منظور از زمین حفاظتی و زمین الکتریکی چیست؟ تفاوت PE و FE

پاسخ کوتاه: زمین حفاظتی (PE) یعنی وصل کردن بدنهٔ فلزی تجهیزات به هادی حفاظتی تا اگر عایق خراب شد و بدنه برق‌دار شد، جریان خطا مسیر داشته باشد و کلید یا فیوز مدار را قطع کند؛ هدفش جان افراد است. زمین الکتریکی در زبان رایج ایران یعنی زمین کردن نقطهٔ نول (ستارهٔ) ترانسفورماتور یا ژنراتور، که در مقررات ایران «اتصال زمین عملیاتی» نام دارد. زمین عملکردی (FE) هم اتصالی است که برای کار درست تجهیزات، مثل مرجع ولتاژ و کاهش نویز، لازم است و جایگزین زمین حفاظتی نیست.

«زمین الکتریکی» در ایران یعنی چه؟

در وب فارسی و بازار، به زمین کردن نقطهٔ نول ترانسفورماتور «زمین الکتریکی» یا «ارت الکتریکی» می‌گویند. «آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین» (۱۴۰۱) و مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان برای آن اصطلاح «اتصال زمین عملیاتی» را به کار می‌برند و اتصال بدنه‌های فلزی را «اتصال زمین حفاظتی» می‌نامند.

در واژه‌نامهٔ بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC 60050-195)، زمین کردن یک سیستم برق «زمین سیستم» (System Earthing) نام دارد که هم نقش عملکردی و هم نقش حفاظتی دارد؛ چون مسیر برگشت جریان خطا در سیستم‌های TN هم از همین نقطه می‌گذرد. پس زمین نقطهٔ نول را نباید با زمین عملکردی تجهیزات (FE) یکی دانست. اینکه نول و هادی حفاظتی در طول شبکه چگونه از هم جدا یا یکی می‌شوند، نوع سیستم زمین را تعیین می‌کند: TN-S، TN-C-S، TT و IT.

زمین حفاظتی (Protective Earthing – PE)

زمین حفاظتی یا PE، اتصال قسمت‌های هادیِ قابل لمس تجهیزات به شبکه حفاظتی تأسیسات است. هدف این اتصال آن است که در صورت خرابی عایق و برقدارشدن بدنه فلزی، مسیر مناسبی برای عبور جریان خطا ایجاد شود و وسیله حفاظتی بتواند مدار معیوب را در زمان لازم قطع کند.

عملکرد صحیح PE فقط به وجود یک سیم سبز و زرد یا پایین‌بودن مقاومت الکترود زمین وابسته نیست. پیوستگی هادی حفاظتی، امپدانس مسیر خطا، هم‌بندی، سطح مقطع هادی‌ها و هماهنگی با وسیله حفاظتی باید متناسب با نوع سیستم توزیع و شرایط پروژه بررسی شوند.

برای نمونه، بدنه فلزی تجهیزات کلاس حفاظتی I، تابلوهای برق و ماشین‌آلات صنعتی باید مطابق طراحی به هادی حفاظتی متصل شوند. این الزام را نباید بدون بررسی به همه وسایل الکتریکی تعمیم داد؛ زیرا برخی تجهیزات، مانند وسایل کلاس II، براساس عایق‌بندی مضاعف طراحی شده‌اند و اتصال PE ندارند.

مراجع اصلی مرتبط با حفاظت در برابر برق‌گرفتگی و هادی‌های حفاظتی در تأسیسات فشار ضعیف شامل IEC 60364-4-41 و IEC 60364-5-54 هستند.

هادی حفاظتی را از کجا بشناسیم؟

• رنگ: رنگ سبز و زرد فقط برای هادی حفاظتی PE و هادی PEN است و برای هیچ هادی دیگری به کار نمی‌رود. سیم ارت سبز و زرد مسی را برای همین کار عرضه می‌کنیم.
• سطح مقطع: طبق IEC 60364-5-54، اگر هادی PE هم‌جنس فاز باشد، برای فاز تا ۱۶ میلی‌متر مربع هم‌اندازهٔ فاز، برای فاز ۱۶ تا ۳۵ میلی‌متر مربع دست‌کم ۱۶ و برای فاز بزرگ‌تر از ۳۵ دست‌کم نصف سطح مقطع فاز است. اندازهٔ نهایی را جریان اتصال کوتاه و زمان قطع وسیلهٔ حفاظتی تعیین می‌کند.
• نماد: ترمینال زمین حفاظتی با نماد زمین داخل دایره (IEC 60417-5019) و ترمینال زمین عملکردی با نماد زمین بدون دایره (IEC 60417-5018) مشخص می‌شود.

