• 09124470385

اصول ارت­

اصول ارت­

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 زمین­ كردن

   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 .

– زمین­كردن

   در  تاسیسات برقی دو نوع زمین كردن وجود دارد كه در این بخش، به توضیح هر كدام می­پردازیم.

2-1-1- زمین حفاظتی

   عبارت است از زمین كردن كلیه قطعات فلزی تاسیسات الكتریكی كه در ارتباط مستقیم با مدارات الكتریكی قرار دارند. این زمین برای حفاظت اشخاص در مقابل اختلاف سطح تماس در هنگام خطا بكار برده می شود. بدین منظور در پست­های فشار قوی قرار گرفته اند. شامل قسمت­های فلزی در دسترس، پایه­های فلزی، درب­ها، نرده­ها و تمامی دستگاه­های اندازه گیری می باشد.

   خطاهای ناشی از جریان برق به سه دسته تقسیم می­شوند :

1-    اتصال بدنه : اتصال یك هادی با یك فاز حامل جریان برق به بدنه دستگاه كه نباید برق دار شود.

2-   اتصال كوتاه : اتصال دو فاز یا دو سیم لخت حامل جریان برق یا یك فاز یا نول كه با هم اختلاف پتانسیل دارند.

3-  اتصال زمین : اتصال یك فاز یا هادی جریان به زمین را اتصال زمین گویند.

   برای انتخاب مناسب زمین حفاظتی ( از لحاظ قطر سیم­ها، نوع فیوزها و بی متال­ها و… )، پارامترهای زیر باید در نظر گرفته شود :

·        ماكزیمم جریان خطای طبیعی : اگر چه ماكزیمم جریان خطای طبیعی به ندرت محاسبه می شود، ولی از سیستم ژنراتور ، الگوی بار و امپدانس خطا ناشی می شود.

·        مدت زمان خطا

در بحث زمین حفاظتی، چند تعریف وجود دارند كه در این بخش به توضیج آن­ها می­پردازیم.

2-1-1-1- برق گرفتگی

    زمین حفاظتی برای جلوگیری از برق گرفتگی در تاسیسات لازم است. معمولاَ حداکثر جریان متناوب را که هیچگونه تخریبی در بدن انسان ایجاد نکند، 30 میلی آمپر در مدت 20 میلی ثانیه استاندارد نموده­اند. برق گرفتگی در ولتاژهای متوسط و فشارقوی غیر قابل علاج می­باشد، زیرا که قوس­های الکتریکی درجه حرارتی بیش از چند هزار درجه تولید می­کنند که در اثر آن تمام عضلات، سلول­ها، ماهیچه­ها و استخوان­ها را سوزانده و از بین می برند. به همین خاطر هرگز نباید به سیم­های هوایی نزدیک شد. زیرا که فشار و اختلاف سطح ولتاژ  این وسایل به قدری زیاد است که می­تواند از فاصله دور، قوس الکتریکی را مانند صاعقه از طریق هوا ایجاد نموده و خطرات ناگواری را برای انسان و حیوان به همراه بیاورند که باعث مرگ حتمی خواهد شد. با نصب رله های حفاظتی[1] می­توان تا حدودی از خطرات برق گرفتگی جلوگیری كرد. این رله­ها دارای یك ترانسفورماتور جریان بسیار حساس بوده كه قادر است اختلاف جریان نشتی خیلی كم را سنجیده، ولتاژ را قطع كند. جریان عبوری از بدن انسان در اثر برق­گرفتگی، بصورت رابطه زیر نشان داده می­شود :

                                      (2-1)

2-1-1-2- ولتاژ گام

   ولتاژی است كه هنگام اتصال كوتاه بین دو پای انسان كه در محوطه پست قرار دارد ایجاد می شود و مقدار آن توسط رابطه زیر بدست می­آید :

                (2-2)

RF : مقاومت زمین وپای انسان

 RK: مقاومت بدن انسان

IK : جریان عبوری از بدن انسان

 

2-1-1-3- اختلاف سطح تماس

   ولتاژی است كه بین دست و پا و یا بین دو دست در هنگام تماس با تجهیزات در اثر بروز عیب به طریقی دارای ولتاژ شده اند ایجاد می­گردد . برای بدست آوردن مقدار اختلاف سطح تماس، از رابطه صفحه بعد استفاده می­شود‌:

       (2-3)

   شكل 2-1، مفاهیم فوق را بصورت شماتیك نشان می­دهد.

 

شكل2- 1 : مفاهیم مربوط به زمین حفاظتی.

