زمين كردن الكتريكي و حفاظتي چيست؟

با تشكر از آقاي مهندس ابراهيم گوناگوني- توزيع برق استان اصفهان
زمين كردن عبارت از برقرار كردن ارتباط الكتريكي بين يك هادي و ميل زمين است. اين هادي ممكمن است جزئي از مدار الكتريكي باشد (زمين كردن الكتريكي) و يا ممكن است در حالت عادي هيچ گونه ارتباطي با مدار الكتريكي نداشته باشد (زمين كردن حفاظتي).
زمين كردن الكتريكي: يعني زمين كردن نقطه‌اي از دستگاه‌هاي الكتريكي و ادوات برقي كه جزئي از مدار الكتريكي هستند. مثل زمين كردن مركز ستاره سيم پيچي ترانسفورماتور و يا ژنراتور و يا زمين كردن سيم وسط يا سيم مشترك دو ژنراتور جريان دائم.
زمين كردن الكتريكي سه نوع است.
1-زمين كردن مستقيم
2- زمين كردن غيرمستقيم
3- زمين كردن باز
زمين كردن مستقيم: مثل وصل كردن مستقيم نقطه صفر ترانسفورماتور با نقطه‌اي از سيم رابط بين دو ژنراتور جريان دائم به زمين است.
زمين كردن غيرمستقيم: مانند اتصال نقطه صفر ژنراتور توسط يك مقاومت بزرگ به زمين يا اتصال نقطه صفر ستاره ترانسفورماتور توسط سلف بزرگ به زمين است.
زمين كردن باز: در اين نوع زمين كردن، نقطه صفر يا اصولاً هر نقطه‌اي از شبكه الكتريكي كه داراي ظرفيت نصب به زمين است توسط يك فيوز فشار قوي (الكترود جرقه‌گير) به زمين وصل مي‌شود، تا موقعي كه مدار فيوز باز است يعني در حالت كار عادي شبكه، ارتباط شبكه با زمين بايد وجود داشته باشد اما در زماني كه ولتاژ زيادي شبكه را تهديد مي‌كند، مدار فيوز به كمك جرقه بايد بسته شود و شبكه مستقيماً با زمين ارتباط برقرار كند.
زمين كردن حفاظتي
زمين كردن حفاظتي عبارت است از زمين كردن تمامي قطعات فلزي تاسيسات الكتريكي كه در ارتباط مستقيم (فلز به فلز) با مدار الكتريكي قرار ندارند. اين زمين كردن به ويژه براي حفاظت اشخاص در مقابل اختلاف سطح تماس زياد به كار برده مي‌شود. بدين منظور در تاسيسات فشار قوي بايد تمام قسمت‌هاي فلزي كه در نزديكي و همسايگي با فشار قوي قرار گرفته‌اند و امكان تماس عمدي يا سهوي با آنها موجود است، به تاسيسات زميني كه براي اين منظور احداث شده است (زمين حفاظتي) متصل و مرتبط شوند.
اين قسمت‌ها عبارتند از: ستون‌ها و پايه‌هاي فلزي كه براي كاركردن با دستگاه بايد آنها را لمس كرد و در دست گرفت. مثل انواع تنظيم‌كننده‌ها، رگولاتورها، دسته كليدها و ...، زيرا در اين قسمت‌ها در اثر عبور جريان بسيار كم نيز عضلات دست به طوري منقبض مي‌شود كه بازكردن و رهايي پيدا كردن از آن غيرممكن و محال به نظر مي‌رسد و عاقبتي وخيم براي تماس گيرنده درپي خواهد داشت.
انواع ميل‌هاي زمين
ميل‌ها را مي‌توان به طور كلي به دو دسته تقسيم كرد كه عبارتند از: ميل عمقي و ميل سطحي.
