پاسخ کوتاه: سیستم زمین حفاظتی باید کاری کند که هنگام خطای اتصال به بدنه یا به زمین، ولتاژی که به بدن افراد می‌رسد در حد ایمن بماند یا مدار به‌موقع قطع شود. برای همین مشخصات آن با یک عدد ثابت تعیین نمی‌شود؛ از نوع سیستم برق (TN، TT یا IT)، جریان خطا و زمان قطع وسیلهٔ حفاظتی، حد مجاز ولتاژ تماس و مقاومت ویژهٔ خاک به دست می‌آید. در تأسیسات فشار ضعیف مبنا IEC 60364 است و در پستها و تأسیسات فشار قوی، EN 50522 یا IEEE 80.
ما در گروه کالوت در این راهنما این روش را به زبان ساده توضیح می‌دهیم. اگر هنوز با خود مفهوم زمین حفاظتی آشنا نیستید، اول مقالهٔ منظور از زمین حفاظتی و زمین الکتریکی را بخوانید.
ولتاژ تماس و ولتاژ گام چیست؟
وقتی جریان خطا از یک سازه یا بدنهٔ فلزی زمین‌شده به زمین میرود، پتانسیل آن سازه و سطح زمین اطرافش بالا میرود و هر چه از سازه دورتر شویم، کم میشود.
- ولتاژ تماس: اختلاف پتانسیل بین دست فردی که سازه یا بدنه را لمس کرده و پاهای او.
- ولتاژ گام: اختلاف پتانسیل بین دو پای فردی که در محوطه راه میرود، در فاصلهٔ حدود یک متر.
حد مجاز این ولتاژها یک عدد ثابت نیست و به مدت خطا بستگی دارد: هر چه خطا زودتر قطع شود، ولتاژ بیشتری برای مدت کوتاه‌تر قابل‌تحمل است. عددهایی مثل «ولتاژ تماس ۱۲۵ ولت و ولتاژ گام ۶۵ ولت» که گاهی به‌عنوان حد ثابت IEC 60364 یا IEEE 80 نقل می‌شوند، در این استانداردها نیامده‌اند.
تأسیسات فشار ضعیف: زمین حفاظتی و قطع خودکار
در تأسیسات فشار ضعیف، مثل ساختمان‌ها و کارخانه‌ها، IEC 60364-4-41 حفاظت را با قطع خودکار تغذیه تأمین میکند: هادی حفاظتی مسیر جریان خطا را می‌سازد و کلید یا فیوز باید در زمان مجاز قطع کند. ولتاژ تماس قراردادی مجاز در شرایط عادی ۵۰ ولت متناوب است.
سیستم TN
در سیستم TN، جریان خطا از راه هادی حفاظتی به نقطهٔ ستارهٔ ترانسفورماتور برمی‌گردد. شرط حفاظت این است: Zs × Ia ≤ U0؛ یعنی امپدانس حلقهٔ خطا (Zs) آن‌قدر کم باشد که جریان خطا وسیلهٔ حفاظتی را در زمان مجاز قطع کند. حداکثر زمان قطع در ولتاژ ۲۳۰ ولت، برای مدارهای نهایی تا ۳۲ آمپر ۰٫۴ ثانیه و برای مدارهای توزیع ۵ ثانیه است. در اندازه‌گیری پس از اجرا، IEC 60364-6 مقدار اندازه‌گیری‌شده را با حاشیه می‌سنجد: Zs ≤ ⅔ × U0 / Ia.
سیستم TT
در سیستم TT، تأسیسات الکترود زمین خودش را دارد و جریان خطا از راه خاک به الکترود ترانسفورماتور برمی‌گردد؛ این جریان معمولاً برای قطع فیوز کافی نیست و کلید جریان باقیمانده (RCD) لازم است. شرط حفاظت این است: RA × IΔn ≤ 50 V؛ RA مقاومت الکترود و هادی زمین تأسیسات است و IΔn جریان عمل کلید جریان باقیمانده. حداکثر زمان قطع برای مدارهای نهایی تا ۳۲ آمپر در ۲۳۰ ولت ۰٫۲ ثانیه و برای مدارهای توزیع ۱ ثانیه است.
از این شرط، با کلید ۳۰ میلی‌آمپری عدد نظری ۱۶۶۶ اهم و با کلید ۳۰۰ میلی‌آمپری ۱۶۶ اهم به دست می‌آید؛ اما BS 7430 هشدار میدهد مقاومت‌های بالاتر از ۲۰۰ اهم ممکن است پایدار نباشند و در عمل الکترود را برای مقاومت بسیار کمتری طراحی می‌کنند. طبق آییننامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱)، کلید جریان باقیمانده در سیستم TT الزامی است.
تأسیسات فشار قوی و پستها: ولتاژ تماس مجاز
در پستها و تأسیسات فشار قوی، جریان خطا بزرگ‌تر است و EN 50522 حد ولتاژ تماس مجاز را بر حسب مدت خطا میدهد؛ برای نمونه ۷۱۶ ولت برای ۰٫۰۵ ثانیه، ۲۲۰ ولت برای ۰٫۵ ثانیه، ۱۱۷ ولت برای ۱ ثانیه و ۸۰ ولت برای زمانهای خیلی طولانی. طبق این استاندارد، طرح سیستم زمین وقتی قابل‌قبول است که تأسیسات بخشی از یک «سیستم زمین سراسری» باشد، یا افزایش پتانسیل زمین از دو برابر ولتاژ تماس مجاز بیشتر نشود، یا اقدام‌های حفاظتی تکمیلی انجام شود، یا ولتاژ تماس با اندازه‌گیری اثبات شود.