 

2-1-2- زمین كردن الكتریكی 

   عبارت است از زمین كردن نقطه­ای از دستگاه­های الكتریكی و ادوات برقی كه جزیی از مدارات الكتریكی می­باشد. مثل زمین­كردن مركز ستاره سیم­پیچی ترانسفورماتور یا ژنراتور و یا زمین­كردن سیم واسط یا سیم مشترك دو ژنراتور. زمین­كردن الكتریكی دستگاه­ها بخاطر كار صحیح دستگاه­ها و جلوگیری از ازدیاد فشار الكتریكی فاز سالم نسبت به زمین در موقع تماس یكی از فازها با زمین می باشد . زمین كردن الكتریكی به سه روش انجام می­گیرد كه عبارتند از :

·        زمین كردن مستقیم

·        زمین كردن غیر مستقیم ( اتصال صفر ژنراتور توسط مقاومت ، سلف)

·        زمین كردن بار( الكترود جرقه گیر )

 

2-2- مقاومت زمین

   زمین به دلیل بزرگی بدنه برای جریان به داخل خود می­تواند بصورت نامحدود عمل كند. در نتیجه می­تواند مقاومت خیلی كمی از خود نشان دهد. در حالیكه مقاومت لایه های خاك در مجاورت الكترود می تواند زیاد باشد.

   خاك مقاومت معینی دارد كه به وسیله مقاومت ویژه خودش تعیین می­شود و تغییراتش به لایه­های خاك، رطوبت خاك، رسانایی نمك­های موجود در خاك و به دمای خاك وابسته است. مقاومت ویژه زمین، عبارت است مقاومت مكعبی از خاك  به ابعاد 1m مقاومت ویژه آن خاك گویند. مقاومت خاك  از رابطه زیر بدست می آید.

              (2-4)

   در رابطه فوق، داریم :

R   : مقاومت بین وجه P و Q بر حسب اهم

A   سطح مقطع وجه P و Q (m2)

L  : طول نمونه خاك بر حسب متر

 :  : مقاومت ویژه خاك

   شكل 2-2، نشان دهنده پارامترهای مربوطه می­باشد.

 

شكل2- 2 : پارامترهای مربوط به اندازه¬گیری مقاومت زمین.

   مقاومت وی‍ژه، به جنس زمین بستگی دارد. در جدول 2-1، مقاومت ویژه مربوط به انواع مختلف زمین نشان داده شده است.

جدول 2- 1 : مقاومت ویژه مربوط به انواع مختلف زمین.

 

نوع زمین

مقاومت ویژه زمین

1

مرداب وزمین باتلاقی

30  اهم- متر

2

خاك رس و زمین زراعی

100  اهم- متر

3

ماسه نرم مرطوب

200  اهم- متر

4

شن وسنگریزه مرطوب

500  اهم- متر

5

سنگریزه یا ماسه یا شن خشك

1000  اهم- متر

6

زمین سنگلاخی

3000  اهم- متر

7

زمین  سخره ای

10000  اهم- متر

مقاومت ویژه خاك برای لایه های مختلف خاك به مقدار هر یك از پارامترهای زیر بستگی دارد :

1-    رسانایی نمكهای موجود

2-    رطوبت خاك

3-    دمای خاك

4-    سطح فشردگی خاك

 

2-2-1- نمك­های موجود در خاك

   نمك­هایی كه به طور طبیعی در خاك موجود است، می­تواند باعث كاهش رسانایی شود. كلریدها، نیترات­ها، سولفات سودیم، پتاسیم، منیزیم و كلسیم معمولا به عنوان افزودنی استفاده می­شوند. به هر حال افزودن اینگونه نمك­ها می­تواند باعث خوردگی شود. بخصوص حضور سولفات كلسیم در خاك در موقعیت الكترود زیان آور است.

2-2-2- رطوبت

   رطوبت  ذاتا برای رسانایی خاك مفید است. در فصول مختلف سال رطوبت خاك تغییر می­كند. بنابراین به خاك­هایی كه مقاومت ویژه آن زیاد است، رطوبت به محل الكترود اضافه می شود. همچنین رطوبت در سطح زمین در طول زمان ممكن است تبخیر شود و مقدار آن تغییر كند كه این عیب بزرگی است.

درنتیجه در طراح الكترود زمین باید دقت شود. در جدول 2-2، مقدار مقاومت خاك­های مختلف با توجه به میزان درصد رطوبت موجود در آن­ها نشان داده شده است.

2-2-3- دما

   دما نیز در مقاومت ویژه خاك تاثیر دارد. اما  مقاومت ویژه خاك در دمای صفر درجه شیب تندی دارد. جدول 2-3، مقدار مقاومت ویژه را بر حسب تغییرات دما نشان می­دهد.

2-2-4- سطح فشردگی خاك 

   خاك سست در مقایسه با خاك فشرده، مقاومتش خیلی بیشتر است. خاك پرسنگ مقاومت ویژه بالایی دارد. یك روش كاهش مقاومت خاك اطراف الكترود بتن خاك روسی است كه توانایی نگه داری

 آب را دارد.

جدول 2- 2 : مقاومت خاك های مختلف با توجه به میزان درصد رطوبت موجود.

