تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - كلیات و اصول زمین­ كردن و حفاظت صاعقه

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

كلیات و اصول زمین­كردن

مقدمه

   بحث زمین­كردن[1] سیستم­های الكتریكی، از جمله مباحث مهم و قدیمی محسوب می­شود. در این نوشتار، می­خواهیم نیاز به طراحی صحیح زمین مناسب در دو سمت تولید و مصرف را بیان كنیم. بعلاوه، روش­های مختلف زمین­كردن سمت تولید،‌ به همراه مزایا و معایب هر كدام از این روش­ها ارائه شده است.

   همچنین تاثیر رعد و برق بر روی سیستم­های الكتریكی مورد بررسی قرار می­گیرد. روش­های مختلف حفاظت در مقابل این پدیده طبیعی بیان شده است.

   همانگونه كه اشاره خواهد شد، از جمله مهم­ترین قسمت­های زمین­كردن، ‌طراحی زیرسیستم زمین و محاسبات مربوط به مقاومت زمین و روش­های كاهش آن می­باشد. در این تحقیق، روش­های مختلف انجام این كار اشاره خواهد شد.

   همبندكردن[2] یكی از اقداماتی است كه جایگاه ویژه­ای در مبحث زمین­كردن دارا می­باشد. برای انجام درست و موثر این عمل، رعایت برخی از اقدامات، لازم و ضروری است كه توضیحات مربوط به آن نیز در ادامه بیان خواهد شد.

 

1-1- اصول زمین­كردن

   زمین­كردن، اهداف اصلی زیر را در پی دارد :

1.      باعث ایجاد یك مرجع الكتریكی در سیستم تامین قدرت می­شود. با اتصال یك نقطه مشخص از منبع تغذیه به زمین – برای مثال، نقطه خنثی یك منبع سه­فاز- این اطمینان حاصل می­شود كه تمام نقاط سیستم در یك پتانسیل مشخص نسبت به زمین عمل می­كنند.

2.      سطوح فلزی چارچوب سیستم­های الكتریكی به زمین متصل می­شوند تا این اطمینان حاصل شود كه این قسمت­ها همواره در پتانسیل زمین باقی خواهند ماند و در نتیجه، هیچ تهدیدی برای پرسنل – كه ممكن است با این سطوح برخورد كنند – وجود نخواهد داشت.

3.      انجام درست زمین­كردن، باعث ایجاد یك مسیر كم امپدانس برای بارهای استاتیك جمع­شده و شوك­های بوجود آمده توسط پدیده­های جوی و الكتریكی و خطاها بسمت زمین می­شود. در نتیجه این اطمینان حاصل می­شود كه هیچ صدمه و آسیبی به تجهیزات حساس و نیز پرسنل، وارد نخواهد شد.

   سیستم زمین تجهیزات،‌ شامل چهار زیرسیستم می­باشد كه در زیر توضیح داده شده است :

1.      زیرسیستم الكترود زمین[3] : این زیرسیستم شامل شبكه­ای از میله­های الكترود زمین، ‌صفحه­ها و هادی­های اتصال­دهنده آن­ها به یكدیگر است. مرجع زمین توسط الكترودهای مدفون در زمین- در محل سایت یا تاسیسات موردنظر- بدست می­آید. زیرسیستم الكترود زمین، می­تواند شامل قسمت­های زیر باشد : الف) یك سیستم شامل میله­های دفن­شده كه از داخل توسط سیم­های بدون عایق به هم متصل شده­اند. ب) سیستم­های لوله­كشی فلزی مانند آب، گاز،‌ سوخت و ... كه فاقد هركونه عایق­كاری در اتصالات مختلف آن می­باشد. ج) صفحه زمین متشكل از سیم­های افقی مدفون. 

2.      زیرسیستم حفاظت رعد و برق[4] : این زیرسیستم برای تخلیه انرژی رعد و برق، یك مسیر با امپدانس پایین تا زمین تولید می­كند. برای محافظت مناسب از یك ساختمان، برج و دكل در مقابل ضربات رعد و برق، از برق­گیرهایی باید استفاده كرد كه از هدایت الكتریكی كافی و قدرت مكانیكی مناسب جهت ایستادگی در مقابل ضربات وارد، برخوردار باشند. بین برق­گیرها و زمین، باید یك مسیر با امپدانس پایین ایجاد شود.

