سيستم اتصال زمين در تاسيسات حساس الكترونيكي

نويسنده: مهندس اميد تشكري آراني
مباحث مربوط به سيستم اتصال زمين در تاسيسات الكتريكي و الكترونيكي صنايع، بسيار مفصل و به نوعي پيچيده است و استانداردهاي بسياري در اين زمينه منتشر شده است كه مطالعه آنها شايد تنها مورد علاقه مهندسان برق باشد. هدف از اين نوشته آشنايي مختصر با فلسفه وجودي سيستم اتصال زمين به زباني ساده و قابل استفاده براي عموم و نگاهي دقيق تر در خصوص ايجاد اتصال به زمين هاي مجزاي از هم در تاسيسات قدرت و تجهيزات الكترونيكي است.

لزوم سيستم اتصال زمين: موضوع سيستم اتصال زمين و چگونگي اجراي آن در تاسيسات الكتريكي و الكترونيكي كه در ارتباط با اختلاف پتانسيل الكتريكي هاديهاي سيستم نسبت به سطح زمين است، به دو دليل اساسي ذيل مطرح مي شود: (1)

- لزوم حفظ ايمني (پيشگيري از برق گرفتگي و آتش سوزي) در تاسيسات الكتريكي.

- لزوم جلوگيري از تداخل امواج الكترومغناطيسي براي اطمينان از كاركرد صحيح و بدون خطاي دستگاه هاي حساس الكترونيكي.

الزامات مربوط به ايمني: براي برآورده كردن شرط اول يعني ايمني، با ايجاد نقاط اتصال به سطح زمين به روش هاي مختلف مانند ايجاد چاه در زمين، كوبيدن ميله در زمين و يا استفاده از قسمت هاي فلزي پايه بتني ساختمان ها و متصل كردن همه اين نقاط به هم يك اتصال به زمين مناسب براي سيستم الكتريكي فراهم مي شود. هرچه تعداد چاه ها، ميله ها و پايه هاي بتني استفاده شده در سيستم الكتريكي بيشتر باشد سيستم اتصال زمين مطمئن تر خواهد بود. در اين ميان ملاحظات اقتصادي (هزينه حفر چاه، كوبيدن ميله و...) عامل محدود كننده به شمار مي آيد.

در مبحث ايمني موضوع ايجاد يك اتصال زمين مشترك يا دو اتصال زمين مجزا يكي اتصال زمين سيستم فشار ضعيف400 ولت - اتصال زمين ولتاژ خنثاي (نول) فشار ضعيف - و ديگري اتصال زمين بدنه هاي هادي لوازم فشار متوسط20 كيلو ولت مطرح مي شود كه با موضوع ايجاد اتصال زمين هاي مجزا يكي براي ايمني و ديگري براي عمليات جريان ضعيف و دستگاه هاي حساس الكترونيكي به طور كلي متفاوت است. در پست هاي ترانسفورماتور كه دو ولتاژ فشار متوسط و ضعيف در كنار هم قرار دارند مواردي پيش مي آيد كه بايد از دو اتصال به زمين مختلف استفاده شود تا ايمني برقرار بماند. ما در اينجا وارد بحث ايجاد اتصال زمين مجزا از نظر ايمني براي پست هاي فشار متوسط و ضعيف نمي شويم. بايد به اين نكته توجه داشت كه حفاظت در برابر امواج الكترومغناطيسي و حفاظت مربوط به ايمني شامل سيستم هاي اتصال زمين و حفاظت در برابر صاعقه داراي جنبه هاي مشتركي هستند ولي بايد دقت داشت كه الزامات ايمني از جنبه حفاظت از جان افراد در مقابل الزامات حفاظت دستگاه هاي حساس الكترونيكي در برابر امواج الكترومغناطيس تقدم دارد. در بعضي موارد ممكن است تناقض ظاهري بين الزامات ايمني و الزامات مربوط به حفاظت الكترومغناطيس بيان شود كه در هر حال الزامات ايمني ارجح است.(2)

