سيم كشي مناسب، حفاظت از جان

نویسنده: مهندس نسترن نظارتي

طراحي سيستم هاي سيم كشي مناسب با توجه به لزوم حفاظت جاني افراد در برابر خطر برق گرفتگي در اماكن مسكوني، مراكز صنعتي، بيمارستان ها و... مسئله اي است كه همواره مورد توجه مهندسان و طراحان سيستم هاي برقي قرار مي گيرد. در اين مقاله به معرفي سيستم ارت حفاظتي ، لزوم استفاده از آن و روش هاي تست ميزان مقاومت زمين پس از نصب اين سيستم مي پردازيم.
خطرات برق

انرژي الكتريكي درحدود يكصد سال پيش از طريق شبكه هاي كوچك توزيع مورد اسـتفاده قرار گرفت و به سرعت توسعه يافت. در مقايسه با ديگر انواع انرژي، انرژي الـكتريكي پاكيزه است، به سهولت قابل كنترل و انتقال بوده و به آساني به ديگر انواع انرژي قابل تبديل است. علي رغم همه اين محاسن انرژي برقي داراي دو عيب است. يـكـي ايـنكه به ميزان قابل ملاحظه ذخيره نمي شود و ديگر اينكه درصورتي كه تحت كنترل صحيح نباشد خطرات و خرابي هاي زيادي به بار مي آورد.

خطرات ايجاد حريق

جريان برق در عبور از سيم ها و كليدها و ديگر وسايل برقي توليد حرارت مي كند كه در شرايط عادي اين حرارت به محيط اطراف داده مي شود و درجه حرارت وسايل از حد مجاز بيشتر نمي شود. در صورت انتخاب نامناسب وسايل ممكن است اين حرارت از حد مجاز افزايش يابد كه سبب فرسوده شدن و از بين رفتن عايق هاي آن مي شود. از بين رفتن عايق ها باعث اتصال سيم ها و ايجاد جرقه الكتريكي شده كه در شرايط مساعد به سهولت سبب بروز حريق مي شود. حفاظت در برابر خطر ايجاد حريق از طريق انتخاب صحيح سيم ها و وسايل و حفاظت مدارها توسط فيوزهاي مناسب ممكن است.

خطر برق گرفتگي

بـرق گـرفـتـگـي اثـر سـوء بـرق روي سـيستم بدن انسان است. در حالات عادي برق گرفتگي در اثر اتصال قسمتي از بدن به سيم فاز يا سيم گرم صورت مي گيرد ، لذا براي جـلـوگـيـري از بـرق گرفتگي، سيم ها و ديگر اجزاء فلزي را كه در شرايط عادي حامل الكتريسيته هستند عايق بندي مي كنيم و قسمت هاي برق دار وسايل را طوري تعبيه مي كنيم كه تماس با آن به طور سهوي امكان پذير نباشد. جهت حذف خطر ناشي از عايق به دو طريق عمل مي شود:1) عايق بندي دوبل كه عبارت است از پوشاندن كامل بدنه فلزي با پوشش پلاستيكي عايق يا در مواردي كه بدنه فلزي ضرورت نداشته باشد ساخت آن از پلاستيك عايق.2) اتـصـال بـدنـه فـلزي دستگاه ها به زمين (زمين كردن حفاظتي.) نظر به اينكه سيم نوترال هم در پست توزيع به زمين متصل است در صورت خرابي و اتصال فازبه بدنه، جريان زيادي در مدار شامل سيم فاز و زمين برقرار مي شود كه منجر به ذوب فيوز و رفع خطر مي شود. اين روش در شكل 1 نشان داده شده است.

