سیستم زمین (Earthing System در بریتانیا و IEC و Grounding System در ایالات متحده آمریکا) بخش‌های خاصی از یک سیستم قدرت الکتریکی را برای ایمنی و اهداف عملیاتی به زمین، معمولاً سطح رسانای زمین، متصل می‌کند. انتخاب سیستم زمین می‌تواند بر ایمنی و سازگاری الکترومغناطیسی تأسیسات تأثیر بگذارد.
مقررات مربوط به سیستم‌های زمین در بین کشورها متفاوت است، اگرچه اکثر آنها از توصیه‌های کمیسیون بینالمللی الکتروتکنیک (IEC) پیروی می‌کنند. مقررات ممکن است موارد خاصی را برای ارتینگ در معادن، مکان‌های مراقبت از بیمار یا در مناطق خطرناک کارخانه‌های صنعتی در نظر بگیرد.
علاوه بر سیستم‌های برق قدرت، سایر سیستم‌ها نیز برای ایمنی یا عملکرد به سیستم زمین نیاز دارند. سازه‌های بلند ممکن است دارای میله‌های صاعقه به عنوان بخشی از یک سیستم برای محافظت آنها در برابر برخورد صاعقه باشد. خطوط تلگراف ممکن است از زمین به عنوان یکی از هادی‌های مدار استفاده کنند و در هزینه نصب سیم برگشتی در یک مدار طولانی صرفه‌جویی کنند. آنتن‌های رادیویی ممکن است برای کار کردن، کنترل الکتریسیته ساکن و ایجاد حفاظت در برابر صاعقه نیاز به سیستم زمین خاصی داشته باشند.
محتویات مقاله
اهداف سیستم زمین
سه هدف اصلی برای سیستم‌های زمین وجود دارد:
ارتینگ سیستم (System earthing)
ارتینگ سیستم یک هدف ایمنی الکتریکی در سراسر سیستم است که ناشی از خطای الکتریکی نیست. هدف اصلی آن جلوگیری از نوسانات الکتریکی ناشی از برخورد صاعقه یا سوئیچینگ و محافظت در برابر تجمع استاتیک است. در صورت بروز صاعقه، برقگیر یا SPD (Surge Protection Device) جریان اضافی را قبل از رسیدن به دستگاه به سمت زمین منحرف می‌کند.
ارتینگ تجهیزات (Equipment earthing)
اتصال زمین تجهیزات به منظور ایمنی الکتریکی در یک خطای الکتریکی انجام می‌شود. و هدف اصلی آن جلوگیری از آسیب به تجهیزات و خطر برق گرفتگی است. این نوع ارتینگ از نظر فنی یک اتصال زمین نیست. هنگامی که جریان از یک هادی خط به یک سیم زمین می‌رسد، مانند زمانی که یک هادی خط با یک سطح زمین شده از یک دستگاه تماس پیدا می‌کند، دستگاه قطع خودکار منبع تغذیه ADS (Automatic Disconnection of Supply) شامل: کلید یا یک RCD به طور خودکار مدار را برای رفع خطا باز می‌کند.
ارتینگ عملیاتی (Functional earthing)
ایمنی برق تنها هدف ارتینگ عملیاتی نیست؛ فیلتر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) در یک فیلتر EMI و استفاده از زمین به عنوان یک مسیر بازگشت در یک سیستم توزیع بازگشت زمین تک‌سیمه (SWER)، دو نمونه از کاربردها هستد.
سیستم‌های زمین نقش حیاتی در تأسیسات الکتریکی ایفا می‌کنند، مسیری امن برای جریان‌های خطا فراهم می‌کنند و از حفاظت افراد و تجهیزات اطمینان می‌دهند. انواع مختلفی از سیستم‌های زمین وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای خاص طراحی شده‌اند و براساس استانداردها و مقررات صنعتی کنترل می‌شوند. هدف این مقاله ارائه یک نمای کلی از رایج‌ترین انواع سیستم زمین، ویژگی‌های آنها، اهمیت آنها در حفظ ایمنی و قابلیت اطمینان الکتریکی می‌باشد. و در صورتی که می‌خواهید در مورد تفاوت انواع سیستم زمین اطلاعات بیشتری کسب کنید تا پایان این مطلب با ما همراه باشید.
اصطلاحات IEC
استاندارد بینالمللی IEC 60364 با استفاده از کدهای دو حرفی TT، TN و IT، سه گروه از سیستم‌های زمین را متمایز می‌کند.