3.      زیرسیستم حفاظت خطا[5] : این زیرسیستم شامل هادی­های زمین (معمولا سیم­های به رنگ سبز) می­باشد كه در سراسر سیستم توزیق توان قرار داده می­شوند تا مسیرهای الكتریكی با ظرفیت كافی را به گونه­ای ایجاد كنند كه دستگاه­های حفاظتی مانند فیوزها و مدارشكن­های نصب­شده، بطور سریع عمل كنند. زیر سیستم مربوطه، این اطمینان را بوجود می­آورد كه پرسنل از خطر شوك، مصون خواهند ماند. بعلاوه، تجهیزات نیز در مقابل صدمه و آسیب­های احتمالی، محافظت خواهند شد.

4.      زیرسیستم مرجع سیگنال[6] : این زیرسیستم، یك مرجع مناسب را برای تجهیزات الكترویكی و مخابراتی تامین می­كند و بدین وسیله، اختلاف ولتاژ بین تجهیزات را حداقل می­كند. این امر باعث كاهش شارش جریان بین تجهیزات و همچنین، ‌كاهش و یا از بین رفتن ولتاژهای نویز در مسیرها و مدارهای سیگنال سیگنال می­شود.   

   هنگامی كه خطایی در عایق هادی بكار برده شده در سیستم­های الكتریكی اتفاق افتد –  این خطا می­تواند بر اثر كهنگی، عوامل خارجی و یا فشارهای الكتریكی و یا حرارتی بوجود آید – تعیین نقطه خطا و رفع آن امری واجب است. در سیستم­هایی كه فاقد مرجع زمین هستند، تعیین محل خطا امری مشكل است. شكل 1-1-a، این سیستم را نشان می­دهد. ملاحظه می­شود كه بدلیل نبود حلقه هدایت زمین، نقطه خطا همچنان پنهان باقی می­ماند و محل آن تعیین نمی­شود. حال اگر در این حالت، خطای دومی در همان خط و در محل دیگری از سیستم رخ دهد،‌ این امر باعث بروز اتصال كوتاه و شارش مقدار زیادی جریان خطا خواهد شد كه توسط دستگاه­های حفاظتی قابل تشخیص خواهد بود.

   برای تشخیص هر چه سریع­تر اولین نقطه خطا – بدون اینكه منتظر بروز خطای دوم باشیم – یكی از قطب­های منبع را به زمین متصل می­كنند . شكل 1-1-b، این موضوع را نشان می­دهد. قطبی از منبع كه به زمین متصل است، خنثی[7] و قطب دیگر، خط[8] نامیده می­شود.

   باید توجه داشت كه اتصال بین نقط خنثی و زمین، ‌تنها در محل منیع انجام می­گیرد و جریان بازگشتی از سوی بار به سمت منبع، تنها از طریق سیم خنثی انجام می­گیرد. هنگامی كه خطایی رخ می­دهد، جریان بسیار زیادی از طریق مدارهای الكتریكی و مسیر زمین، به سمت منبع باز می­گردد و بسته به مقاومت زمین، میزان شارش جریان در این مسیر توسط دستگاه­های حفاظتی قابل تشخیص است.

 

شكل 1-1 : a-خطا در سیستم زمین نشده، b-تاثیر زمین­كردن نقطه خنثی.

   لذا یكی از مهم­ترین اهداف زمین­كردن، فراهم نمودن امكان تشخیص خطا است. این امر از طریق ایجاد یك مسیر جهت شارش جریان خطا از محل بروز خطا و از طریق زمین به نقطه خنثی تولید صورت می­گیرد.

   همانگونه كه در شكل 1-1-b نشان داده شده است تنها منبع به زمین متصل شده و نقطه دیگری از سیستم به زمین متصل نشده است. باید توجه داشت كه در سیستم­های عملی، بروز یك خطای عایق­بندی،‌ به این معنا نیست كه بصورت اتوماتیك یك اتصال زمین بوقوع بپیوندد. این امر زمانی می­تواند بوجود آید كه نقطه خراب شده و آسیب دیده، از طریق یك مسیر كم امپدانس به زمین متصل شود. این مسیر با استفاده از یك باس مرجع زمین در سمت مصرف­كننده و اتصال كلیه چارچوب­های فلزی تمام تجهیزات الكتریكی به آن انجام می­گیرد. روش كار، در شكل 1-2 نشان داده است. 