خاك رس

خاك ماسه­ای نرم

خاك سطحی

درصد رطوبت

***

***

***

***

***

1800

550

200

140

100

90

80

1850

600

380

280

220

170

140

120

100

90

80

70

 

***

***

1350

900

600

360

250

200

150

120

100

100

 

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

 

جدول 2- 3 : تغییرات مقاومت ویژه با توجه به تغییرات دما.

مقاومت ویژه

دما

700

300

100

80

70

60

50

40

 

-5

0

0

10

20

30

40

50

   

2-3- الكترودهای زمین و انواع مختلف آن

   الكترود زمین عبارت است از هادی یا فلزی به هر شكل(صفحه ای ، لوله ای، طنابی ، نواری و…)

 كه در زمین دفن می شود و با زمین ارتباط بر قرار می كند. در این قسمت، هدف ما طراحی سیستم الكترود زمین و موارد استفاده از آن می­باشد. سیستم زمین­كردن الكترود به محل كاربرد آن بستگی دارد.ولی اهداف به هر حال مشترك است و آن كم كردن مقاومت الكترود با توده خاك می­باشد. مقاومت الكترود زمین به عوامل زیر بستگی دارد :

1-    مقاومت جنس الكترود

2-    ارتباط مقاومتی الكترود با خاك

3-    مقاومت خود خاك

   الكترود زمین، دارای انواع مختلفی است كه در این بخش به توضیح هر كدام از آن­ها می­پردازیم.

2-3-1- الكترود زمین میله­ای

   میل زمین در یك تقسیم بندی كلی شامل میل افقی و میل عمودی می شود كه در زیر در هر موردی مطالبی  آورده شده است.

2-3-1-1- میل افقی یا سطحی

   میل افقی از یك یا چند مفتول ، تسمه و یا طناب مسی یا فولادی روی اندود تشكیل یافته كه در عمق كم زمین (حدود 5/0 الی 1 متر) چال می شود. لازم به ذكر است كه تركیب این دو نوع میل نیز بلامانع است. عموما در زمین­هایی كه مقاومت مخصوص آن زیاد است از این نوع میل زمین استفاده می­گردد. همچنین در مواردی ممكن است امكان اجرای میل عمودی نباشد. مانند كوهستان و زمین با خاك رس و یا در مكانی كه بلافاصله به آب برسیم كه در این حالت نیز میل افقی اجرا می شود.

   میل افقی به اشكال مختلف خطی ، اشعه ای (پنجه ای) ،كمربدی ، غربالی و …  می­باشد كه در شكل 2-3 نشان داده شده است.

   مقاومت گسترده میل افقی سطحی، بوسیله رابطه زیر محاسبه می­شود :

                  (2-5)

L : طول میل بر متر

d : قطر میل بر حسب متر

شكل2- 3  :  انواع مختلف میل افقی یا سطحی

   میل های سطحی بهتر است كاملا صاف و افقی در زمین قرار گیرند. در صورتی كه میل دارای انشعاب­هایی باشد، باید بخاطر اثر متقابل اشعه­ها بر یكدیگر، زاویه اشعه­ها بر یكدیگر  از 60 درجه كمتر نباشد.

   در جاهایی كه از 4 اشعه با زاویه 90 درجه مطابق شكل 2-4 استفاده می كنند، مقاومت گسترده برابر است با :

     (2-6)

                                                                                                                                                  

شكل2- 4 :  انواع مختلف میل افقی یا سطحی

   اگر از میل غربالی یا توری استفاده شود، بهتر است عرض توری حداقل برابر نصف طول باشد. نمونه­ای از میل غربالی در شكل 2-5 نشان داده شده است.

شكل2- 5 : میل غربالی

برای میل­های گسترده، مقاومت گسترده از طریق رابطه زیر بدست می­آید :

  (2-7)         

 

2-3-1-2- میل عمودی

·        راد[2] : میله، لوله و یا هر پروفیل دیگری كه عمودی در خاك كوبیده شود را Rod گویند.

نكاتی درمورد رادها

·        جهت برآورد طول و قطر راد همچنین تعداد و فواصل آنها می توان از جدول استفاده كرد فاصله

راد ها از یكدیگر باید حداقل دو برابر طول راد باشد.

·        در نهایت همه رادها را با سیم مسی ٧ لا و سطح مقطع ٥٠ میلیمتر مربع به یكدیگر جوش دادن  از پیچاندن سیم به دور رادها باید پرهیز نمود.

·        رادها بایستی یكپارچه و بدون هر نوع  جوش و سالم بوده و در زمان نصب هیچگونه خراش زنگ­زدگی، خمیدگی و فرو رفتگی نداشته باشد.

·        بهتر است راد كوبی را بر محیط یك دایره یا یك بیضی كه سایت و اتاق تجهیزات را محیط كرده

 اجرا و سپس آنها را توسط كابل ذكر شده در فوق به صورت رینگی به هم متصل كرد.

