین ، نوع زمین‌کردن آنها را مشخص می‌کند و مشابه این مورد در شبکه‌های فشارضعیف نیز وجود دارد که در مورد شبکه‌های TN ، TT و IT در استاندارد ‌IEC-60364-4-41 تشریح شده است.

علاقه‌مندان به آشنایی با سیستم‌های زمین شبکه‌های فشارضعیف می‌توانند دو مقاله زیر را در همین سایت مطالعه نمایند:

زمین‌کردن شبکه‌های فشارضعیف (بخش اوّل مبانی زمین‌کردن)

زمین‌کردن شبکه‌های فشارضعیف (بخش دوّم – بررسی خطاهای زمین)

اتصال به زمین یا عدم اتصال نقطه صفر منابع به زمین در شبکه‌های فشارمتوسط شرایط مختلفی را ایجاد می‌کند

اولین موردی که با نوع زمین‌شدن نقطه صفر منابع در ارتباط است اتصال کوتاه فاز به زمین (Earth Fault) در شبکه و تأسیسات الکتریکی است با توجه به این مورد که اکثر خطاهای اتصال‌کوتاه بوجود‌آمده ، خطاهای اتصال‌کوتاه فاز به زمین می‌باشند که در مورد شبکه‌های مختلف از نظر اتصال نقطه صفر به زمین متفاوت می‌باشد.

زمین‌کردن نقطه صفر منبع به شکل مستقیم

مطابق شکل شماره ۲ ، در صورت زمین‌کردن مستقیم نقطه صفر منبع ، در صورت وقوع یک اتصال کوتاه فاز به زمین ، به دلیل حداقل امپدانس میسر جریان خطا  ،  حداکثر جریان خطای فاز به زمین جاری خواهد شد که این موضوع مشکلات زیادی ایجاد خواهد کرد که به آنها می‌پردازیم.

عواقب ناشی از عبور جریان‌ شدید خطای فاز به زمین در تأسیسات الکتریکی

۱- ایجاد خرابی‌هایی به علت ایجاد قوس الکتریکی در محل ایجاد خطا که در مورد ماشين های الکتریکی باعث ذوب شدگی هسته ماشین‌های الکتریکی و ایجاد خسارت های بسیار جدی خواهد شد.

۲- با توجه به این که تحمل بخش های شیلد کابلها که مربوط به اتصال زمین آنها می‌باشد محدود می‌باشد ، در صورت ایجاد خطاهای فاز به زمین و عبور جریانهای زیاد ، صدمه خواهند دید و لازم است سایز آن هادی ها به مقدار قابل توجهی افزایش پیدا نماید.

۳- عبور جریانهای زیاد خطای فاز به زمین باعث ایجاد القاء نویز ها و تداخلات ناخواسته در سیستم‌های مخابراتی و الکترونیکی حساس می‌گردد.

۴- عبور جریانهای زیاد خطا از سیستم زمین خود باعث بالا رفتن ولتاژ بخش‌های هادی تجهیزات الکتریکی که به زمین متصل شده‌اند می‌گردد که خطرات جانی برای اپراتورهایی که با تجهیزات مذکور در تماس هستند خواهد شد.

با توجه به موارد فوق ،‌ در شبکه‌های فشارمتوسط با استفاده از روش‌های مختلفی که عمدتاً در راستای بالا‌بردن مقاومت حلقه خطا می‌باشد ، جریان خطای فاز به زمین را محدود‌ می‌کنند که عدم زمین‌کردن نقطه صفر منابع در نهایت حداقل جریان خطا را به همراه خواهد داشت.

شبکه‌های زمین نشده

با عدم اتصال نقطه صفر منابع به زمین ، شبکه‌ها زمین‌نشده نامیده می‌شوند و اتفاقی که می‌افتد این است که در صورت وقوع یک اتصال فاز به زمین در این شبکه‌ها ، به دلیل عدم اتصال نقطه صفر منبع به زمین انتظار می‌رود که جریان خطایی عبور نکند که این باعث می‌گردد که مشکلات شبکه‌های زمین‌شده به شکل مستقیم مانند جریان های خطای فاز به زمین شدید ، وجود نداشته باشد. در شکل شماره ۳ دو نمونه از شبکه‌های زمین نشده ، مشخص‌شده است که در حالت اول منبع دارای اتصال ستاره‌ بوده ولی به زمین متصل نمی‌باشد و در حالت دوم اتصال منبع مثلث می باشد که بدیهی است که به دلیل عدم وجود نقطه صفر به زمین متصل نمی‌باشند.