زمین عملکردی (Functional Earthing – FE)

زمین عملکردی یا FE، اتصالی است که برای عملکرد صحیح یک تجهیز یا سامانه موردنیاز است و هدف اصلی آن حفاظت در برابر برق‌گرفتگی نیست. این اتصال می‌تواند برای ایجاد مرجع ولتاژ، کاهش نویز، کنترل تداخل الکترومغناطیسی و بهبود عملکرد سامانه‌های الکترونیکی، ابزار دقیق، کنترل صنعتی، مخابرات و مراکز داده استفاده شود.

ممکن است یک تجهیز علاوه بر ترمینال FE، به اتصال PE نیز نیاز داشته باشد. در چنین حالتی FE هرگز جایگزین هادی حفاظتی نیست و نباید برای رفع نویز، اتصال PE قطع یا حذف شود.

اتصال نقطه خنثی ترانسفورماتور یا ژنراتور به زمین، بخشی از آرایش اتصال زمین سیستم توزیع است و نباید در همه موارد با FE یکسان تلقی شود. طراحی هر اتصال باید براساس وظیفه واقعی آن، نوع شبکه و الزامات سازنده انجام گیرد.

از منابع مرتبط با ارتینگ و کابل‌کشی برای سازگاری الکترومغناطیسی می‌توان به IEC TR 61000-5-2 و، در تأسیسات مخابراتی و فناوری اطلاعات، EN 50310 اشاره کرد.

تفاوت زمین حفاظتی و زمین عملکردی در یک نگاه

زمین حفاظتی (PE) مستقیماً با ایمنی افراد و تأسیسات ارتباط دارد. بدنه‌های فلزی قابل لمس تجهیزات به هادی حفاظتی متصل می‌شوند تا در صورت وقوع خطا، مسیری با امپدانس مناسب برای عبور جریان خطا ایجاد شود و وسیله حفاظتی مانند فیوز یا کلید حفاظتی بتواند مدار را در زمان لازم قطع کند.

زمین عملکردی (FE) با هدف تأمین عملکرد صحیح تجهیزات ایجاد می‌شود. این اتصال می‌تواند برای تثبیت مرجع ولتاژ، کاهش نویز، بهبود یکپارچگی سیگنال و کنترل تداخل الکترومغناطیسی در تجهیزات الکترونیکی، ابزار دقیق، سامانه‌های کنترل، مخابرات و مراکز داده استفاده شود.

مرز این دو در استاندارد ساده است: اگر اتصال زمین عملکردی قطع شود، حفاظت افراد از بین نمی‌رود؛ اما اگر اتصال زمین حفاظتی قطع شود، حفاظت از بین می‌رود.

مهم‌ترین تفاوت‌های PE و FE عبارت‌اند از:

• هدف اصلی PE حفاظت در برابر برق‌گرفتگی، آتش‌سوزی و پیامدهای خطای الکتریکی است؛ هدف FE پایداری عملکرد و کاهش اختلالات الکترومغناطیسی است.
• PE بخشی از تمهیدات ایمنی تأسیسات محسوب می‌شود و نباید برای رفع نویز قطع یا حذف شود؛ FE نیز هرگز جایگزین اتصال حفاظتی تجهیزات نیست.
• جریان عبوری از PE عمدتاً در شرایط خطا اهمیت پیدا می‌کند؛ در FE ممکن است جریان‌های کوچک عملکردی، نویز یا مؤلفه‌های فرکانس بالا وجود داشته باشد.
• مسیر PE باید پیوسته، قابل‌اعتماد و متناسب با جریان خطای احتمالی طراحی شود؛ مسیر FE علاوه بر پیوستگی الکتریکی، باید از نظر طول، آرایش، امپدانس فرکانس بالا و احتمال ایجاد حلقه‌های ناخواسته نیز بررسی شود.
• در بعضی تأسیسات، PE و FE به یک شبکه هم‌بندی و زمین مشترک متصل می‌شوند؛ اما نحوه اتصال باید براساس طراحی مهندسی، نوع سیستم توزیع، الزامات سازنده تجهیزات و ملاحظات سازگاری الکترومغناطیسی تعیین شود.