   روابط مربوط به محاسبه مقاومت گسترده رادها، با توجه به تعداد میله­ها و شرایط مختلف، متفاوت می­باشد. در این بخش، حالت­های مختلف توضیح داده شده است.

1- الكترود تك میله ای یا تك لوله­ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد. شكل 2-6، این حالت را بیان می­كند.

    (2-8)

                                                                                    

شكل2- 6 : الكترود تك میله ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد.

شكل 2-6 : الكترود تك میله­ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد.

2- الكترود تك میله ای یا تك لوله­ای كه انتهای آن در زیر زمین قرار دارد. شكل 2-7، نشان دهنده

این حالت است.

           (2-9)     

                                     

شكل2- 7 : الكترود تك میله ای كه انتهای آن در زیر زمین قرار دارد.

3- الكترود دو میله ای یا دو لوله­ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد و فاصله بین آن دو بیشتر از طول الكترد باشد. شكل 2-8، نشان دهنده این حالت است.

      (2-10)

شكل2- 8 : الكترود دو میله ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد.

4- الكترود دو میله ای یا دو لوله­ای كه انتهای آن در سطح زمین قرار دارد و فاصله بین آن دو كمتر از طول الكترود باشد. شكل 2-9، نشان دهنده این حالت است.

    (2-11)

 

شكل2- 9 : الكترود دو میله ای كه انتهای آن در زیر زمین قرار دارد.

   در صورتی كه با استفاده یك راد زمین به مقاومت مورد نظر بدست نیاید از چندین راد برای كاهش مقاومت استفاده می شود. رابطه بین مقاومت گسترده و تعداد رادهای بكار برده شده از طریق رابطه زیر بدست می­آید.

   (2-12)

 در رابطه فوق، F  ضریب تعداد رادها كه مقادیر مربوط به آن، در جدول 2-4 نشان داده شده است.

جدول 2- 4 : مقادیر مربوط به F.

F

N

1.16

1.29

1.36

1.68

1.8

1.92

2

2.16

2

3

4

8

12

16

20

24

 

2-3-2- الكترود صفحه­ای

   یكی از انواع مختلف الكترودها كه برای زمین كردن به كار برده می­شود، الكترود صفحه­ای است كه معمولا از جنس مس ساخته می­شوند. صفحات مسی كه به عنوان الكترود صفحه­ای بكار برده می­شوند، دارای مشخصاتی می­باشند كه عبارتند از :

·        صفحه از جنس مس و به صورت یكپارچه می­باشد كه در عمق زمین دفن می­گردد و جریان الكتریكی را به زمین منتقل می كند .

·        باید صفحه از جنس مس با درجه خلوص بالا باشد.

·        ابعاد صفحه حداقل  500 * 500* ٥  میلیمتر می باشد.

·        صفحه به صورت عمودی در داخل چاه قرار گیرد.

·        سیم مسی دارای ٧ لایه و سطح مقطع ٥٠ میلیمتر مربع با صفحه مسی  جوش اكسیژنه داده شود.

·        بهترین زمان اجرای سیستم زمین عمودی زمانی است كه آبهای زیر زمینی به پایین­ترین سطح رسیده است.

·        عمق چاه نباید كمتر از سه متر باشد. جهت برآورد عمق چاه و محل نصب صفحه می توان از جداول مربوطه استفاده كرد.

·        چاه باید به نم دائمی زمین برسد.

·        در نقاطی كه با اجرای یك چاه به اهم مطلوب نمی رسیم می توان چاه دیگری را

با فاصلة مناسب اجرا كرد و یا از روش افقی استفاده نمود.

   الكترود صفحه­ای معمولا به شكل دایره یا مربع ساخته و بكار برده می­شود. مقاومت گسترده مربوط به هر كدام از این حالات در این قسمت توضیح داده می­شود :

1-    الكترود صفحه  مربعی : این الكترود یك صفحه مربعی است كه مطابق شكل 2-10 به

 صورت عمودی در خاك نصب شده است.

   (2-13)

 

شكل2- 10 : الكترود صفحه مربعی.

2- الكترود صفحه دایره ای : این الكترود یك صفحه دایره ای است كه مطابق شكل 2-11 به صورت عمودی در خاك نصب شده است.

     (2-14)

 

شكل2- 11 : الكترود صفحه دایره ای

 

2-3-3- الكترود نیم كره

   این نوع الكترود به دو صورت می­توانند نصب شوند. مقاومت گسترده مربوط به هر كدام از حالت­ها در این بخش آورده شده است.

 1- الكترود نیم كره كه مطابق شكل2-12، همسطح با زمین نصب شده است. مقاومت گسترده آن،‌ بوسیله رابطه زیر بدست می­آید :

    (2-15)

شكل2- 12 : الكترود نیم كره هم سطح با زمین.

 

2- الكترود نیم كره كه مطابق شكل2-13، پایین تر ازسطح زمین نصب می­شود.