توانایی ادامه عملکرد سیستم‌های زمین نشده حتی پس از وقوع خطای فاز به زمین

با عدم اتصال نقطه صفر منابع به زمین ، علاوه بر حل مشکلات اتصال زمین مستقیم نقطه صفر به زمین مانند جریان‌های خطای فاز به زمین شدید ، امتیاز دیگری نیز ایجاد می‌گردد که در صورت ایجاد یک اتصال فاز به زمین در یکی از فازها ،‌ به دلیل جاری‌نشدن جریان خطای فاز به زمین ، می‌توان بدون قطعی ، سیستم را همچنان فعال نگاه داشت تا از قطع شدن شبکه و از دست رفتن ناگهانی فرایند‌های تولید جلوگیری گردد.

در این نوع شبکه‌ها هیچ گونه ارتباطی بین نقطه صفر منابع ولتاژ مانند ترانسفورمرهای ولتاژ و زمین وجود ندارد و عملاً مقادیر امپدانس‌های خازنی بین فازها به خصوص هنگام استفاده از کابلها و یا جریان نشتی برخی از تجهیزات الکتریکی مانند برقگیرها به زمین ، ارتباط بین این گونه شبکه‌ها را با زمین ایجاد می‌کنند که در شکل شماره ۳ این مسیر‌ها مشخص شده‌اند.
مشکل بر هم خوردن تعادل ولتاژها در شبکه‌های زمین‌نشده :
به علت عدم اتصال نقطه صفر در چنین شبکه‌هایی به زمین ، به اصطلاح نقشه صفر منبع شناور بوده و احتمال به هم خوردن تعادل ولتاژ فاز ها وجود دارد. به عنوان مثال هنگام اتصال یکی از فازها به زمین

در صورتی که نقطه صفر منابع ولتاژ به زمین متصل نگردد ، در صورت بروز یک اتصال فاز به زمین ، به دلیل اتصال یکی از فازها (مثلاً فاز L1) به زمین مطابق شکل شماره ۴ ، نقطه صفر منبع که به زمین متصل نیست (N) جابجا شده و ولتاژهای فازهای دیگر تا مقدار ۳√ برابر مقدار قبلی افزایش پیدا می‌کنند و این افزایش ولتاژ ،‌عایق‌بندی تأسیسات الکتریکی و تابلوهای برق را به خطر می‌اندازد و برای مقابله با چنین خطری لازم است مقدار عایق‌بندی تأسیسات الکتریکی و تابلوهای برق را افزایش داد که البته این کار مستلزم اضافه هزینه‌های قابل توجهی است

در شبکه‌های زمین‌نشده علیرغم حسن قابلیت ادامه عملکرد کار سیستم حتی پس از وقوع یک خطای فاز به زمین ، مشکل اضافه ولتاژ‌های تحمیل‌شده به سیستم بسیار جدی بوده و لازم است برای آن چاره‌ای اندیشیده گردد.

یکی از علت‌های زمین‌کردن سیستم‌های 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 ولتاژ‌های بوجود آمده در فازها می‌توان جلوگیری کرد (به شکل سمبولیک شماره ۵ توجه نمایید که زمین‌کردن نقطه صفر منبع ولتاژ به میخ‌کردن نقطه صفر و اتصال آن به زمین تشبیه شده است).

در شکل شماره ۶ به صورت ساده مزایا و معایب سیستم‌های زمین‌شده و زمین‌نشده با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

پس مشاهده می‌گردد که هریک از روش‌های اتصال مستقیم یا عدم اتتصال نقطه صفر منابع ولتاژ به زمین ، دارای مزایا و معایبی هستند که در عمل روش‌های مختلفی که بین این دو روش هستند معرفی می‌شوند مانند روش‌های اتصال زمین با مقاومت‌های اهمی ، اتصال زمین با راکتانس و …. که هر کدام بسته به شرایط مختلفی انتخاب می‌گردند و دارای مزایا و معایبی هستند

در بخش دوم این مقاله به بررسی هر یک از روش‌های زمین‌کردن شبکه‌های فشارمتوسط خواهیم پرداخت .

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