مشخصات سیستم زمین الکتریکی را چگونه تعیین می‌کنند؟ زمین نول ترانسفورماتور، هادی زمین و مقاومت

پاسخ کوتاه: زمین الکتریکی، که در آیین‌نامه‌ها «اتصال زمین عملیاتی» نامیده می‌شود، یعنی اتصال نقطهٔ صفر (نول) ترانسفورماتور یا مولد به زمین. این اتصال بخشی از مدار برق است و هنگام خطا جریان اتصال کوتاه از آن می‌گذرد؛ برای همین مشخصات آن با یک عدد ثابت تعیین نمی‌شود. سه داده مبنای کار است: روش زمین کردن نول، بیشترین جریان اتصال کوتاه به زمین و زمان قطع رلهٔ حفاظتی. از این سه، سطح مقطع هادی زمین، مقاومت لازم الکترود و جدا یا مشترک بودن زمین فشار قوی و فشار ضعیف پست به دست می‌آید.

ما در گروه کالوت در این راهنما این روش را به زبان ساده و با مثال توضیح می‌دهیم. فرق زمین الکتریکی و زمین حفاظتی را در مقالهٔ منظور از زمین حفاظتی و زمین الکتریکی آورده‌ایم و طرف حفاظتی، یعنی ولتاژ تماس و قطع خودکار، را در مقالهٔ مشخصات سیستم زمین حفاظتی.

زمین الکتریکی (اتصال زمین عملیاتی) چیست؟

طبق آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱)، اتصال زمین عملیاتی همان اتصال نقطهٔ خنثای سامانه (نول) به زمین است؛ کار آن حفظ عایق‌بندی و محدود کردن اضافه‌ولتاژهاست. زمین حفاظتی اما بدنهٔ فلزی تجهیزات را زمین می‌کند تا هنگام اتصال به بدنه، مدار معیوب سریع قطع شود. در یک پست برق این دو معمولاً در شینهٔ اصلی ارت به هم می‌رسند و یک هادی زمین آن‌ها را به الکترودهای زمین می‌برد.

برای این شینه ارت بار با لینک قطع و وصل را عرضه می‌کنیم؛ با باز کردن لینک می‌توان الکترود را برای اندازه‌گیری از سیستم جدا کرد. اگر چند منبع (چند ترانسفورماتور یا مولد) موازی کار می‌کنند، اتصال نول به هادی حفاظتی و زمین فقط در یک نقطه انجام می‌شود تا جریان گردشی در هادی‌های حفاظتی نچرخد؛ BS 7430 همین را توصیه می‌کند و آیین‌نامهٔ ۱۴۰۱ هم در سامانه‌های چندمنبعی اتصال مستقیم نول هر منبع به زمین را ممنوع می‌داند و این اتصال را فقط در تابلوی اصلی می‌پذیرد. انواع آرایش‌های زمین (TN، TT و IT) را در مقالهٔ اتصال زمین و انواع آن ببینید.

روش‌های زمین کردن نقطهٔ صفر ترانسفورماتور

روش زمین کردن نول بیشترین اثر را بر اندازه و مدت جریان خطای زمین دارد و از همان‌جا بر انتخاب سطح عایق، برقگیرها، رله‌های حفاظتی و طرح سیستم زمین اثر می‌گذارد. IEEE 142 روش‌های رایج را این‌طور مقایسه می‌کند:

مقاومت زمین نول در روش مقاومت کم از ⁦R = Vln / Ig⁩ به دست می‌آید؛ Vln ولتاژ فاز به نول و Ig جریان خطای مطلوب است. برای نمونه در شبکهٔ ۲۰ کیلوولت (ولتاژ فاز به نول حدود ۱۱۵۴۷ ولت) و جریان ۴۰۰ آمپر، مقاومتی حدود ۲۹ اهم لازم است. در ایران، آیین‌نامهٔ ۱۴۰۱ برای محل‌هایی که پست اختصاصی با یک ترانسفورماتور دارند، سیستم TN-S یا TN-C-S را می‌خواهد؛ سیستم IT را در شبکه‌های عمومی توزیع ممنوع و در برخی کارگاه‌های خاص، همراه با وسیلهٔ پایش عایق، الزامی می‌داند.