   (2-16)

شكل2- 13 : الكترود نیم كره دفن شده در زیر زمین.

 

2-3-4- الكترود تسمه ای

   این نوع الكترود نیز به دو صورت می­توانند نصب شوند.

 مقاومت گسترده مربوط به هر كدام از حالت­ها در این بخش آورده شده است.

1- الكترود تسمه­ای كه مطابق شكل2-14، همسطح با زمین نصب شده است. مقاومت گسترده آن،‌ بوسیله رابطه زیر بدست می­آید :

  (2-17)

شكل2- 14 : الكترود تسمه ای هم سطح با زمین

 

2- الكترود تسمه­ای كه مطابق شكل2-15، پایین تر ازسطح زمین نصب می­شود.

      (2-18)

 

شكل2- 15 : الكترود تسمه ای دفن شده در زیر زمین.

 

2-3-5- الكترود سیمی

   این الكترود، معمولا به شكل حلقه مورد استفاده می­شود. این نوع الكترود نیز به دو صورت می­توانند نصب شوند. مقاومت گسترده مربوط به هر كدام از حالت­ها در این بخش آورده شده است.

1- الكترود سیمی كه مطابق شكل2-16، همسطح با زمین نصب شده است. مقاومت گسترده آن،‌ بوسیله رابطه زیر بدست می­آید :

    (2-19)

 

شكل2- 16 : الكترود سیمی هم سطح با زمین.

2- الكترود سیمی كه مطابق شكل2-17، پایین تر از سطح زمین نصب می­شود.

    (2-20)

 

شكل2- 17 : الكترود سیمی دفن شده در زیر زمین.

2-4- استفاده از مواد الكترولیت در اجرای سیستم زمین

   در اجرای سیستم زمین لازم است مواد شیمیایی مناسبی در اطراف میل قرار گیرد تا علاوه بر اینكه سطح تماس میل را با زمین افزایش دهد، دارای مقاومت مخصوص پایین باشد. بنابراین برای انتخاب این مواد و اجرای آن باید موارد زیر را در نظر داشت :

·        مواد استفاده شده دارای مقاومت مخصوص كمی باشند.

·        جنس آن به گونه­ای باشد كه سطح تماس زیادی با میل زمین داشته باشد.

·        بر روی میل زمین اثر شیمیایی نداشته باشد.

·        ماندگاری آن در طول زمان و در اثر حركت آب­های زیر زمینی زیاد باشد.

·        هنگام اجرا به اندازة كافی فشرده گردد و یا در صورت لزوم بر روی آن آب ریخته شود تا علاوه بر نشست، سطح تماس بیشتری با میل زمین داشته باشد.

·        انواعی از این مواد مورد استفاده قرار می­گیرد كه بسیار سخت می­شوند. مانند Conducrete  و بنتوننت باعث می گردد ماندگاری آن بسیار زیاد باشد، كه این مطلوب است.

   مواد كم كننده مقاومت ویژه زمین عبارتند از :

–         بنتونیت در حدود 3 اهم -متر

–         سولفات مس

–         سولفات سدیم

–         سولفات منیزیم

–         مخلوط نمك – ذغال – خاك رس

2-5- مشخصات اتصالات

   در مورد  اتصالات، نكات زیر باید مورد توجه قرار گیرند

·        نوع جوش در سیستم حفاظت صاعقه الزاما و در سایر سیستمها ترجیحا از نوع احتراقی باشد.

·        در مواردی اتصال دو سیم به وسیلة پرس یا سایر جوش ها پذیرفته است.

·        طول ناحیة جوشكاری اتصال دو سیم به یكدیگر و یا سیم به صفحة مسی بیشتر از ٦ سانتیمتر باشد.

·        كلیه اتصالات در سیستم زمین با زاویه بیش از ١٢٠ درجه باشد.

·        برای جلوگیری از خوردگی، روی محل جوشكاری را با قیر سفت بپوشانید.

·        به منظور جلوگیری از تخریب لایة گالوانیزه، باید از هر گونه جوشكاری بر روی دكل پرهیز نمود.

2-6- مسایل مربوط به ایمنی

·        جهت بالابردن ایمنی افراد باید موارد زیر رعایت گردد.

·        بدنه تجهیزات و استراكچر ساختمان باید به صورت موازی به شین متصل گردند..

·        در مراكزی كه از قبل دارای سیستم زمین می باشند ضرورت دارد سیستم زمین جدید

 به سیستم زمین قدیم وصل گردد.

·        كلیة عملیات اجرائی باید طبق طرح انجام پذیرفته و هرگونه تغییرات احتمالی باید با

نظر كارشناس

           طراحی حل و فصل گردد.