آیا زمین حفاظتی و زمین عملکردی باید از یکدیگر جدا باشند؟

برای این پرسش یک پاسخ یکسان برای همه پروژه‌ها وجود ندارد. زمین حفاظتی و زمین عملکردی وظایف متفاوتی دارند، اما ممکن است براساس معماری تأسیسات، نوع تجهیزات و طرح هم‌بندی در نقاط مشخصی به یک شبکه مشترک متصل شوند.

ایجاد دو سیستم زمین کاملاً مستقل و بدون بررسی اختلاف پتانسیل میان آن‌ها می‌تواند خطرناک باشد. اگر بدنه یک تجهیز به PE و مدار یا شیلد آن به FE متصل باشد، اختلاف پتانسیل میان دو شبکه ممکن است باعث عبور جریان ناخواسته، ایجاد نویز، آسیب به تجهیزات یا افزایش ولتاژ تماس شود. آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱) هم می‌خواهد «ارت تمیز» به زمین حفاظتی وصل شود. شاخه‌ها می‌توانند هادی جداگانه داشته باشند، اما همه در شینهٔ اصلی ارت به هم می‌رسند؛ مثلاً شینهٔ ارت با لینک قطع‌کن که امکان جدا کردن موقت برای اندازه‌گیری را هم می‌دهد. جزئیات بیشتر را در مقالهٔ اتصال زمین و انواع آن آورده‌ایم.

در طراحی صحیح باید الزامات ایمنی PE همیشه در اولویت قرار گیرد. مسیر FE می‌تواند متناسب با نیاز تجهیز و الزامات سازگاری الکترومغناطیسی طراحی شود، اما نباید پیوستگی هادی حفاظتی را مختل کند یا جایگزین آن شود. محل و روش اتصال دو شبکه نیز باید در نقشه‌های اجرایی مشخص و پس از نصب آزمایش شود.

دو مثال: خانه و مرکز داده

ساختمان مسکونی

در پست برق محله، نقطهٔ ستارهٔ ترانسفورماتور به زمین وصل است (زمین الکتریکی). در خانه، بدنهٔ فلزی یخچال، ماشین لباسشویی و کولر از راه سیم سبز و زرد پریز به هادی حفاظتی وصل است (زمین حفاظتی). اگر فاز به بدنهٔ ماشین لباسشویی وصل شود، جریان خطا از هادی حفاظتی برمی‌گردد و کلید یا فیوز مدار را قطع می‌کند؛ کلید جریان باقی‌مانده (RCD) هم حفاظت را بیشتر می‌کند. هادی حفاظتی خانه هم به الکترود زمین ساختمان، مثلاً میلهٔ ارت کاپربند در چاهک بازدید پلی‌اتیلنی، و به هم‌بندی لوله‌ها و اسکلت فلزی وصل می‌شود.

مرکز داده و اتاق سرور

بدنهٔ رک‌ها، تابلوها و UPS به زمین حفاظتی وصل‌اند تا افراد در برابر برق‌گرفتگی ایمن باشند. در کنار آن، شینهٔ زمین هر رک و شیلد کابل‌های داده مرجع مشترکی برای تجهیزات می‌سازند (زمین عملکردی) تا نویز و تداخل کم شود. همهٔ این شاخه‌ها به یک شبکهٔ هم‌بندی و یک شینهٔ اصلی می‌رسند؛ آیین‌نامهٔ ۱۴۰۱ برای محل‌هایی که تجهیزات فناوری اطلاعات زیاد دارند، سیستم TN-S را می‌خواهد. برای حفاظت تجهیزات در برابر اضافه‌ولتاژ هم ارستر برق و ارستر خطوط داده لازم است (انواع ارستر).