مشخصات سیستم زمین الکتریکی از چه داده‌هایی به دست می‌آید؟

طبق EN 50522، داده‌های اصلی طراحی سیستم زمین در تأسیسات فشار قوی، مقدار جریان خطا، مدت خطا و مشخصات خاک است؛ و دو مورد اول خودشان بیشتر به روش زمین کردن نول بستگی دارند:

• بیشترین جریان اتصال کوتاه به زمین: خطای سه‌فاز به زمین، دوفاز به زمین، تک‌فاز به زمین و خطای دوگانه، در داخل و بیرون پست بررسی می‌شود تا بدترین حالت پیدا شود. رشد آیندهٔ شبکه را هم در نظر بگیرید.
• مدت خطا (زمان قطع رله و کلید): BS 7430 برای طراحی هادی‌های زمین پست‌ها مدت ۱ ثانیه را برای شبکه‌های ۴۰۰ و ۲۷۵ کیلوولت و ۳ ثانیه را برای ولتاژهای کمتر پیشنهاد می‌کند.
• مقاومت ویژهٔ خاک و چیدمان پست: باید در محل اندازه گرفته شود (روش اندازه‌گیری مقاومت ویژهٔ خاک).

یک نکتهٔ مهم: جریانی که هادی را گرم می‌کند با جریانی که پتانسیل زمین را بالا می‌برد یکی نیست. در پستی که نول آن زمین شده است، بخشی از جریان خطا از راه نول و غلاف کابل‌ها به ترانسفورماتور برمی‌گردد و فقط بقیهٔ آن وارد خاک می‌شود؛ EN 50522 برای هر کدام جریان جداگانه‌ای تعریف می‌کند.

سطح مقطع هادی زمین را چگونه حساب کنیم؟

هادی زمین باید جریان خطا را در مدت خطا تحمل کند، بی‌آنکه آن‌قدر گرم شود که خودش یا اتصال‌هایش آسیب ببینند. IEC 60364-5-54 برای زمان قطع تا ۵ ثانیه این فرمول را می‌دهد: ⁦S = √(I² t) / k⁩؛ S سطح مقطع بر حسب میلی‌متر مربع، I جریان خطا بر حسب آمپر، t مدت خطا بر حسب ثانیه و k ضریبی که به جنس هادی و دمای مجاز بستگی دارد. برای هادی لخت، جدول A.54.6 این استاندارد ضریب‌ها را این‌طور می‌دهد:

EN 50522 در پیوست D روش دقیق‌تری دارد که دمای اولیه و نهایی را جدا وارد می‌کند: ⁦A = (I / K) × √(t / ln((θf + β) / (θi + β)))⁩؛ برای مس K برابر ۲۲۶ و β برابر ۲۳۴٫۵ و برای فولاد K برابر ۷۸ و β برابر ۲۰۲ است.

مثال: فرض کنید جریان خطای زمین ۱۵ کیلوآمپر و مدت خطا ۱ ثانیه باشد. با روش IEC و k برابر ۱۵۹، سطح مقطع لازم ۹۴٫۳ میلی‌متر مربع می‌شود؛ با روش EN 50522، مس لخت، دمای اولیهٔ ۲۰ و دمای نهایی ۳۰۰ درجه، ۷۷ میلی‌متر مربع. هر دو به نزدیک‌ترین اندازهٔ استاندارد بالاتر، یعنی سیم مسی لخت ۹۵ میلی‌متر مربع، می‌رسند. اگر همین جریان ۳ ثانیه طول بکشد، روش IEC به ۱۶۳ میلی‌متر مربع، یعنی سیم ۱۸۵، می‌رسد؛ پس مدت خطا به‌اندازهٔ خود جریان مهم است.

حداقل‌ها هم باید رعایت شود، حتی اگر محاسبه عدد کوچک‌تری بدهد:

• IEC 60364-5-54: هادی زمین دست‌کم ۶ میلی‌متر مربع مس یا ۵۰ میلی‌متر مربع فولاد؛ آلومینیوم برای هادی زمین مجاز نیست.
• EN 50522 در تأسیسات فشار قوی: دست‌کم ۱۶ میلی‌متر مربع مس، ۳۵ آلومینیوم یا ۵۰ فولاد.
• آیین‌نامهٔ ۱۴۰۱: هادی اصلی اتصال زمین از الکترود تا شینهٔ اصلی، مسی و دست‌کم ۳۵ میلی‌متر مربع؛ آلومینیوم لخت یا با روکش مس نباید با خاک در تماس باشد.