حرف اول ارتباط بین زمین و تجهیزات منبع تغذیه (ژنراتور یا ترانسفورماتور) را نشان می‌دهد:
“T” _ اتصال مستقیم یک نقطه با زمین (لاتین: Terra)
“I” _ هیچ نقطه‌ای به زمین متصل نیست (لاتین: Insulatum)، به جز شاید از طریق امپدانس بالا
حرف دوم ارتباط بین زمین یا شبکه و دستگاه الکتریکی در حال عرضه را نشان می‌دهد:
“T” _ اتصال زمین از طریق اتصال مستقیم محلی به زمین است (لاتین: Terra)، معمولاً از طریق یک میله زمین
“N” _ اتصال زمین توسط شبکه تأمین برق، یا به طور جداگانه به هادی خنثی (TN-S)، همراه با هادی خنثی (TN-C)، یا هر دو (TN-C-S) تأمین می‌شود.
سیستم TN
سیستم TN (Terra-Neutre) به طور گسترده در تأسیسات مسکونی و تجاری کوچک استفاده می‌شود. و از سه نسخه تشکیل شده است: TN-C، TN-S و TN-C-S.
در سیستم TN-C، هادی خنثی به همراه هادی حفاظتی به صورت مشترک استفاده می‌شود و به عنوان هادی PEN (زمین حفاظتی خنثی) شناخته می‌شود. لازم به ذکر است که در سیستم TN-C عملکرد هادی حفاظتی بر عملکرد هادی خنثی اولویت دارد. از این رو، هادی PEN باید همیشه به ترمینال زمین بار متصل باشد و سپس ترمینال هادی خنثی به ترمینال زمین بار وصل می‌شود. سیستم TN-C برای مکان‌های با خطر آتش‌سوزی و تجهیزات کامپیوتری (به دلیل حضور جریان‌های هارمونیکی در هادی خنثی) مناسب نیست.
در سیستم TN-S (5 سیمه) هادی‌های حفاظتی و خنثی مجزا هستند. به همین دلیل برای سیستم‌های کامپیوتری و مکان‌های با ریسک مناسب است.
نوع سوم، سیستم TN-C-S می‌باشد. سیستم‌های TN-C و TN-S را می‌توان به طور هم‌زمان در تأسیسات استفاده نمود. در سیستم TN-C-S، سیستم TN-C (4 سیمه) هرگز نباید پایین‌دست سیستم TN-S (5 سیمه) استفاده شود. چرا که هرگونه قطعی در هادی خنثی در بالادست منجر به قطع هادی حفاظتی در بخش پایین‌دست شده و منجر به خطر می‌شود.
سیستم TT (نقطه نول زمین شده)
سیستم TT (Terra-Terra) معمولاً در تأسیسات تجاری و صنعتی بزرگتر استفاده می‌شود. در این سیستم، هر تجهیز الکترونیکی دارای الکترود زمین اختصاصی است. نقطه خنثی (neutral point) مستقیماً به زمین متصل نیست. سیستم‌های TT محافظت پیشرفته‌ای را در برابر خطاهای الکتریکی ارائه می‌دهند. و از آنجایی که هر دستگاه دارای اتصال زمین جداگانه است، خطر برق گرفتگی و آسیب تجهیزات را کاهش می‌دهد.
سیستم IT
سیستم IT (نقطه نول ایزوله شده)
در سیستم IT (Isolated Terra)، نقطه نول زمین نشده است، یعنی بین نول منبع تغذیه و زمین هیچ اتصالی برقرار نیست. بدنه فلزی تجهیزات الکتریکی و هادی‌های بیگانه تأسیسات به یک الکترود زمین متصل هستند.
سیستم IT (نول زمین شده با امپدانس)
یک امپدانس ZN (حدود 1500 اُهم) به طور دائم بین نقطه نول سیم‌پیچ LV ترانسفورماتور و زمین متصل است. تمام بدنه‌های فلزی تجهیزات الکتریکی و هادی‌های بیگانه به یک الکترود زمین متصل می‌شوند.
سیستم IT در کاربردهای حیاتی مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شود.
تفاوت انواع سیستم زمین
- در سیستم TN، نقطه خنثی منبع تغذیه مستقیماً به زمین متصل است.
- سیستم‌های TN معمولاً در تأسیسات مسکونی و تجاری کوچک استفاده می‌شوند.
- مزیت اصلی سیستم TN سادگی و سهولت اجرای آن است.