ميل عمقي در اعماق زمين چال مي‌شود و در دو نوع مختلف به كار گرفته مي‌شود كه شامل ميل عمقي ميله‌اي و ميل عمقي صفحه‌اي است.ميل عمقي ميله‌اي از يك ميله تشكيل شده و لوله يا هر پروفيل ديگر از آهن سفيد كه به طور عمودي در زمين كوبيده مي‌شود و طول و تعداد آن بستگي به مقاومت گسترده لازم دارد.ميل عمقي صفحه‌اي از ورق آهن اندوده (آهن سفيد) به ضخامت سه ميلي‌متر تشكيل شده و به طور عمومي در زمين چال مي‌شود. ابعاد آن متناسب با مقاومت گسترده لازم mm1 و يا mm1 ، mm5/0 است. در موقع قراردادن صفحه در زيرزمين بايد دقت كرد كه لبه بالايي صفحه حداقل يك متر زير سطح زمين قرار گيرد. ميل سطحي تشكيل شده از يك يا چند مفتول يا طناب فولادي روي اندود (آهن سفيد) كه در عمق كم (در حدود 5/0 تا 1 متر) در زمين چال مي‌شود و ممكن است به صورت ساده (خطي) اشعه‌اي (پنجه‌اي) كمربندي، غربالي و يا تركيبي از آنها باشد. طول يا ابعاد ميل سطحي بستگي به مقدار مقاومت گسترده مورد نياز دارد.
شين زمين
شين زمين رابط بين سيم زمين و ميل زمين است و تمام سيم‌هاي زمين از آن منشعب مي‌شوند. شين زمين كه معمولاً از آهن روي اندود انتخاب مي‌شود، با يك فاصله مناسبي نسبت به زمين و ديوار نصب مي‌شود و مقطع آن در هيچ حالتي نبايد از mm200 كمتر باشد، ارتباط سيم زمين با شين بايد از نظر الكتريكي و مكانيكي كاملاً مطمئن، محكم و بدون مقاومت عبور باشد. لذا بهترين راه، جوش دادن آنها است. در غير اين صورت بايد از پيچ و مهره (حداقل 10 m) با واشر فنري استفاده شود و در مقابل زنگ‌زدگي و خوردگي با رنگ محافظت شود.
سيم زمين
سيم زمين ارتباط بين ميل و قطعاتي كه بايد زمين شوند را برقرار مي‌كند و بايد حتي‌المقدور طوري كشيده شود كه قابل رويت باشد. در موقع انتخاب سطح مقطع سيم زمين بايد درنظر گرفت كه در موقع اتصال كابل زمين اغلب جرياني معادل جريان اتصال كوتاه از آن عبور مي‌كند و سيم زمين بايد بتواند اين جريان را از خود عبور دهد، بدون اينكه ايجاد فشار تماس زياد كند. در هر حال نبايد سطح مقطع سيم زمين از مقادير زير كوچكترين انتخاب شود.سيم فولادي روي اندود به ميزان mm50 و سيم آلومينيومي mm35 و سيم مسي به ميزان mm16 است.سيم‌هايي كه در زمين و بدون روپوش و عايق كشيده مي‌شوند، جزئي از ميل محسوب مي‌شوند. در ضمن بايد هر يك از سيم‌هاي زمين كه از دستگاهي منشعب مي‌شود مستقيماً به شين زمين وصل شود (اتصال موازي) و از سري و زنجير كردن آنها بايد به شدت اجتناب كرد.
صفر كردن
يكي از روش‌هاي حفاظتي ”صفر كردن“ است كه فقط در شبكه‌هاي با سيم صفر ممكن است. در اين نوع حفاظت بدنه فلزي اسباب و ادوات و ماشين‌آلات برقي از راه سيم صفر به شبكه برق‌رساني وصل مي‌شود. در نتيجه با اتصال بدنه، پيدا كردن يكي از دستگاه‌ها و بسته شدن مدار الكتريكي آن به كمك سيم صفر، جريان شديدي از محل اتصالي شده عبور مي‌كند و باعث قطع كليد خودكار و يا فيوز مدار مربوط مي‌شود؛ جهت قطع سريع و مطمئن فيوز بايد جريان اتصال كوتاه حداقل 5/2 برابر جريان نامي فيوز باشد.شرايط صفر كردن: صفر كردن به طور كلي به خاطر جلوگيري از ظرفيت گرفتن بدنه فلزي ماشين‌آلات برقي در اثر اتصال بدنه است. لذا قطع جريان تنها كافي نيست بلكه بايد ولتاژ قطع شود. از اين جهت بايد سيم صفر فاقد فيوز باشد. براي قطع فيوز و برداشتن ولتاژ و در نتيجه حفاظت صحيح شرايطي لازم است كه به اين شروط در زير اشاره مي‌شود.شرط اول: مقطع سيم‌ها بايد طوري محاسبه و تعيين شوند كه در موقع اتصال كوتاه بيك يك فاز و سيم صفر حداقل جرياني معادل 5/2 برابر جريان نامي نزديكترين فيوز به محل اتصالي از مدار عبور كند. در شبكه‌هاي سه فاز با اختلاف سطح نامي تا 127/220 ولت در صورتيكه مقطع سيم فاز از 6/1 برابر سيم صفر تجاوز نكند، قطع فيوز لازم نيست.