·        در پایان كار اجرای سیستم زمین، و از آن پس بصورت دوره ای، باید مقاومت سیستم بوسیلة Megger و توسط افراد كارآزموده اندازه گیری كرد و اگر تغییرات قابل ملاحظه ای در مقاومت الكتریكی مشاهده شد ، نسبت به توسعة سیستم اتصال زمین یا احداث میلهای زمین جدید ، با هدف احراز مقاومت مورد نظر كمتر از ٣ اهم  برای سیستم اقدام كرد.

·        برای هر سیستم زمین اجرا شده باید یك پروندة مخصوص تشكیل شود و اندازه گیری های دورهای، با ذكر تاریخ دقیق، در آن ثبت شود . این پرونده باید دراختیار فرد، افراد یا تشكیلات بهره بردار از سیستم قرار گرفته و برای بازرسی در دسترس باشد.

 

2-7- ظرفیت جریان دهی الكترد

   وقتی جریان از الكترود به زمین جاری می­شود، گرما تولید شده و این امر، باعث تولید تلفات در لایه های زمین می­شود.

      (2-21)

: d      قطر راد

 : Lطول راد زیر خاك

: مقاومت ویژه

 T: زمان شار خطا بر حسب ثانیه

2-8- مشخصات فنی احداث چاه گراند و مراحل اجرایی آن

1-    حفر چاه در عمق لازم كه به رطوبت كافی برسد.

2-    ابتدا یك لایه نمك به ضخامت تقریبی 5cm ته چاه گسترده می شود.

3-    روی لایه نمك یك لایه پودر ذغال به ضخامت 1cm گسترده می شود.

4-    بر روی لایه ذغال یك لایه خاک رس نرم به ضخامت 5cm افزوده شده صفحه مسی قرار می گیرد.

5-    صفحه مسی در ابعاد مثلاً 50cm×50cm و ضخامت 4mm  توسط سیم مسی هفت لایه در قسمت فوقانی وسط صفحه با جوش کارپیت یا cad weld (انفجاری) به طول حداقل  10cmآماده می­شود.

اگر از این چاه گراند برای میله برق­گیر استفاده شود، دو رشته سیم هفت لایه جوشكاری می­شود كه یكی برای برقگیر و دیگری برای ساختمان در نظر گرفته می­شود. در صورت استفاده از یك چاه ارت برای هر دو مورد باید چاه ارت شرایط لازم از جمله مقدار اهم قابل قبول را دارا باشد. ولی بهتر است كه

مطابق شكل 2-18، برای هر كدام یك چاه گراند مجزا اجرا و در روی صفحه مسی پارالل و جوشكاری شود.

شكل2- 18  : طریقه موازی كردن ارت برق گیر و شین ارت

6-      صفحه مسی در وسط چاه بحالت قائم قرار می گیرد.

7-      روشهای متداول استفاده از مواد الكترولیت:

7-1- نسبت حجمی مخلوط نمك پودر ذغال و خاك رس به ترتیب  1، 5 و 45  به مقدار حداقل یك متر مكعب تهیه شده و همزمان با ریختن مخلوط درون چاه به مقدار لازم با آب اشباع می گردد و ضمن فشردگی مناسب تا 20cm روی صفحه را می­پوشانند. بهتر است لوله گالوانیزه یا فشار قوی به قطر 10cm وسط چاه با درپوش مناسب بصورت عمودی تعبیه شود و درون لوله با شن و ماسه پر شود كه در صورت لزوم و هر از چندگاه آب به سیسم ارت تزریق شود. بقیه عمق چاه با خاك­های مازاد پر می­شود.

7-2- مخلوط بنتونیت اكتیو با آب بحالت خمیری بمقدار حدود 150kg در هر چاه ارت استفاده می­شود. اكتیو بنتونیت یا بنتونیت غنی شده شامل انواع مختلف مواد جاذب رطوبت به صورت شیمیایی و یا فیزیكیاست. استفاده از این ماده در جاهایی كه رطوبت نسبی خاك پایین است و یا زمین­های

سنگلاخی كه بطور طبیعی مقاومت بالایی دارند استفاده می­شود.

7-3- مخلوط یكنواخت [3]LOM با نسبت 30% 60% , Lom خاك و 10% آب تهیه و بعنوان الكترولیت استفاده می شود.

4-7- استفاده از مخلوط كاندوكریت.

 

2-9- مشخصات فنی احداث شبكه شطرنجی و رینگ و ایجاد كانالهای راد كوبی

1-    كانال به عمق حداقل 60cm و طول مورد نیاز حفاری می شود.

2-    راد مسی مغز فولادی 5/1 متری در فواصل حداقل سه متری كوبیده می­شود. در  زمین­های سنگی و سخت كه امکان كوبیدن دستی وجود ندارد، با ایجاد سوراخی به عمق حداقل 120cm و قطر دو برابر سطح راد مسی توسط مته­های دوار سوراخ می­كنند. سیم مسی هفت لایه نیم دور، دور راد مسی تابانده و توسط جوش كارپیت یا CADWELD جوشكاری می­كنند یا سیم مسی هفت لایه را كنار راد مسی قرار داده و بطول 10cm جوشكاری می­شود.