زمين كردن نوترال

زمين از موادي تشكيل يافته كه غالبا هادي الكتريسيته هستند به خصوص در حالتي كه مرطوب باشند. بنابراين اگر شخصي كه روي زمين قرار دارد با جسمي كه نسبت به زمـيـن داراي پـتانسيل است تماس حاصل كند به علت برقرار شدن جريان دچار برق گرفتگي مي شود.در ابتداي پيدايش صنعت برق، براي شبكه هاي كوچك آن دوران كه داراي طول كم و ولتاژ پايين بودند نياز به زمين كردن نوترال (خنثي) احساس نمي شد. اين شبكه ها به شبكه هاي "نوترال مجزا" يا "غير متصل به زمين" يا "زمين نشده" معروف بودند. با توسعه شبكه ها و افزايش ولتاژ آن ها، درحالت اتصال يك فاز به زمين ملاحظه شد كه جريان به طور متناوب با خود به خود قطع و وصل مي شد و درمحل اتصالي جرقه اي ايجاد مي‌كرد. اين پـديـده سـبـب افـزايـش ولـتـاژ فـازهـاي سالم نسبت به زمين و موجب اختلالات شبكه مـي شـد و بـه وسـايـل مـتصل صدمات و خساراتي وارد مي آورد. در اين حالت جهت جلوگيري از بروز صدمات مالي و جاني با استفاده از اتصال نوترال شبكه به زمين بايد مانع از اين افزايش ولتاژها شد. ‌ شکل شماره 2 : نحوه کوبیدن الکترودها در روش افت ولتاژ ياfall of potential


شکل شماره 3 : دستگاه اندازه گیرنده ارت

شکل شماره 4 : روش ۶۲٪



شکل شماره 5 : اندازه گيری مقاومت شبکه زمين به روش دو الكترودي (ارت مرده)


شکل شماره 6 : اندازه گيری بدون کوبيدن ميله stake less measurement
زمين كردن حفاظتياتصال بدنه فلزي دستگاه هاي برقي به زمين را كه درحالت عادي جريان برقي حمل نمي كنند زمين كردن حفاظتي مي ناميم. بنا بر اين در هادي هاي زمين حفاظتي در شرايط نرمال جريان برق جاري نيست و در صورت وجود، صرفا جريان هاي نشتي عايق هاي تجهيزات است.زمين كردن الكتريكيزمين كردن يك نقطه از مدار الكتريكي به معني اتصال آن به هادي حفاظتي است بين نقطه اي كه بوسيله زمين كردن الكتريكي به زمين حفاظتي وصل شده است و الكترود زمين معمولا جريان برق جاري است.

الكترود زمين

عبارت است از يك قطعه جسم هادي كه در زمين قرار داده مي شود و سيم زمين به آن متصل است كه مهم‌ترين انواع آن به قرار زير است:

*‌ميله هاي مسي كه معمولا 16 ميلي متر قطر دارند و با چكش در زمين كوبيده مـي شـونـد. ايـن مـيله ها داراي نوك تيز فولادي هستند كه فرو رفتن در زمين را آسان مي كند. پس از كوبيدن يك ميله مي توان ميله ديگري به آن پيچ كرد و كوبيدن را ادامه داد تا ميله اي با طول مورد نظر(حدود 3متر) به دست آيد.

‌*صفحه هاي مسي كه در عمق cm60 يا بيشتر به صورت افقي خوابانده مي شوند و زمين مناسبي را ايجاد مي كنند.

*‌استفاده از لوله هاي آب شهري درگذشته بسيار معمول بوده است ولي امروزه كه بيشتر از لوله هاي پلاستيكي استفاده مي شود اين روش امكان پذير نيست.‌

*غلاف يا زره فلزي كابل هاي زيرزميني كه در پست به نوترال متصل هستند. در اين سـيـسـتـم هـا درصـورت اتـصـالـي، جـريان از غلاف يا زره عبور مي كند و به زمين نفوذ نمي كند.

*‌سيم زمين كه در برخي مواقع در سيستم هاي توزيع هوايي مورد استفاده قرار مي گيرد. دراين روش در توزيع هوايي علاوه بر سيم هاي سه فاز و نوترال ، سيم پنجمي كشيده مي شود كه در پست به نوترال متصل مي شود و در طي مسير نيز در نقاطي به زمين متصل مي شود و در نقاط مصرف به عنوان الكترود زمين مورد استفاده قرار مي گيرد.