شكل1- 2 شارش جریان خطا در یك سیستم زمین شده

 

   در واقع بسیار مطلوب است كه در یك تاسیسات ولتاژ پایین در سمت مصرف­كننده، یك ترمینال زمین وجود داشته باشد كه بصورت مستقیم به نقطه خنثی منبع متصل شده باشد. به این ترتیب این اطمینان حاصل می­شود كه یك مسیر كم­امپدانس – كه جرم زمین در آن وارد نمی­شود – بوجود خواهد آمد. پیش­بینی دقیق مقاومت جرم زمین، كار بسیار مشكلی است. در نتیجه بجز در سیستم­های ولتاژ بالا، تاكید بر آن است كه یك اتصال مستقیم فلزی بین این دو نقطه ایجاد شود. باید توجه داشت كه در سمت بار، بایستی نقاط خنثی و زمین از هم جدا باشند. یعنی همانطور كه قبلا نیز اشاره شد، اتصال بین نقطه خنثی و زمین تنها در سمت منبع برقرار می­باشد.

1-2- زمین­كردن نقطه خنثی سمت منبع در یك سیستم قدرت

1-2-1- مقدمه

   زمین كردن نقطه خنثی سیستم تغذیه، دو عملكرد مهم انجام می­دهد :

1-  بوجود آوردن نقطه مرجع برای كل سیستم و ایجاد یك مسیر برای شارش جریان­های ناشی از خطا به سمت زمین و در نتیجه شناسایی محل وقوع خطا.

2-  این عمل باعث می­شود كه هنگام اتصال بدنه فلزی با قسمت­های برق­دار، هیچ حادثه ناگواری، پرسنل را تهدید نمی­كند. برای انجام این كار، بدنه تمام تجهیزات را به هم اتصال[9] می­دهند و همگی را زمین می­كنند تا پتانسیل بدنه تمام تجهیزات تقریبا با هم یكسان شود. (اختلاف موجود، ناشی از مقاومت زمین موجود بین اتصالات است).

   برای زمین­كردن نقطه خنثی منبع، از روش­های مختلفی استفاده می­شود كه در شكل 1-3 نشان داده شده است.

شكل1- 3 تقسیم بندی روشهای زمین كردن

 دیاگرام مربوط به هر كدام از این روش­ها در شكل 1-4 نشان داده شده است. در این بخش، به بررسی روش­های گوناگون بیان شده می­پردازیم.

شكل1- 4 تكنیك های زمین كردن و مدار معادل هر كدام

 

 

1-2-2- انواع روش­های زمین­كردن

1-2-2-1- سیستم­های زمین­نشده

   ایجاد زمین مرجع در یك سیستم الكتریكی برای عملكرد ایمن سیستم،‌ امری ضروری است. اما حالت­هایی موجود هستند كه در آن­ها سیستم می­تواند بدون مرجع عمل كند.

   با توجه به تعریف، هر سیستم الكتریكی كه به صورت خارجی به زمین متصل نشده باشد، سیستم زمین­نشده نامیده می­شود. باید توجه داشت كه به علت وجود كاپاسیتانس بین هادی­های حامل جریان و زمین، اتصال با زمین همواره وجود خواهد داشت، اما بعلت بالا بودن راكتانس خازنی، زمین موجود، مرجع مناسب و انعطاف­پذیری نمی­تواند باشد.

   مهم­ترین مزیت سیستم­های زمین­نشده این است كه هنگام بروز خطای اتصال به زمین، جریان­های حاصل­شده ضعیف هستند و نمی­توانند باعث بروز مسائل جدی برای سیستم شوند. در نتیجه سیستم می­تواند بدون وقفه به كار خود ادامه دهد. این حالت در شرایطی كه خروج اضطراری بسیار گران تمام شود، اهمیت خود را نشان می­دهد. مزیت دیگر آن، این است كه برای این سیستم­ها نیاز به سرمایه­گذاری جهت تجهیزات حفاظتی دقیق وجود ندارد. در نتیجه، هزینه كلی سیستم كاهش خواهد یافت.

   معایب اینگونه سیستم­ها عبارتند از :

·   در تمام سیستم­های الكتریكی كوچك، كاپاسیتانس موجود بین هادی­های سیستم و زمین بهنگام بروز خطا، باعث ایجاد جریان­های خازنی در نقطه خطا می­شود و این امر، موجب جرقه زدن­های متوالی و تولید ولتاژهای بزرگ نسبت به مرجع زمین می­شود. این شرایط بسیار مخرب بوده و ایزولاسیون موجود در ناحیه خطا را از بین می­برد.

·        در اینگونه سیستم­ها، تعیین محل دقیق خطا، بسیار زمان­برتر و مشكل­تر از سیستم­های زمین­شده می­باشد.

·   از آنجا كه تعیین محل خطا در این سیستم­ها مشكل است، همواره این احتمال وجود دارد كه بعد از بروز خطایی در سیستم و قبل از رفع شدن آن، در یك نقطه دیگری از سیستم و در یك فاز دیگر، خطای بعدی بوجود آید. این امر باعث ایجاد اتصال كوتاه در سیستم خواهد شد.