- در سیستم TT، هر دستگاه یا تجهیز الکتریکی دارای الکترود زمین اختصاصی است.
- در سیستم TT نقطه خنثی منبع تغذیه مستقیم به زمین متصل نیست.
- سیستم‌های TT معمولاً در تأسیسات تجاری و صنعتی بزرگتر استفاده می‌شوند.
- مزیت سیستم TT این است که سطح بالاتری از حفاظت را در برابر خطاهای الکتریکی فراهم می‌کند.
- در سیستم IT نقطه خنثی مستقیم به زمین متصل نیست و تأسیسات الکتریکی از زمین جدا هستند.
- در سیستم IT، هر تجهیز الکتریکی از طریق یک امپدانس (معمولاً یک مقاومت) به زمین متصل می‌شود.
- سیستم‌های IT در کاربردهای حیاتی مانند بیمارستان‌ها، مراکز داده و فرآیندهای صنعتی استفاده می‌شوند.
- مزیت اصلی سیستم IT قابلیت اطمینان بالای آن است، زیرا امکان تشخیص خطاهای عایق بدون قطعی منبع تغذیه فراهم می‌کند.
- شبکه‌های TN در هزینه اتصال زمین با امپدانس کم در محل هر مصرف‌کننده صرفه‌جویی می‌کنند. چنین اتصالی (سازه فلزی مدفون) براای ارائه زمین حفاظتی در سیستم‌های IT و TT مورد نیاز است.
- شبکه‌های TN-C در هزینه هادی اضافی مورد نیاز برای اتصالات جداگانه PE و N صرفه‌جویی می‌کنند. با این حال، برای کاهش خطر شکستن نول، انواع کابل‌های خاص و بسیاری از اتصالات به زمین مورد نیاز است.
- شبکه‌های TT به حفاظت RCD نیاز دارند.
مقایسه سیستم‌های زمین
| TT | IT | TN-S | TN-C | TN-C-S | |
| امپدانس حلقه خطای زمین | بالا | بالاترین | کم | کم | کم |
| نیاز به RCD | بله | بله | اختیاری | خیر | اختیاری |
| به الکترود زمین در محل نیاز دارد؟ | بله | بله | خیر | خیر | اختیاری |
| هزینه هادی PE | کم | کم | بالاترین | کمترین | بالا |
| خطر شکستن هادی PEN | خیر | خیر | بالا | بالاترین | بالا |
| ایمنی | ایمن | ایمنی کمتر | ایمن‌ترین | کمترین ایمنی | ایمن |
| تداخل الکترومغناطیسی | کمترین | کمترین | کم | بالا | کم |
| خطرات ایمنی | امپدانس حلقه بالا (ولتاژهای پله‌ای) | خطای دوگانه، اضافه ولتاژ | PE شکسته | PEN شکسته | PEN شکسته |
| مزایا | ایمن و قابل اعتماد | پیوستگی عملیات، هزینه | ایمن‌ترین | هزینه | ایمنی و هزینه |
هنگام انتخاب نوع مناسب سیستم زمین، مهم است که الزامات خاص، مقررات و استانداردهای ایمنی قابل اعمال در تأسیسات الکتریکی را به دقت در نظر بگیریم.
جمع‌بندی
به طور خلاصه، سیستم‌های زمین به عنوان یک جزء اساسی در صنعت برق و الکترونیک، ایمنی الکتریکی، حفاظت در برابر خطرات اضافه ولتاژ و صاعقه، کنترل الکتریسیته ساکن، بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌ها و حفاظت از تجهیزات را به همراه دارند. استفاده مناسب از سیستم‌های زمین، بهبود کیفیت و امنیت سیستم‌های الکترونیکی را فراهم می‌کند و در نهایت به بهبود عملکرد و کاهش هزینه‌های عملیاتی کمک می‌کند. همچنین، سیستم‌های زمین باعث حفظ محیط زیست، کاهش هزینه‌های تعمیرات و نگهداری، استفاده بهینه از فناوری‌های پیشرفته، افزایش رضایت مشتریان و رعایت استانداردها می‌شوند. برای بهره‌برداری موثر از مزایای سیستم‌های زمین، ضروری است که طراحی، نصب و نگهداری آنها به درستی انجام شود. همچنین، تجهیزات و مواد استفاده شده در سیستم زمین باید با استانداردهای معتبر و مقررات صنعتی سازگاری داشته باشند.