*‌زمين كردن نوترال در نقاط متعدد درمكان هايي مورد استفاده قرار مي گيرد كه مـقـاومـت ويـژه زمـيـن زياد بوده يا در فصول مختلف به علت تغييرات ميزان رطوبت، تغييرات فاحش دارد. دراين روش كه در ايران نيزمرسوم است درسيستم هاي توزيع، سيم نوترال را در طي مسير در فواصل معين (سه تيردرميان) به الكترودي در زمين متصل مي كنند. در اين روش درصورت بروز اتصالي، جريان داراي دو مسير يكي از طريق سيم نوترال و ديگري از طريق زمين است كه مقاومت را كاهش مي دهد.

*‌در بسياري موارد براي كاهش دادن مقاومت زمين از مجموعه اي از ميله ها استفاده مي كنند و با اتصال الكتريكي آن ها به يكديگر، مجموعه ايجاد شده را به صورت يك الكترود واحد مورد استفاده قرار مي دهند. ‌ شرايط استفاده ازيك الكترود براي حفاظت سيستم و ايمنيچنانچه در يك پست ترانسفورماتور، تمامي خطوط ورودي وخروجي فشار متوسط ازنوع كابلي باشند و طول هريك از خطوط قبل از پست كمتر از 3كيلومتر نباشد، مي توان براي هر دو منظور حفاظت سيستم و ايمني آن از يك الكترود زمين استفاده كرد.

‌نـكـتـه: زمـانـي تـاسـيـسات زمين الكتريكي و زمين حفاظتي مي توانند يكي باشند كه:*‌تاسيسات فشار ضعيف (ولتاژ كمتر از يك كيلو ولت) فقط مصرف داخلي را تامين كند.‌*ولتاژ الكترود زمين در موقع اتصال زمين شـبـكـه و عـبـور جـريـان از نـقطه ستاره ترانس به الـكـتـرود زمـيـن از 125ولـت وولتاژ تماس از 50 ولت تجاوز نكند.‌*در پست هاي توزيع برق كه به صورت بتن آرمه ساخته شده اند.

شرايط استفاده از دو الكترود براي حفاظت سيستم و ايمني

در مـــواردي كـــه امـكــان انـتـقــال فـشــار كـلــي، بـه خصوص صاعقه به تجهيزات فشار ضعيف وجود دارد لازم است از دو الكترود زمين مجزا استفاده شود. در اين صورت فاصله دو الكترود از يـكـــديــگــر در نــزديــك تــريــن نـقـطــه نـبــايــد از بـيـسـت مـتـر كـمتر باشد و در مورد الكترودهاي قائم اين فاصله نبايد از بيست متر يا دو برابر عمق الكترود (هر كدام بيشتر باشد) نزديك تر باشد. ‌

چرا نبايد از فونداسيون ها به جاي چاه ارت استفاده كرد؟

بـه علت اينكه فوندانسيون ها از جنس ماسه هستند و ماسه در واقع يك نوع سراميك است. بـنـــابـــرايـــن نــيــمـــه هـــادي بـــوده و مـــانــنـــد تــمـــام نيمه هادي ها داراي الكترون هاي آزاد محدود اسـت. بـنـابـرايـن فـونـدانـسـيـون هـا فـقط تا حدي مي تواند داراي مقاومت پايين باشد و از ولتاژ 70 به بالا شديدا مقاومتشان بالا رفته و ديگر جرياني را به زمين عبور نمي دهند.