                                      

1-2-2-2- سیستم­های زمین­شده بصورت مستقیم

   همانطور كه از نام اینگونه سیستم­ها برمی­آید، در این سیستم­ها نقطه خنثی منبع بطور مستقیم و بدون استفاده از مقاومت و یا راكتانس به زمین متصل می­شود. در اینگونه سیستم­ها، در صورت انتخاب مناسب نوع و تعداد الكترودها در زیرسیستم زمین – جزئیات مربوط به زیرسیستم الكترود زمین در فصل دوم بیان خواهد شد – امكان دستیابی به یك اتصال زمین با امپدانس بسیار كم، حتی كم­تر از 1 اهم، وجود دارد.

   در این سیستم، نقطه خنثی مستقیما زمین شده و بهنگام بروز خطا در یك فاز، این اطمینان وجود دارد كه ولتاژهای فازهای سالم نسبت به زمین در شرایط خطا، نسبت به شرایط نرمال، افزایش زیادی پیدا نخواهند كرد.

   مزایای این سیستم عبارتند از :

1.      تشخیص سریع محل خطا و در نتیجه، ایزوله نمودن آن توسط دستگاه­های حفاظتی.

2.   تشخیص محل خطا، ‌آسان خواهد بود. در نتیجه می­توان مدار مربوطه را خارج كرد و با این كار، انتقال توان به مصرف­كنندگان دیگر بدون هیچ گونه تاثیر سوئی ادامه خواهد داشت. در حالیكه جهت تشخیص خطا در سیستم­های زمین­نشده، ممكن است كه تمام سیستم دچار اختلال شود. 

3.      احتمال بروز اضافه ولتاژهای حالت گذرا در این سیستم­ها وجود ندارد.

مهم­ترین عیب این روش، ‌آن است كه هنگام استفاده از این سیستم­ها در ولتاژهای بالا (5kV و بالاتر)،‌ بعلت وجود امپدانس زمین بسیار كوچك، جریان­های خطای بسیار بزرگی ایجاد می­شود. این جریان­ها باعث افزایش میزان تخریب تجهیزات مورداستفاده می­شود. به همین دلیل استفاده از این نوع سیستم­ها، به كاربردهای با ولتاژ پایین (380V/480V) محدود شده است. در دیگر حالات برای كاهش خرابی­های تجهیرات مهم، از یكی از روش­های زمین كردن با امپدانس استفاده می­شود.

 

1-2-2-3- زمین­كردن با استفاده از نصب راكتور در نقطه خنثی

در این روش،‌ نقطه خنثی ژنراتور با استفاده از یك القاگر به زمین متصل می­شود. با این كار، جریان خطا محدود می­شود زیرا جریان خطا تابعی از ولتاژ فاز به زمین و اندازه راكتور نصب شده است. معمولا اندازه راكتور مربوطه به نحوی انجام می­گیرد كه جریان خطای زمین، به مقدار 25% تا 60% جریان خطای سه فاز محدود شود. به این ترتیب، احتمال بروز اضافه ولتاژهای گذرا بسیار ضعیف خواهد شد.

 

1-2-2-4- زمین ­كردن رزونانسی[10] با استفاده از نصب راكتور در نقطه خنثی

   برای اجتناب از ایجاد جریان­های خطای بزرگ، می­توان از روش زمین­كردن رزونانسی استفاده كرد. این روش،‌ در واقع یك متد زمین­كردن متغیر محسوب می­شود كه با انتخاب مقادیر مختلف برای راكتور موجود در نقطه خنثی انجام می­گیرد. مقادیر راكتور به نحوی انتخاب می­شود كه جریان خطای عبوركننده از راكتور،‌ با جریان عبوركننده از كاپاسیتانس موجود در سیستم برابر باشد. این امر بطور تقریبی باعث می­شود كه جریان خطا از بین برود و در نتیجه دامنه جریان بسیار كوچك خواهد شد. چگونگی این روش در شكل 1-5 نشان داده شده است.

   این نوع زمین­كردن، معمولا در سیستم­های 15kV با خطوط هوایی اصلی (پست­های توزیع اولیه) بكار برده می­شود. اما از این روش نمی­توان در سیستم­های صنعتی استفاده كرد. علت آن است كه در این سیستم­ها، با توجه به تغییرات ساختار سیستم ناشی از سویچینگ متناوب فیدرهای كابل، امكان بوجود آمدن اختلال در تیونینگ راكتور وجود دارد.   

 

شكل1- 5 زمین كردن رزونانسی.