براي ايجاد شبكه اتصال زمين كه الزامات ايمني را برآورده نمايد ضروري است از ارتباط كليه بدنه هاي فلزي تجهيزات اعم از تجهيرات الكتريكي، مثل تابلوهاي برق و مسير كابل ها و يا تجهيزات غيرالكتريكي مانند لوله هاي فلزي و مخازن (كه امكان اتصالي ناخواسته كابل داراي ولتاژ به اين قسمت هاي فلزي وجود دارد) به سيستم زمين اطمينان حاصل كرد. اين كار توسط اتصال كابل هاي هادي به بدنه هاي فلزي تجهيزات و ارتباط آن به نقاط اتصال زمين شبكه توزيع نيرو انجام مي شود. اين كابل ها به نام كابل هاي زمين حفاظتي (Protective Earth) و يا به اختصار PE اطلاق مي شود. با اتصال كابل هاي زمين حفاظتي براي جلوگيري از خطر برق گرفتگي بايد اطمينان حاصل شود كه كليه سطوح فلزي قابل دسترسي داراي يك ولتاژ و برابر ولتاژ سطح زمين هستند. در ضمن بايد اطمينان حاصل كرد در صورت بروز اتصالي هر يك از فازهاي شبكه برق به هر قسمت فلزي از تجهيزات، جريان اتصال كوتاه بوجود آمده موجب قطع مدار برق مي شود. قطع مدار برق به صورت فوق در سيستم هاي توزيع نيروي برق كهTN ناميده مي شوند اتفاق مي افتد و در سيستم هاي TT و IT تجهيزات حفاظتي ديگري در مدار نياز است تا موجب قطع مدار شود.(3)

براي اطمينان از عملكرد قطع مدار در صورت بروز اتصالي بدنه، ضروري است نقطه خنثاي ولتاژ(نول) ترانسفورماتور با يك كابل به بدنه هاي فلزي متصل شود. در صورتي كه اين كابل همان كابل استفاده شده براي رساندن ولتاژ خنثي(نول) به مصرف كننده باشد سيستم توزيع نيروي برق را نوع TN-C و در صورتي كه كابل مجزا از نقطه خنثي در ترانس به بدنه هاي فلزي متصل شود سيستم توزيع را TN-S مي نامند. قابل ذكر است كه سيستم توزيع برق پالايشگاه نفت پارس از نوع TN-S طراحي و اجرا شده است كه در ادامه مطلب خواهيم ديد از سيستم هاي قابل قبول و مؤثر در كاهش تدخل امواج الكترومغناطيسي است. الزامات مربوط به تداخل امواج الكترومغناطيسي: در مبحث دوم هدف از برقراري سيستم زمين ايجاد يك ولتاژ مرجع مشترك براي كمك كردن به كاهش اختلال (نويز) در سيستم هاي حساس الكتريكي و الكترونيكي است. اين مطلب در بخش5/2 استاندارد BS IEC 61000-5-2:1997 به تفصيل بيان شده است. در برخي از استانداردهاي قديمي ايجاد دو سيستم زمين مجزا يكي براي ايمني و ديگري براي ابزار دقيق الكترونيكي و تنها به منظور كاهش اختلالات ناشي از امواج الكترومغناطيسي پيشنهاد شده است كه يكي از آنها استاندارد صنعت نفت ايران يا به اختصار IPS است كه در چند مورد به جدايي و استقلال كامل دو سيستم زمين تاكيد كرده است. به عنوان مثال در بخش6.2.5 از استاندارد IPS-M-IN-280:1996 و بخش A-2 از استاندارد مذكور با تاكيد برتعبيه اتصال زمين مجزاي از زمين الكتريكي كه به عنوان زمين پاك (Clean Earth) از آن ياد مي كند و يا در بخش12.1.5 از استاندارد IPS-E-EL-100:1997 لزوم تهيه سيستم زمين مستقل را براي اتاق هاي كنترل و سيستم ابزار دقيق عنوان مي كند.

اشكال هاي ناشي از وجود دو اتصال

وجود دو سيستم مجزا براي اتصال زمين داراي اشكال هاي زير است:

- براي امكان ايجاد دو سيستم اتصال زمين به نحوي كه به طور كامل نسبت به هم مستقل باشند هيچ تضميني وجود ندارد. دو اتصال زمين ممكن است به علت سهل انگاري يا ندانم كاري به هم متصل شوند يا در حوزه ولتاژ يكديگر قرار گيرند و يا عبود جريان هاي گالوانيك ناشي از اثرات الكتروشيميايي زمين آنها را به هم مربوط كند(4)

- حتي در صورت اجراي موفقيت آميز در برقراري دو اتصال به زمين مجزا چون دو اتصال به زمين مستقل هستند هر لحظه ممكن است به علت بروز خرابي يا ضربه صاعقه و غيره بين آنها اختلاف پتانسيل بوجود آيد كه باعث برق گرفتگي و يا آتش سوزي خواهد شد كه در اين صورت حفاظت از نظر ايمني به خطر مي افتد.