3-    فضای خالی اطراف راد با مخلوط الكترولیت نرم بصورت مایع ویبره می شود.

4-    زیر و روی سیم­های مسی با مخلوط نرم بصورت خمیری به ضخامت 20cm پوشانده می­شود.

5-    توجه داشته باشید خم سیم­های مسی مصرفی از 90 درجه كمتر نباشد.

6-     در ایجاد شبكه های شطرنجی از سیم مسی یا تسمه مسی استفاده می شود و در چند نقطه جوشكاری انجام می­شود. عمق حفاری و كارگذاری و ایجاد شبكه شطرنجی حداقل 60cm می­باشد.

 

2-10- جوشكاری با كارپیت و جوشكاری Cadweld

   كلیه اتصالات كه در زیر خاك دفن می شود یا در فضای آزاد كه احتمال زنگ زدگی و خوردگی وجود دارد باید توسط جوش كارپیت یا توسط جوشكاری انفجاری[4] جوشكاری شود . جوشكاری انفجاری فرایندی است كه امكان اتصال دو هادی هم­جنس ( مس به مس، آلومینیوم به آلومینیوم ) و یا غیر همجنس ( مس به فولاد، مس به آلومینیوم و آلومینیوم به فولاد) را در اندازه و شكل­های مختلف فراهم می­نماید. پیوند حاصل از جوش انفجاری، ملكولی بوده و در مقابل خوردگی بسیار مقاوم است و اثرات

مخرب حاصل از جوش معمولی مانند تنش­های محبوس یا تغییر شكل فلز یا تغییر ساختار میكروسكوپی حاصل از ازدیاد درجه حرارت را در منطقه جوش ندارد. بر اساس این روش، پودر مخصوص به كمك

چاشنی انفجار در یك محفظه گرافیتی مناسب واكنش گرمازا تولید نموده، سپس ذوب و پیرامون

هادی­ها جاری می­شود و نهایتاً، دو هادی مورد نظر را به هم متصل می­كند. انواع هادی­ها با سیستم و امكانات جوشكاری انفجاری، قابل جوشكاری به یكدیگر هستند. مانند سیم مسی به سیم مسی، سیم مسی به میله ارت، سیم مسی به صفحه مسی یا فولادی و …

·        مزایای جوشكاری انفجاری

1-    ظرفیت هدایت الكتریكی مساوی با هادیهای متصل شده دارد.

2-    با گذشت زمان كیفیت آن كاهش نمی یابد.

3-    پیوند مولكولی دائمی مابین فلز جوش و هادی از خوردگی ممانعت می كند.

4-    در مقابل فشارهای ناگهانی مقاوم است.

5-    به ابزارهای مصرفی سبك نیازمند است.

6-     عملیات جوشكاری سریع است.

7-    مهارت چندانی نمی خواهد.

8-    به انرژی حرارتی خارجی یا نیروی برق و باطری احتیاج ندارد.

9-    كیفیت آن بابازدید ظاهری قابل تشخیص است.

10-هزینه عملیاتی كمی دارد.

 

2-11- دستگاه ارت تستر

  وسیله­ای است كه برای اندازه گیری مقاومت سیستم زمین و مقاومت خاك بكار می رود.

 ارت تستر نوع DET5/2 از نوع دیجیتال بوده، دارای چهار رنج می باشد كه رنج ها بصورت دستی انتخاب می شود.

   ارت تستر های نوع DET5/4D , DET 5/4R از نوع دیجیتال بوده و دارای چهار رنج اندازه گیری از 10 میلی اهم  تا 20 کیلو اهم بطور اتوماتیك توسط دستگاه انتخاب می شود. دستگاه می­تواند كلیه خطاهایی را كه بدلایلی آزمایش را دچار اختلال می­نماید – از قبیل مقاومت مدار جریان بالا،

مقاومت مدار ولتاژ بالا، وجود نویز و ضعیف بودن باطری داخلی- بطور اتوماتیك چك نموده و روی صفحه نمایش به اطلاع اپراتور برساند . تغذیه آن 6 باطری 5/1 ولتی خشك می­باشد كه می­تواند 60 تست 15 ثانیه­ای انجام دهد. دستگاه دارای یك شارژر می­باشد كه می­تواند عمل شارژ را انجام دهد. شماتیك كلی این دستگاه، در شكل 2-19 نشان داده شده است.

شكل2- 19 : شماتیك كلی دستگاه ارت تستر

     (2-22)

 

2-11-1- وسایل مورد نیاز و همراه دستگاه ارت تستر

1-    چهار میخ فولادی گالوانیزه ( روی  اندود  شده ) با سطح 12mm2 و طول 45cm.

2-      دو قرقره كابل یكی بطول 30 متر و دیگری بطول 50 متر.