 

 

1-2-2-5- زمین­كردن امپدانسی توسط نصب مقاومت در نقطه خنثی

   این روش، متداول­ترین روش زمین­كردن در مدارات ولتاژ متوسط محسوب می­شود. همانگونه كه از نام این روش برمی­آید، اتصال به زمین از طریق نصب یك مقاومت در نقطه خنثی ژنراتور انجام می­گیرد. مزایای این نوع زمین­كردن عبارتند از :

·        كاهش میزان خرابی وارد شده به اجزای مغناطیسی از طریق كاهش جریان خطا.

·   حداقل شدن انرژی خطا، بگونه­ای كه تاثیرات ناگهانی جرقه حاصل می­شود و در نتیجه می­توان مطمئن شد كه افراد نزدیك به نقطه خطا از ایمنی كافی برخوردارند.

·        اجتناب از اضافه ولتاژهای گذرا و بروز خطاهای دوباره. 

·   جلوگیری از افت ولتاژ ناگهانی. این پدیده زمانی بوقوع می­پیوندد كه جریان­های خطا، مانند سیستم­هایی كه اتصال در آن­ها بصورت مستقیم انجام گرفته است، بسیار زیاد باشد.

·        تامین جریان خطای كافی جهت مكان­یابی و ایزولاسیون مدارات آسیب­دیده.     

   زمین­كردن مقاومتی را می­توان به دو دسته تقسیم­بندی نمود : زمین­كردن مقاومت-بالا[11] و زمین­كردن مقاومت-پایین[12]. زمین­كردن مقاومت-بالا، دامنه جریان خطا را به مقدار 10A محدود می­كند. اما جهت مطمئن شدن از عدم وقوع اضافه ولتاژهای گذرا در این روش، مقدار این جریان می­بایست از مقدار جریان عبوری از خازن­های موجود بین سیستم و زمین بیشتر باشد. به همین دلیل، كاربرد اینگونه زمین­كردن به حالت­هایی محدود می­شود كه در آن­ها می­بایست تلورانس جریان خطای زمین،‌ بسیار كم باشد.

   از جمله این كاربردها می­توان به ژنراتورهای بزرگ كه مستقیما از طریق ترانسقورماتور به خطوط انتقال ولتاژ بالا متصل می­شوند، اشاره كرد. در این ژنراتورها بعلت كم بودن مقدار جریان خازنی، مقدار جریان خطای زمین می­تواند كم­تر از 10A باشد. این جریان كوچك،‌ باعث می­شود تا خرابی­های واردشده به هسته مغناطیسی ژنراتور حداقل شده و در نتیجه، از تعمیرات آن جلوگیری بعمل آید. شكل 1-6، یك نمونه عملی زمین­كردن نقطه خنثی ژنراتور را توسط مقاومت نشان می­دهد.

   زمین­كردن مقاومت-پایین، برای جریان­های خطای زمین 100A و بیشتر تا 1000A طراحی می­شود. این مقدار جریان خطای زمین، از جریان­های خطای سه فاز سیستم بسیار كوچك­تر است. این روش، معمولا در سیستم­های صنعتی بكار می­رود و دارای مزایایی چون : محدود كردن حالت گذرا، مكان­یابی آسان و محدود كردن خرابی­های ناشی از جرقه زدن به هنگام وقوع خطا، می­باشد.

شكل1- 6 زمین كردن مقاومت-بالای نقطه خنثی ژنراتور

 

 

1-2-3- نقطه مناسب برای زمین­كردن

   در ژنراتورها كه معمولا بصورت ستاره هستند، نقطه خنثی برای زمین­كردن در دسترس است. اما برای ترانسفورماتورها، نقطه خنثی در دسترس نخواهد بود. برای مثال، زمانی كه سیم­پیچ آن بصورت مثلث بسته می­شود. در این حالت­ها ‌باید با استفاده از دستگاهی كه ترانس زمین­كننده نامیده می­شود، یك نقطه خنثی واقعی ایجاد نمود.   ترانس­های زمین­كننده، معمولا دو دسته هستند : ترانسفورماتور با اتصال زیگ­زاگ بدون سیم­پیچ ثانویه و ترانسفورماتور ستاره-مثلث. در شكل 1-7، نمونه­ای از یك ترانسفورماتور زیگ­زاگ نشان داده شده است.  

شكل1- 7 ترانسفرماتور زمین كننده زیگ زاگ.