IEEE 80 هم حد ولتاژ تماس و گام را با فرمول میدهد، نه عدد ثابت. برای فرد ۵۰ کیلوگرمی: E_touch = (1000 + 1.5·Cs·ρs) × 0.116 / √ts و E_step = (1000 + 6·Cs·ρs) × 0.116 / √ts؛ ts مدت خطا، ρs مقاومت ویژهٔ لایهٔ سطحی (مثل شن روی زمین پست) و Cs ضریب آن لایه است. برای فرد ۷۰ کیلوگرمی، ضریب 0.157 جای 0.116 می‌نشیند. یعنی لایهٔ سنگ‌ریزهٔ سطح پست و قطع سریع خطا، حد مجاز را بالا می‌برند.
سطح مقطع هادی‌های حفاظتی
IEC 60364-5-54 سطح مقطع هادی حفاظتی را از جریان و زمان خطا با فرمول S = √(I² t) / k میدهد که برای زمان قطع تا ۵ ثانیه معتبر است؛ k به جنس هادی و عایق آن بستگی دارد. روش سادهتر جدول 54.2 همین استاندارد است: برای هادی هم‌جنس با فاز، تا ۱۶ میلیمتر مربع هماندازهٔ فاز، از ۱۶ تا ۳۵ میلیمتر مربع ۱۶ و بالاتر از ۳۵ نصف فاز.
- هادی حفاظتی جداگانه دست‌کم ۲٫۵ میلیمتر مربع مس با حفاظت مکانیکی و ۴ میلیمتر مربع بدون آن؛ سیم ارت سبز و زرد را برای همین کار عرضه می‌کنیم.
- هادی زمین (بین شینهٔ اصلی و الکترود) دست‌کم ۶ میلیمتر مربع مس؛ در خاک معمولاً سیم مسی لخت یا تسمهٔ مسی به کار میرود.
- هادی هم‌بندی اصلی دست‌کم نصف بزرگ‌ترین هادی حفاظتی، کمترین ۶ و حداکثر لازم ۲۵ میلیمتر مربع مس؛ همه در شینهٔ اصلی ارت به هم می‌رسند (هم‌بندی و هم‌پتانسیل‌سازی).
مقاومت زمین چقدر باید باشد؟
IEC 60364-5-54 عدد ثابتی برای مقاومت زمین نمی‌گذارد و می‌گوید الکترود باید متناسب با خاک و مقاومت لازم انتخاب شود. IEEE 142 مقاومت زیر ۱ اهم را فقط برای پستهای بزرگ لازم میداند و ۱ تا ۵ اهم را برای پستهای صنعتی و ساختمان‌های تجاری بزرگ مناسب. آییننامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱) هم برای چند مورد مشخص عدد داده است؛ از جمله مقاومت کمتر از ۲ اهم در نقطهٔ جداشدن نول و هادی حفاظتی در محل‌هایی که پست اختصاصی ندارند، مقاومت حداکثر ۰٫۲ اهم برای پیوستگی هم‌بندی اصلی، و کمتر از ۲۰ اهم برای روشنایی معابر.
برای رسیدن به مقاومت لازم، اول مقاومت ویژهٔ خاک را اندازه بگیرید (اندازه‌گیری مقاومت ویژهٔ خاک)، شکل و تعداد الکترود را با فرمول‌های محاسبهٔ مقاومت الکترود انتخاب کنید و جنس آن را با شرایط خاک جور کنید (جنس الکترود ارت): برای نمونه میلهٔ ارت کاپربند در چاهک بازدید، و در خاک پرمقاومت مادهٔ کاهندهٔ GIM. اتصال‌ها را با بست‌های ارت یا جوش احتراقی بسازید. مشخصات زمین سیستم (نول ترانسفورماتور) را در مقالهٔ مشخصات سیستم زمین الکتریکی آورده‌ایم.
مراحل تعیین مشخصات سیستم زمین حفاظتی
- نوع سیستم و جریان خطا: TN، TT یا IT؛ جریان اتصال کوتاه و زمان قطع وسیلهٔ حفاظتی.
- حد ولتاژ تماس: در فشار ضعیف ۵۰ ولت همراه با زمانهای قطع IEC 60364-4-41؛ در فشار قوی طبق EN 50522 یا IEEE 80.
- سطح مقطع هادی‌ها: هادی حفاظتی، هادی زمین و هادی هم‌بندی طبق IEC 60364-5-54.
- الکترود و مقاومت زمین: بر اساس مقاومت ویژهٔ خاک و مقاومت لازم.
- هم‌بندی و آزمون: هم‌بندی همهٔ بخش‌های فلزی، و پس از اجرا اندازه‌گیری مقاومت زمین، پیوستگی و امپدانس حلقهٔ خطا (روش اندازه‌گیری).
طراحی سیستم ارت و هم‌بندی و آزمون و اندازه‌گیری سیستم زمین را انجام می‌دهیم. برای مشاوره، نوع سیستم برق، جریان اتصال کوتاه، نقشهٔ محل و نتیجهٔ اندازه‌گیری خاک را برای کارشناسان ما بفرستید یا از صفحهٔ تماس با ما با ما در تماس باشید.