مقاومت ويژه زمين

مـقــاومــت بـيـن الـكـتـرود و زمـيـن بـسـتـگـي بـه مقاومت ويژه زمين دارد كه خود بسته به جنس زمـيـــن و مــيـــزان رطـــوبـــت آن تــغـيـيــر مــي كـنــد. خاك هاي سطحي به علت داشتن رطوبت كمتر داراي مقاومت ويژه بالاتر هستند. براي كاهش مـقـاومـت الـكترود در اين موارد از الكترودهاي بـلندتر استفاده مي كنيم يا با اضافه كردن املاح هادي (تركيب نمك و زغال) در اطراف الكترود مـقـاومـت ويـژه زمـيـن را كاهش مي دهيم. نيز با تــوجــه بـه ايـنـكـه بـنـتـونـيـت سـبـب حـفـظ بـيـشـتـر رطـوبـت طـبـيعي زمين مي شود، درحال حاضر اسـتـفـاده از آن در چـاه هـاي ارت كـنـده شـده درزمـيـن هـاي خـشـك بـسـيـار مـتـداول شده است.

مـقـاومـت ويـژه انـواع مـعـمـول زمـيـن به صورت جدول 1 است.

روش هاي تست ميزان مقاومت زمين پس از نصب سيستم ارت حفاظتي

اولين نكته اين است كه اندازه گيري مقاومت شـبـكـه زمـيـن اعم از يك چاه يا ميله ارت تا يك شـبـكـه ارت بـزرگ تـر را نـبـايـد ساده انگاشت و روي روش هـاي مـرسـوم قديمي و اكثرا توام با اشتباه پافشاري كرد.

روش افت ولتاژ(fall of potential‌) ‌ ‌

اصول كار اين است كه يك جريان با فركانس تقريبي 100 هرتز به شكل مربعي از طريق دستگاه و الكترود Cبه زمين وارد مي شود و اين جريان از زمـيــن عـبــور كــرده و از طــريـق صـفـحـه ارت بـه دسـتـگـاه بـر مـي گردد. اين جريان در زمين افت ولتاژي ايجاد مي كند كه افت ولتاژ نسبت به چاه ارت است و اين افت توسط الكترود Pاندازه گيري مي‌شود. ميزان اين افت ولتاژ تقسيم بر جريان ارسالي همان مقاومت چاه ارت است كه دستگاه آن را بر حسب ‌نشان مي دهد.مهم ترين نكته در اين روش فواصل ميخ هاي C و P از چاه يا شبكه مورد اندازه گيري است كه در اندازه گيري ها نقش به سزايي دارد. ‌اگر سيستم مورد نظر يا همان X يك ميله ارت يا صفحه ارت ساده و تك باشد الكترود Y را 30 تا 50 متر دورتر از ميله ارت مي كوبيم و Z را هم وسط يعني C قرار داده و عدد را مي خوانيم، اگر 5 متر الكترود Z را به سمت X نزديك كرده و عدد دوم را بخوانيم ودر مرحله سوم 5متر به سمت Y رفته و عدد سوم را بخوانيم و الكترود Y در جايي كه از ابتدا كوبيده شده بماند و تغييري نكند. 3 عدد به دست مي آيد. حال اگراعداد خوانده شده نزديك هم باشند و اختلاف آن ها بيش از 5% نباشد ميانگين 3 عدد خوانده شده همان R شبكه يا صفحه ارت است، اگر اعداد با هم اختلاف زيادي داشتند بايد C را بيشتر كنيم و آزمايش را تكرار كنيم. ‌