 

 

   ترمینال­های سیم­پیچ اولیه این ترانس به سیستمی كه می­بایست زمین شود، متصل می­شود. بسته به شرایط، نقطه خنثی را ‌توسط یكی از روش­های بیان­شده ، به زمین متصل می­كنند. در شرایط نرمال، ترانسفورماتور زمین­كننده همانند یك ترانسفورماتور با ثانویه مدار باز (بی بار) عمل می­كند و تنها یك جریان بسیار كم مغناطیس­كنندگی از سیستم می­كشد. امپدانس ترانسفورماتور برای جریان­های خطای زمین (مولفه صفر) بسیار كوچك است. هنگام وقوع خطا در هر یك از خطوط، جریان توسط امپدانس زمین محدود می­شود. بنابراین، این سیستم همانند هر سیستم دیگری كه نقطه خنثی منبع آن زمین شده است، عمل می­كند.

   شكل 1-8،‌ این رفتار را نشان می­دهد. همانگونه كه ملاحظه می­شود، جریان­های مربوط به خطی كه خطا در آن رخ داده است، به سه قسمت مساوی تقسیم شده و هر قسمت از سیم­پیچ­های ترانس عبور می­كند.

 

شكل1- 8 رفتار ترانسفرماتور زمین¬كننده زیگ¬زاگ هنگام بروز خطا

 

   نوع دیگری از ترانسفورماتورهای زمین­كننده، ترانس­های با اتصال ستاره-مثلث هستند. سیم­پیچ اولیه ترانس، به سیستمی كه قرار است زمین شود متصل شده و نقطه خنثی سیم­پیچ اولیه را زمین می­كنند. سییم­پیچ ثانویه (طرف مثلث) را می­توان بصورت مدار باز در نظر گرفت و یا اینكه به یك سیستم تغذیه سه سیم­پیجه سه­فاز متصل نمود، همانگونه كه در شكل 1-9 نشان داده شده است.

 

شكل1- 9 ترانسفورماتور زمین كننده ستاره-مثلث.

 

 

   این نوع ترانسفورماتور نیز با ایجاد یك مسیر گردش جریان (همان سیم­پیچ ثانویه ترانسفورماتور)، یك مسیر امپدانس پایین برای شارش جریان مولفه صفر ایجاد می­كند. این امر باعث می­شود كه جریان خطای زمین از سیم­پیچ اولیه عبور كرده و از طریق امپدانس متصل­شده به نقطه خنثی، به زمین منتقل شود. چگونگی انجام كار، در شكل 1-10 نشان داده شده است.

 

شكل1- 10 رفتار ترانسفورماتور زمین كننده ستاره-مثلث هنگام بروز خطا

 

 

1-3- زمین كردن تجهیزات

1-3-1- مقدمه

   در بخش قبل، علل زمین­كردن نقطه خنثی سمت منبع و روش­های مختلف انجام آن توضیح داده شد. در این بخش، علت و روش­های زمین­كردن تجهیزات الكتریكی را بررسی خواهیم كرد. مهم­ترین اهداف زمین­كردن بدنه­های مربوط به تجهیزات الكتریكی عبارتند از :

·        كاهش خطرهای شوك الكتریكی وارد شده به افراد.

·   ایجاد یك مسیر برگشت برای جریان­های خطای زمین به سمت منبع قدرت، جهت تشخیص بروز خطا توسط دستگاه­های حفاظتی و تعیین محل آن و جدا نمودن قسمت آسیب­دیده  بصورت كاملا ایمن.

·        حداقل كردن خطر آتش­سوزی و انفجار با ایجاد یك مسیر زمین مطابق با انرژی مجاز توسط دستگاه­های حفاظتی.

·   ایجاد مسیری جهت هدایت جریان­های نشتی (شارش جریان­های كوچك از ایزولاسیون حفاظتی الكتریكی حول خطوط حامل جریان) و بارهای استاتیكی انباشته شده.

   بدن انسان در مقابل شارش جریان الكتریكی،‌ مقاومتی از خود نشان می­دهد. این مقاومت، مقدار ثابتی نیست و به عواملی چون وزن بدن، چگونگی اتصال و بخش­هایی از بدن كه به زمین متصلند، بستگی دارد. شكل 1-11،‌ این موضوع را نشان می­دهد.

 

شكل1- 11 رفتار ترانسفورماتور زمین¬كننده ستاره-مثلث هنگام بروز خطا.