اصول مهم در طراحی PE و FE

• ابتدا نوع سیستم توزیع و آرایش اتصال زمین، مانند TN، TT یا IT، مشخص شود؛ زیرا نحوه عبور جریان خطا و عملکرد وسایل حفاظتی به آن وابسته است.
• سطح مقطع، جنس، مسیر و اتصالات هادی حفاظتی باید برای جریان خطای احتمالی و زمان قطع وسیله حفاظتی مناسب باشد.
• تمام قسمت‌های هادی قابل لمس و اجزای فلزی مؤثر، مطابق طرح هم‌بندی حفاظتی به شبکه PE متصل شوند.
• در طراحی FE فقط مقاومت الکتریکی در فرکانس پایین ملاک نیست؛ طول مسیر، اندوکتانس، سطح تماس، نحوه کابل‌کشی و امپدانس در فرکانس‌های بالا نیز اهمیت دارند.
• مسیرهای FE و شیلدها باید مطابق دستورالعمل سازنده تجهیزات و طرح سازگاری الکترومغناطیسی اجرا شوند؛ اتصال بدون طرح ممکن است حلقه‌های ناخواسته و نویز ایجاد کند.
• اتصالات باید در برابر خوردگی، شل‌شدن و آسیب مکانیکی محافظت شوند و امکان بازرسی و آزمون دوره‌ای آن‌ها وجود داشته باشد؛ بست‌های ارت استاندارد و جوش احتراقی اتصال پایدار می‌سازند.
• نقشه‌های چون‌ساخت، برچسب‌گذاری هادی‌ها، نتایج اندازه‌گیری و نقاط اتصال PE و FE باید مستند و نگهداری شوند.

کاربردهای متداول زمین حفاظتی و زمین عملکردی

زمین حفاظتی در تابلوهای برق، ماشین‌آلات صنعتی، تجهیزات دارای بدنه فلزی، سینی و نردبان کابل، الکتروموتورها، ترانسفورماتورها، سامانه‌های توزیع و سایر قسمت‌هایی استفاده می‌شود که در صورت خرابی عایق ممکن است در دسترس افراد قرار گیرند.

زمین عملکردی بیشتر در سامانه‌های ابزار دقیق، PLC و کنترل صنعتی، تجهیزات مخابراتی، مراکز داده، شبکه‌های رایانه‌ای، منابع تغذیه بدون وقفه، درایوهای کنترل دور موتور، تجهیزات اندازه‌گیری و سامانه‌های صوتی و تصویری حساس کاربرد دارد.

در تأسیسات پیچیده، طراحی PE و FE باید همراه با هم‌بندی، حفاظت در برابر صاعقه، تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ گذرا و مسیر کابل‌ها بررسی شود. تصمیم‌گیری جداگانه درباره هرکدام از این بخش‌ها ممکن است عملکرد کل سامانه را مختل کند.

اشتباهات رایج در اجرای PE و FE

• درنظرگرفتن عدد مقاومت زمین به‌عنوان تنها معیار کیفیت سیستم؛ درحالی‌که پیوستگی مسیر، امپدانس حلقه خطا، هم‌بندی و زمان عملکرد وسیله حفاظتی نیز اهمیت دارند. اگر مقاومت الکترود در خاک پرمقاومت بالا است، مادهٔ کاهندهٔ GIM کمک می‌کند، اما بقیهٔ این موارد هم باید درست باشند.
• استفاده از FE به‌جای PE یا قطع‌کردن هادی حفاظتی برای برطرف‌کردن نویز؛ این اقدام می‌تواند ایمنی افراد را به خطر بیندازد.
• اتصال‌دادن نول و PE در نقاط متعدد و خارج از محل‌های مجاز طرح؛ این کار می‌تواند جریان‌های ناخواسته را روی هادی حفاظتی و اجزای فلزی جاری کند.
• ایجاد چند نقطه اتصال زمین بدون نقشه و تحلیل مسیر جریان؛ نتیجه ممکن است تشکیل حلقه، افزایش نویز یا ایجاد اختلاف پتانسیل باشد.
• استفاده از هادی‌های بلند و باریک برای مسیرهای حساس به فرکانس بالا؛ چنین مسیری ممکن است مقاومت کمی داشته باشد اما در برابر نویز فرکانس بالا امپدانس مناسبی نداشته باشد.
• بی‌توجهی به خوردگی اتصالات، اتصال فلزات ناهمجنس، شل‌شدن بست‌ها و آسیب‌های مکانیکی.
• اجرا بدون هماهنگی با دستورالعمل سازنده تجهیزات، نقشه‌های برق، طرح حفاظت در برابر صاعقه و جانمایی تجهیزات حفاظت در برابر اضافه‌ولتاژ.
• تحویل سیستم بدون آزمون، ثبت نتایج اندازه‌گیری، برچسب‌گذاری و نقشه چون‌ساخت.