روش 62%

‌اساس اين روش دقيقا مانند روش بالا است با اين تفاوت كه فاصله الكترود ولتاژ تا سيستم ارت اندازه گيري شده كه در شكل زير با ES نشان داده شده بايد 62 درصد فاصله الكترود جريان تا سيستم ارت يعني EH باشد.اين روش مورد تاييد و توصيه اكثر استانداردها از جمله استانداردهاي BS و IEEE است و اخيرا در تمامي پروژه ها از اين روش جهت اندازه گيري مقاومت شبكه هاي ارت استفاده مي شود. ‌اين روش براي سيستم هاي با تعداد چاه بيشتر با افزايش فاصله EH حتي تا چند صد متر نيز قابل انجام است.بـه طـور كـلـي در صـورتي‌كه بتوان منحني R بر حسبP را ترسيم كرد و در اطراف %C62P=‌ تغييرات R كم باشد يا به اصطلاح به قسمت تخت منحني برسيم عدد به دست آمده درست است، در غير اينصورت بايستي C را افزايش داده و دوباره منحني رسم شود.توجه شود كه ميزان عمقي كه الكترود هاي تست در زمين كوبيده مي شوند چندان به صحت و دقت آزمايش كمك نمي كند و بر عكس بايستي ميله ها را بيش از 20 سانت درون خـاك نـكـوبـيـم، ولـي در عوض ريختن آب پاي الكترودها دقت آزمايش را بالا مي برد و عدد واقعي تري را اندازه گيري مي كنيم. ‌اين روش براي شبكه هاي زمين گسترده شامل چندين ميله يا چاه ارت كه در فواصل مـختلف نصب شده و به هم متصل شده اند و همچنين شبكه توري زمين پست هاي توزيع برق نيز قابل انجام است به شرطي كه بتوان به قسمت تخت منحني رسيد كه لازمه اين كار سيم كشي در طول هاي زياد است. ‌

اندازه گيري مقاومت شبكه زمين به روش دو الكترودي (ارت مرده)

در بعضي مواقع كه كوبيدن الكترود امكان پذير نيست يا فضاي لازم جهت سيم كشي و كوبيدن ميله ها وجود ندارد در صورتي كه نزديك ميله ارت مزبور يك سيستم لوله كشي گسترده آب مدفون، فونداسيون گسترده يا سيم نول وجود داشته باشد به راحتي و بدون كوبيدن الكترود مي توان مقاومت شبكه ارت را با تقريب بالايي به دست آورد. روش كـار بـه ايـن صـورت اسـت كـه يك سيم از چاه ارت به دستگاه ارت تستر وصل مي كنيم و يك سيم هم از سيم نول يا ارت گسترده به دستگاه مي آوريم و دستگاه را در حالت 2 پين قرار مي‌دهيم و تست را انجام مي دهيم (حالت 2 پين دستگاه يعني حالت اهم در دستگاه اهم متر) دقت اين آزمايش به اندازه روش 3 پين نيست ولي روش بسيار ساده اي است و معمولا جواب قابل قبولي خواهد داد. البته مقدار به دست آمده كمي بيشتر از مقدار واقعي است.

اندازه گيري بدون كوبيدن ميلهstake less measurement ‌

اين روش بسيار عملي و مفيد است و نيازي به كــوبـيــدن الـكـتــرود نــدارد.در ايـن روش نـيـاز بـه دستگاه مخصوصي با دو انبرك يا كلمپ است. توسط يكي از انبرك ها كه دور سيم زمين حلقه مي‌زند ولتاژي به سيم زمين القا مي شود و توسط حـلـقـه دوم كـه درهـمـان مـحـل چـفـت مـي شـود جريان عبوري از حلقه زمين ناشي از اين ولتاژ انـدازه گيري مي شود و صفحه دستگاه حاصل تقسيم اين دو يعني مقاومت شبكه زمين را نشان خواهد داد. ‌اين روش به طور مشخص براي مواقعي كه چند ميله يا چاه ارت با هم موازي شده و تـشكيل يك شبكه ارت گسترده و موازي را داده اند بسيار كاربردي است. اين روش بسيار عالي بوده و در زمان كمتري مي توان سيستم را تست كرد. تنها ايراد اين روش گران بودن قيمت دستگاه است به طوري كه قيمت كلمپ هاي آن به اندازه يك دستگاه 3 پين است. نكته جالب در مورد اكثر دستگاه هاي كلمپي اين است كه امكان تست به روش 2 پين در آن ها وجود ندارد.

‌منابع :

‌ ‌1) كتاب مهندسي تاسيسات الكتريك تاليف دكتر حسن كلهر2) اينترنت