 

 

   زمان بحرانی كه بدن انسان می­تواند در مقابل این پدیده مقاومت كند،‌ به وزن بدن و جریانی كه از بدن عبور می­كند بستگی دارد. رابطه تجربی زیر، نحوه بدست آوردن مقدار موردنظر را نشان می­دهد :

                     (1-1)                                                                                      

   در رابطه بالا،  بیانگر زمین بیان­شده بر حسب ثانیه (بین 3/0 تا 3 ثانیه)،  برابر است با مقدار rms جریان عبوری از بدن و  یك مقدار ثابت تجربی است. هنگام قرار دادن این مقدار،‌ باید تمامی شرایط را در نظر گرفته و ملاحظات لازم را انجام داد. برای مثال، سهم قابل ملاحظه­ای از مقاومت بدن بعلت پوست خارجی آن است. بوجود آمدن هرگونه ضایعه در پوست بهنگام آتش­سوزی، باعث می­شود كه مقاومت الكتریكی بدن كاهش یابد. با در نظر گرفتن وزن بدن برابر با 70 كیلوگرم، خواهیم داشت :

                             (1-2)                                                                         

   در كل،‌ دو مدل مختلف می­تواند وجود داشته باشد كه تحت آن­ها یك فرد با یك مسیر برق­دار تماس پیدا كند. حالت اول، زمانی است كه فرد بر روی زمین ایستاده و توسط دست خود، یك مسیر برق­دار را لمس می­كند. حالت دوم زمانی، زمانی است كه اختلاف پتانسیل بین دو نقطه واقع در محل قرارگیری دو پای فرد ایجاد شود. این دو مدل در شكل 1-12 نشان داده شده است.

   از آنجا كه بدن انسان در مواجهه با این دو حالت مختلف مقاومت متفاوتی را از خود نشان می­دهد، محدودیت­های ولتاژ برای مقاومت كردن بدن انسان برای هر دو حالت بطور جداگانه محاسبه می­شود.

   حالت اول : اتصال با مسیر برق­دار توسط دست

RA=RB+0.5(RF+RMF)                                                                                  (1-3)     

در رابطه بالا،‌ RA مقاومت مدار بر حسب اهم، RB مقاومت بدن انسان بر حسب اهم (برای مثال 1000 اهم)، RF مقاومت خودی هر یك از پاها تا زمین بر حسب اهم و RMF مقاومت متقابل بین پاها بر حسب اهم است.

 

   حالت دوم : اتصال توسط پاها

RA=RB+2RF-2RMF                                                                                       (1-4)    

   اكثر اتصالات بوقوع پیوسته در ساختمان­ها و تاسیسات از نوع اتصال اول است.

 

شكل1- 12 حالات مخلتف تماس فرد با مسیر برق دار

 

 

1-3-2- اقدامات موثر برای زمین­كردن تجهیزات

   زمین­كردن تجهیزات الكتریكی در گام اول مربوط می­شود به اتصال بدنه فلزی تجهیزات موجود به زیرسیستم زمین مربوطه. لازم به ذكر است كه بدنه­های تجهیزات در حالت عملكرد نرمال، برق­دار نیستند. برای زمین كردن موثر،‌جریان خطا می­باید از بدنه تجهیزات به سمت زمین و در مسیر برگشت به منبع شارش كند. این امر باعث خواهد شد كه ولتاژ بدنه از حدی تجاوز نكند. چگونگی انجام كار در شكل 1-13 نشان داده شده است.

   پتانسیل نقطه اتصال را می­توان توسط رابطه زیر بدست آورد :

Vtouch=IG×ZG                              (1-5)                                                                     

   در رابطه بالا، IG ماكزیمم مقدار جریان خطای زمین عبوری موردانتظار و ZG امپدانس مسیر برگشت زمین است.  معمولا با توجه به نوع زمین­كردن سیستم بكار گرفته شده و نیز با توجه به تجهیزات حفاظتی مورداستفاده برای تعیین محل خطا و نیز جداسازی آن تعیین می­شود.

   با توجه به مطالب گفته شده چنین برمی­آید كه امپدانس هادی زمین­كننده بین بدنه و زمین باید تا حدی كه امكان دارد كوچك باشد تا بدین وسیله از بوجود آمدن سطوح بزرگ ولتاژ بر روی بدنه جلوگیری شود.

 

شكل1- 13 : الگوی ولتاژ حین خطای زمین.

 

  

   در حالتی كه فاصله تجهیزات تا منبع زیاد باشد، بدون استفاده از اتصال مستقیم برگشت زمین، جریان­های خطای زمین از جرم زمین عبور می­كند. این امر موجب افزایش پتانسیل جرم زمین در سمت انتهای خط و در سمت مصرف­كننده می­شود. با این حال از آنجا كه ولتاژ اتصال برابر است با اختلاف پتانسیل بدنه و جرم زمین محلی، لذا وجود این اتصال تاثیری بر ایمنی پرسنل نخواهد داشت. این شرایط همانگونه كه در شكل 1-14 نشان داده شده است، بیشتر در سطوح ولتاژ متوسط اتفاق می­افتد. در این سطوح، معمولا مسیر برگشت زمین بین منبع و تجهیزات وجود ندارد. اما در سطوح ولتاژ متوسط، معمولا از این مسیر برگشت استفاده می­شود. در هر حالت، نكته­ای كه باید مدنظر قرار گیرد این است كه : میزان افزایش ولتاژ بدنه تجهیرات نسبت به زمین محلی در هنگام بروز خطا، میزان ایمنی سیستم را تعیین می­كند.   