اتصال شبكه زمين ابزار دقيق در نقاط محدود - به عنوان مثال فقط در يك نقطه- به شبكه ايمني باعث برطرف شدن اشكال از نظر حفاظت ايمني خواهد شد ولي براي جلوگيري از تداخل امواج الكترومغناطيسي با فركانس بالا مناسب نخواهد بود. در بخش5.3.1 استاندارد BS IEC 61000-5.2:1997 به اين موارد اشاره شده است.(5)

نتيجه

با توجه به مطالب بيان شده و با استناد به مفاهيم مذكور در استاندارد BS IEC 61000-5.2:1997 بهترين راه حل براي برقراري سيستم اتصال زمين استفاده از يك سيستم اتصال مشترك براي هر دو منظور حفاظت ايمني و حفاظت الكترومغناطيسي است كه با استفاده از روش هاي مختلف در نقاط متعددي به سطح زمين متصل شده اند.

به طور كلي براي مبارزه با تداخل امواج الكترومغناطيسي در ساختمان هايي كه شامل لوازم الكترونيكي حساس هستند رعايت نكات ذيل ضروري است:

- از سيستم هاي توزيع برق، سيستم هاي مورد قبول عبارتند از: TT ،TN-S و IT به عبارت ديگر نبايد از هادي مشترك حفاظتي (زمين) و خنثي (نول) استفاده شود. در نتيجه استفاده از سيستم توزيع TN-C به هيچ وجه مجاز نيست. بديهي است براي استفاده از هر يك از سيستم هاي توزيع فوق، ديگر مزايا و معايب هر سيستم نيز بايد مورد توجه قرار گيرد.

- در همه تابلوهاي توزيع، لازم است هم بندي اضافي براي هم ولتاژ كردن كليه تجهيزات هادي (هادي حفاظتي، لوله كشي ها، اجزاي فلزي ساختمان و . . .) انجام شود. به اين معنا كه تمام بدنه هاي هادي دستگاه ها و قسمت هاي فلزي ساختمان از چندين نقطه به هم و به سيستم زمين متصل شوند.

پي نوشت ها

1- اين تقسيم بندي براساس مطالب بخش5 استاندارد BS IEC 61000-5.2:1997 صورت گرفته است. در بند5.3 استاندارد مذكور ملاحظات مورد نياز براي طراحي سيستم زمين را به چهار قسمت بخش كرده است:

- خطرات ناشي از صاعقه

- تضيمن سلامت افراد در مقابل خطر برق گرفتگي

- حفظ تجهيزات الكتريكي (شامل خطوط انتقال برق و...) كه هر سه گروه فوق در بند5.1 استاندارد مذكور تشريح شده است. بخش چهارم مربوط به سازگاري با امواج الكترومغناطيسي است كه در بند5.2 استاندارد فوق تشريح شده است.

2- براساس بخش4.2 استاندارد فوق.

3- در سيستم توزيع TN و TT نقطه خنثاي (نول) ولتاژ ترانسفورماتور به زمين وصل شده است. در سيستم TT و IT بدنه هاي فلزي به طور مستقل، از طريق چاه زمين مجزا از چاه ترانسفورماتور، به زمين متصل مي شوند و در سيستم IT نقطه خنثاي ترانسفورماتور با كمك يك مقاومت به چاه مستقل ترانسفورماتور متصل است.

4- اشكالات مذكور براي طرح دو اتصال زمين مستقل و تاكيد بر ارتباط آنها فقط و فقط در يك نقطه نيز صادق است.

5- با جستجو در استانداردهاي در دسترس، پيشنهاد ايجاد سيستم زمين به روش مذكور در هيچ موردي يافت نشد.

مراجع - كليه استانداردهاي مذكور در متن مقاله (متن استانداردها در برنامه مديريت استاندارد در شبكه نفت پارس به آدرس ذيل موجود است: (Parsoil/Ia/SM) - راهنماي طرح و اجراي تاسيسات برقي ساختمانها - وزارت مسكن و شهرسازي، دفتر تدوين و ترويج مقررات ملي ساختمان، چاپ1386

نشريه نفت پارس