3-     دو سیم هادی 3 متری كه یك سر آنها گیره  و سوسماری و سر دیگر آنها قلاب شكل است.

4-     دو آچار میخ كش.

 

2-11-2- نكات لازم هنگام تست ارت

1-    الكترود تست، میخ جریان و میخ ولتاژ باید هر سه در یك خط مستقیم باشند.

2-    میخ ولتاژ باید حتماً بین الكترود ارت و میخ جریان قرار گیرد.

3-    میخ ها در عمق 30 الی cm40  به زمین كوبیده می شود.

 

2-11-3- طرز عملکرد دستگاه ارت تستر

   طرز عملكرد دستگاه ارت تستر به این صورت می­باشد که مقاومت زمین بوسیله عبور جریان از خاك و اندازه گیری افت ولتاژ در سرتاسر یك سمت از خاك مورد نظر اندازه گیری می شود. جریان ac عبوری توسط دستگاه ارت تستر تولید می شود .

2-11-4- خطاهایی كه موجب اختلال در اندازه گیری می شود

1-    خطای مقاومت مدار جریان بالا (RC)

2-    خطای مقاومت مدار ولتاژ بالا (RP)

3-    خطای صدا Noise Bruit

4-    ضعیف بودن باطری داخلی

 

2-11-5- اخطارها و احتیاط ها هنگام تست زمین

1-    هنگام تست و كار با ارت تستر نباید با انتهای سیم­های رابط و میخ­های تست تماس داشت. چون بعضی از ارت تسترها هنگام كار پیش از 300V متناوب تولید می­كنند.

2-    هنگام كار در نزدیكی سیستم­های فشار قوی كه امكان بوجود آمدن ولتاژهای بالا در زمین و ساختمان وجود دارد، توصیه می­شود كه دستگاه را در محلی عایق قرار داده و از دستكش و كفش­های عایق استفاده شود.

3-    هنگام تست در صورت امكان بهتر است سیستم ارت از تجهیزات ایزوله شود .

نکته:  لازم است مقاومت سیستم ارت بطور پریودیك اندازه گیری شود تا از عملكرد صحیح آن در موقع اتصال كوتاه، برق گرفتگی، صاعقه و … اطمینان حاصل شود و بهترین زمان اندازه گیری سیستم زمین ماه­های خشك سال و معمولاً از اول خرداد تا پایان شهریور و حداكثر پایان مهرماه می باشد.

 

2-12- سیم زمین

   ارتباط بین میل و قطعاتی كه باید زمین شوند، باید حتی المقدور طوری انجام گیرد كه قابل

رویت باشد. در موقع انتخاب سطح مقطع سیم زمین، باید در نظر گرفت كه در موقع اتصال دوبل زمین اغلب جریانی معادل جریان اتصال كوتاه از آن عبور می كند و سیم زمین باید بتواند این جریان را از خود عبور دهد، بدون اینكه ایجاد فشار تماس كند. جدول 2-5 سطح مقطع سیم زمین را متناسب با شدت و مدت جریان نشان می دهد. در هر حال نباید كوچكتر از مقادیر زیر باشد.

سیم فولادی روی اندود50mm2

سیم آلومینیومی35mm2

سیم مسی 16mm2

در ضمن هر یك از سیم­های زمین كه از یك دستگاه منشعب می­شوند، باید مستقیما به شین وصل شود  و از سری كردن آنها باید اجتناب كرد. شین زمین، رابط بین سیم زمین و میل زمین است و تمام سیمهای زمین از آن منشعب می شود.

جدول 2- 5 : سطح مقطع سیم زمین متناسب با شدت و مدت جریان.

حداكثر جریان به مدت یك ثانیه

ماكسیمم جریان مداوم

سطح مقطع

مس[A]

آلومینیوم[A]

فولاد[A]

مس[A]

آلومینیوم[A]

فولاد[A]

mm2

2500

4000

5500

8000

11500

16000

32500

***

2500

3500

5000

7000

10000

20000

***

***

***

3000

4500

6000

12500

150

200

250

350

***

***

***

***

160

200

250

***

***

***

***

***

***

100

175

200

300

16

25

35

50

70

100

200

2-13- حداكثر مقاومت مجاز برای سیستمهای مختلف

·        سیستم حفاظت در برابر صاعقه : كمتر از 10 اهم

·        نقطه نول شبكه فشار ضعیف : كمتر از 5 اهم

·        تجهیزات حفاظت داخلی : كمتر از 3 اهم

·        دكلهای مخابراتی: كمتر از 3 اهم

·        بدنه تجهیزات فشار ضعیف : كمتر از  2 اهم

·        سایت های كامپیوتری: كمتر از  2 اهم

·        تجهیزات ابزار دقیق: كمتر از  1 اهم

·        بدنه تجهیزات فشار قوی : كمتر از  1 اهم

مدیر سایت

You must be logged in to post a comment