حفاظت اضافه ولتاژ سيستم كابل زميني
يكي از مطالعاتي كه شركت DSTAR در آمريكا درمورد كابل‌هاي زميني انجام داده است، بررسي اثرات ولتاژهاي‌گذراي ضربه در آنها به دلايلي همچون صاعقه است. نقص كابل‌هاي زميني با عايق پلي‌اتيلني و امثال آن بخشهايي از صنعت را دچار مشكل كرده است. يكي از دلايل اصلي خرابي‌هاي زودرس، اضافه ولتاژهاي مكرري است كه به علت حالت‌هاي گذرا در سيستم ايجاد مي‌شوند. يك سيستم كامل آزمايشي در آزمايشگاه GE (جنرال الكتريك) براي آزمايش روشهاي مختلف حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ ايجاد شده است. اين مجموعه شامل كابل نوترال مركزي لخت بوده كه در يك محفظه انعطاف‌پذير حمل مي‌شود و امكان آزمايش كابل‌هاي كوتاه (ft300) و بلند (ft1350) را فراهم مي‌كند. براي انجام آزمايش ولتاژ ضربه يك سر كابل را به يك riser pole وصل كرده كه از طريق آن ولتاژ ضربه شبيه‌سازي شده صاعقه به آن اعمال مي‌شود. ولتاژ ضربه مشابه صاعقه توسط يك مولد ولتاژ ضربه از نوع ماركس با قابليت توليد ولتاژ ضربه6 ميليون ولتي توليد مي‌شود. طرح‌هاي مختلف از نحوه نصب برقگير با يكديگر مقايسه گرديده‌اند. در بعضي از آنها صرفاً در محل riser pole برقگير نصب شده و در بعضي ديگر علاوه بر riser pole در طول كابل نيز برقگير قرار داده شده است. يكي از يافته‌هاي مهم اين بود كه معلوم شده در سيستم‌هاي كابل نواري يا دوشاخه‌اي، اضافه ولتاژ شديدتر عمل كرده و در اين سيستم ‌ها نياز به توجه بيشتري در نصب برقگيرها است. نتايج حاصل از اين آزمايشها اكنون به وسيله شركتها جهت بهينه سازي حفاظت كابل در مقابل اضافه ولتاژ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. آزمايش ولتاژ ضربه بر روي سيستم كابل زميني براي انواع ديگر كابل‌ها ادامه يافته است. كابل جلددار (jacketed cable) بـه طــور وسيع براي به حداقل رساندن مشكلات ناشي از خوردگي نول به كار مي‌رود. سيم نول خود يك هادي عايق شده است كه مي‌تواند امواج ضربه را انتقال دهد. تحقيقات DSTAR نشان داد كه حالت‌هاي گذراي سيم نول، مشكلات ديگري را نيز ايجاد مي‌كند. وقتي يك اضافه ولتاژ ناشي از صاعقه باعث مي‌شود كه برقگير تخليه كند، جريان بين زمين برقگير و نول كابل تقسيم مي‌شود. ولتاژهاي قابل توجهي بين نول كابل و زمين ايجاد مي‌شود و جلد كابل مي‌تواند سوراخ شود. به ويژه اين حالت زماني رخ مي‌دهد كه مقاومت زمين پاي برقگير زياد باشد و در نتيجه جريان بيشتري از نول كابل عور كند. آزمايشهاي ديگري براي تشخيص ميزان مقاومت جلد كابلها در DSTAR انجام شده است.