جریان خطا معمولاً بین چند مسیر تقسیم می‌شود، پس هر شاخهٔ هادی را می‌توان برای سهم خودش طراحی کرد. توان تحمل اتصال‌ها، به‌خصوص اتصال‌های پیچی، هم باید بررسی شود. به جای سیم می‌توان از تسمهٔ مسی با سطح مقطع برابر یا بزرگ‌تر استفاده کرد؛ اتصال‌ها را با جوش احتراقی یا بست‌های ارت بسازید، چون IEC 60364-5-54 اتصالی را که فقط به لحیم متکی باشد نمی‌پذیرد.

مقاومت زمین و افزایش پتانسیل زمین (EPR)

وقتی جریان خطا وارد سیستم زمین می‌شود، پتانسیل همهٔ قسمت‌های زمین‌شده نسبت به زمین دوردست بالا می‌رود. این مقدار را «افزایش پتانسیل زمین» می‌نامند: ⁦EPR = IE × ZE⁩؛ IE جریانی که وارد خاک می‌شود و ZE امپدانس سیستم زمین است. برای نمونه، جریان ۱۰۰۰ آمپر در مقاومت ۱ اهم، پتانسیل زمین پست را ۱۰۰۰ ولت بالا می‌برد. هر چه مقاومت زمین کمتر باشد، EPR کمتر است.

طبق EN 50522، اگر EPR از ولتاژ تماس مجاز کمتر باشد و شرط‌های به‌هم‌پیوستن زمین فشار قوی و ضعیف هم برقرار باشد، طرح کامل است؛ در غیر این صورت باید ولتاژ تماس و گام در داخل و اطراف پست بررسی و در صورت لزوم اقدام‌های اصلاحی انجام شود. حد ولتاژ تماس مجاز را در مقالهٔ مشخصات سیستم زمین حفاظتی آورده‌ایم.

عدد ثابتی برای مقاومت زمین نول وجود ندارد، اما چند مرجع عدد داده‌اند: 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 ۱۴۰۱ مقاومت الکترود را در محل جداشدن نول و هادی حفاظتی در سیستم TN-C-S کمتر از ۲ اهم و در الکترود مشترک فشار قوی و ضعیف کمتر از ۱ اهم می‌خواهد.

برای رسیدن به مقاومت لازم، شکل و تعداد الکترودها را با فرمول‌های محاسبهٔ مقاومت الکترود زمین انتخاب کنید؛ برای نمونه میلهٔ ارت کاپربند در دریچهٔ ارت پلی‌اتیلن برای بازدید، و در خاک پرمقاومت مادهٔ کاهندهٔ مقاومت زمین GIM.

زمین فشار قوی و فشار ضعیف پست: جدا یا مشترک؟

هنگام خطا در سمت فشار قوی، بخشی از EPR پست ممکن است از راه نول و هادی‌های حفاظتی به تأسیسات فشار ضعیف منتقل شود. دو روش وجود دارد: به‌هم‌پیوستن همهٔ زمین‌ها یا جدا کردن زمین فشار قوی از فشار ضعیف.

• EN 50522: به‌هم‌پیوستن را، هر جا شدنی باشد، ترجیح می‌دهد؛ اگر تأسیسات فشار ضعیف کاملاً داخل محدودهٔ زمین فشار قوی باشد، به‌هم‌پیوستن الزامی است. در غیر این صورت ویرایش ۲۰۱۰ این استاندارد شرط‌هایی بر پایهٔ EPR می‌گذارد؛ برای نمونه در سیستم TN، EPR نباید از F برابر ولتاژ تماس مجاز بیشتر شود (F معمولاً ۲)، و برای ولتاژی که به تجهیزات فشار ضعیف فشار می‌آورد، EPR تا ۱۲۰۰ ولت برای خطای کوتاه‌تر از ۵ ثانیه و ۲۵۰ ولت برای خطای طولانی‌تر. این معیارها اکنون در IEC 61936-1 آمده‌اند. وقتی زمین‌ها جدا می‌شوند، در شبکه‌های زیر ۵۰ کیلوولت فاصلهٔ ۲۰ متر بسیار به کار رفته است.
• آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱): زمین مشترک برای سمت فشار قوی پست و فشار ضعیف ترانسفورماتور را ممنوع می‌داند (مادهٔ ۱۲۳). دو الکترود باید دست‌کم ۲۰ متر از هم فاصله داشته باشند و هیچ هادی‌ای آن‌ها را به هم وصل نکند؛ الکترود فشار ضعیف و نول هم دست‌کم ۲۰ متر از سازهٔ پست، و نول از مسیری غیرفلزی به آن برسد (مواد ۱۲۶ تا ۱۲۸). فقط اگر دو الکترود مستقل شدنی نباشد، الکترود مشترک با مقاومت کل حداکثر ۱ اهم پذیرفته است (مادهٔ ۱۲۹). اگر خط هوایی فشار قوی تا ۳ کیلومتری پست باشد، برقگیر و دو الکترود جدا که خارج از حوزهٔ ولتاژ یکدیگر باشند لازم است (مادهٔ ۱۳۰).

در پروژه‌های داخل کشور، این آیین‌نامه را مبنا بگیرید و با طراح شبکه و بهره‌بردار برق منطقه هماهنگ کنید.

اجرای زمین نول ترانسفورماتور در عمل

BS 7430 برای هادی‌های زمین پست‌ها چند توصیهٔ اجرایی دارد که با تجربهٔ ما هم می‌خواند:

• شینه یا هادی اصلی زمین، تا جای ممکن به‌صورت حلقه دور پست، و از آن شاخه‌های کوتاه به هر تجهیز؛ در پست‌های بزرگ‌تر، حلقه با چند اتصال عرضی تقویت شود.
• هادی مسی یا فولادی لخت در عمق حدود ۶۰۰ میلی‌متر دفن شود؛ تسمهٔ مسی‌ای که با فولاد گالوانیزه تماس دارد، قلع‌اندود باشد (تسمهٔ مسی قلع‌اندود).
• اتصال برقگیرها به زمین کوتاه، مستقیم و با سطح مقطع کافی باشد و از لوله یا قطعات فولادی نگذرد.
• جایی که هادی لخت از زیر حصار فلزی با زمین جداگانه می‌گذرد، دست‌کم ۲ متر در هر طرف حصار عایق شود.

همهٔ اتصال‌ها باید پس از چندین بار عبور جریان خطا هم مقاومت کم خود را حفظ کنند؛ ارت بارها، بست‌های ارتینگ و جوش احتراقی را برای همین کار عرضه می‌کنیم. هم‌بندی بخش‌های فلزی پست را هم فراموش نکنید (هم‌بندی و هم‌پتانسیل‌سازی).

مراحل تعیین مشخصات سیستم زمین الکتریکی

1. روش زمین کردن نول: مستقیم، مقاومت کم یا زیاد، رزونانسی یا ایزوله، طبق شبکه و مقررات.
2. جریان و مدت خطا: بیشترین جریان اتصال کوتاه به زمین و زمان قطع رله و کلید.
3. سطح مقطع هادی زمین: با فرمول IEC 60364-5-54 یا EN 50522، و دست‌کم حداقل‌های استاندارد و آیین‌نامه.
4. خاک، مقاومت و EPR: اندازه‌گیری مقاومت ویژهٔ خاک، طرح الکترودها و کنترل افزایش پتانسیل زمین و ولتاژ تماس.
5. زمین فشار قوی و ضعیف، اجرا و آزمون: جدا یا مشترک بودن زمین‌ها؛ سپس اجرا، اندازه‌گیری مقاومت زمین و پیوستگی (روش اندازه‌گیری) و مستندسازی.

طراحی و مشاورهٔ سیستم ارتینگ، نصب و اجرای ارتینگ و تست سیستم ارت و اندازه‌گیری مقاومت زمین را انجام می‌دهیم. برای مشاوره، ولتاژ و توان ترانسفورماتور، روش زمین کردن نول، جریان اتصال کوتاه و زمان قطع، نقشهٔ پست و نتیجهٔ اندازه‌گیری خاک را برای کارشناسان ما بفرستید یا از صفحهٔ تماس با ما با ما در تماس باشید.