استانداردهای مرتبط با زمین حفاظتی و زمین عملکردی

طراحی و اجرای سیستم ارتینگ باید براساس مقررات ملی، مشخصات فنی پروژه، دستورالعمل سازندگان تجهیزات و استانداردهای معتبر انجام شود. از مهم‌ترین منابع بین‌المللی مرتبط می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• IEC 60364-4-41: الزامات حفاظت در برابر برق‌گرفتگی و تدابیر حفاظتی در تأسیسات الکتریکی فشار ضعیف.
• IEC 60364-5-54: الزامات مربوط به آرایش‌های اتصال زمین، هادی‌های حفاظتی و هادی‌های هم‌بندی حفاظتی.
• IEC TR 61000-5-2: راهنمای ارتینگ و کابل‌کشی با هدف بهبود سازگاری الکترومغناطیسی تجهیزات و سامانه‌ها.
• IEC 60050-195: تعریف رسمی زمین حفاظتی، زمین عملکردی و زمین سیستم.
• در ایران: آیین‌نامهٔ ایمنی سامانهٔ اتصال زمین (۱۴۰۱) که برای کارگاه‌های مشمول قانون کار لازم‌الاجراست، و مبحث ۱۳ مقررات ملی ساختمان.

انتخاب و به‌کارگیری هر استاندارد باید متناسب با نوع تأسیسات، ولتاژ، شرایط محیطی، سیستم توزیع، الزامات قانونی محل پروژه و ویرایش معتبر سند انجام شود. ذکر یک استاندارد به‌تنهایی جایگزین طراحی، محاسبه، بازرسی و آزمون مهندسی نیست.

آزمون و نگهداری سیستم ارتینگ

عملکرد سیستم ارتینگ فقط با مشاهده ظاهری یا اندازه‌گیری یک عدد مقاومت زمین تأیید نمی‌شود. دامنه آزمون‌ها باید متناسب با نوع تأسیسات و طرح حفاظتی تعیین شود و می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

• بازرسی مسیرها، اتصالات، علائم شناسایی و حفاظت مکانیکی هادی‌ها.
• آزمون پیوستگی هادی‌های حفاظتی و هم‌بندی.
• اندازه‌گیری مقاومت الکترود زمین، در مواردی که برای طرح مربوط است (روش اندازه‌گیری و مقادیر رایج).
• بررسی امپدانس حلقه خطا و هماهنگی آن با وسیله حفاظتی.
• آزمون عملکرد کلیدهای جریان باقی‌مانده، در صورت استفاده.
• کنترل اتصالات FE، شیلدها و هم‌بندی از نظر الزامات عملکردی و سازگاری الکترومغناطیسی.
• ثبت نتایج، مقایسه با مقادیر مرجع و تکرار آزمون‌ها در دوره‌های متناسب با شرایط بهره‌برداری.

آزمون و اندازه‌گیری سیستم زمین، طراحی سیستم ارت و هم‌بندی و اجرای ارت، صاعقه‌گیر و SPD را هم انجام می‌دهیم.

جمع‌بندی

زمین حفاظتی (PE) و زمین عملکردی (FE) دو مفهوم متفاوت اما مرتبط‌اند. PE بخشی اساسی از حفاظت در برابر برق‌گرفتگی و پیامدهای خطای الکتریکی است؛ درحالی‌که FE برای عملکرد صحیح تجهیزات، ایجاد مرجع مناسب و کنترل اختلالات الکترومغناطیسی به‌کار می‌رود. زمین الکتریکی، یعنی زمین نقطهٔ نول ترانسفورماتور، هم بخشی از آرایش زمین شبکه است و هر دو نقش را دارد.

هیچ‌یک جایگزین دیگری نیست. یک سیستم موفق باید ایمنی، هم‌بندی، مسیر جریان خطا، سازگاری الکترومغناطیسی، حفاظت در برابر صاعقه و اضافه‌ولتاژ، شرایط محیطی و نیازهای تجهیزات را در قالب یک طرح هماهنگ بررسی کند. طراحی، اجرا و آزمون این سیستم نیز باید توسط افراد دارای صلاحیت و براساس الزامات پروژه انجام شود. برای مشاوره و استعلام تجهیزات ارتینگ، از صفحهٔ تماس با ما با کارشناسان ما در تماس باشید.