 

شكل1- 14 : چگونگی افزایش پتانسیل زمین

 

 

1-3-3- عملكرد دستگاه­های محافظتی

   هنگام وقوع خطا بر روی بدنه تجهیزات الكتریكی در صورتی كه جرم زمین، مسیر برگشت جریان را تشكیل دهد، كلیدها و فیوزهای اضافه جریان نمی­توانند بدرستی عمل كنند. دلیل این امر آن است كه امپدانس بین بدنه و جرم زمین به اندازه كافی بزرگ است تا بتواند شارش جریان خطا را محدود سازد. این امر در سیستم­های ولتاژ پایین نمود بیشتری دارد. در این موارد باید از یك مسیر برگشت زمین به سوی منبع با امپدانس كوچك استفاده نمود تا با ایجاد جریان خطای با دامنه كافی، دستگاه­های حفاظتی بدرستی عمل كنند. شكل 1-15، این نكته را نشان می­دهد.  

  

شكل1- 15 : امپدانس مربوط به مسیر برگشت

 

 

1-3-4- پتانسیل تماس هنگام بروز خطای زمین

   همانگونه كه قبلا بیان شده است پتانسیل اتصال بدنه مربوط به تجهیزات، حاصل جریان خطای زمین و امپدانس مسیر زمین­كننده است. مقدار جریان معمولا بر اساس روش زمین­كردن نقطه خنثی انتخاب شده تعیین می­شود. امپدانس تابعی است از مقاومت هادی زمین و راكتانس آن. مقاومت هادی بر اساس اندازه هادی تعیین می­شود و راكتانس بستگی دارد به فاصله بین هادی فازی كه خطا در آن بوقوع پیوسته تا هادی زمین. جزئیات این ارتباط در IEEE:142:1991 توضیح داده شده است. همچنین جداولی نیز برای نمایش ارتباط پتانسیل اتصال و فاصله هادی تهیه شده است كه نمونه آن در شكل 1-16 نشان داده شده است. برای این مقادیر ولتاژ، فرض شده كه دامنه جریان خطا برابر با 5kA باشد. این مقدار جریان برای سیستم­های ولتاژ پایین كه بصورت مستقیم زمین شده­اند، مقداری معقول است.

 

شكل1- 16 : ارتباط بین پتانسیل تماس و فاصله هادی

 

 

   همانگونه كه از شكل برمی­آید، با افزایش فاصله بین هادی فازها و هادی زمین­كننده، سطح ولتاژ تماس ظاهر شده بر روی بدنه تجهیزات آسیب­دیده، بصورت غیرقابل قبولی افزایش می­یابد.

1-3-5- مساله ولتاژ القایی

فاصله بین فازها و هادی زمین­كننده، ممكن است باعث بوجود آمدن مساله دیگری نیز شود. شار مغناطیسی كه هنگام شارش جریان خطای زمین در سیستم تولید می­شود، باعث القای ولتاژ در هر یك از حلقه­های رسانای نزدیك كه دارای كوپلینگ هستند می­شود. ضرورتی وجود ندارد كه این حلقه­ها دارای اتصال فیزیكی با هادی­های الكتریكی باشند. شكل 1-17 این موضوع را نشان می­دهد.   ولتاژی كه به این ترتیب القا می­شود، ممكن است چندان بزرگ نباشد. اما جریان بزرگی از حلقه عبور خواهد كرد، مخصوصا اگر هادی حلقه نزدیك باشد. در مثال بیان شده در بالا، جریان­های با مقدار 500A و ولتاژ مدار باز 2.5V قابل دستیابی  است .

شكل1- 17 : مثالی از پتانسیل القا شده.

 



[1]  Grounding

[2]  Bonding

[3]  Earth Electrode Subsystem

[4]  Lightning Protection Subsystem

[5]  Fault Protection Subsystem

[6]  Signal Reference Subsystem

[7]  Neutral

[8]  Line

[9]  Bond

[10]  Resonant Grounding

[11]  High-Resistance Grounding

[12]  Low-Resistance Grounding

http://www.iranbargh.blogfa.com/post-92.aspx

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :