گزارش کارآموزی
رشته برق صنعتی
مقدمه
در مهندسی برق، واژه زمین یا ارت با توجه به کاربردهای آن دارای معانی متفاوتی است. زمین در یک مدار الکتریکی می‌تواند نقش یک نقطه مبدا را داشته باشد که بر طبق آن بقیه ولتاژهای الکتریکی را اندازگیری می‌کنند. واژه زمین همچنین به مسیری کلی برای بازگشت جریان به منبع نیز اطلاق می‌شود. این واژه در مورد یک اتصال مستقیم به زمین نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.یک مدار الکتریکی ممکن است به دلایل مختلفی به زمین متصل شده باشد. در مدارهای قدرت این اتصال‌ها معمولا برای بالا بردن ایمنی و محافظت افراد یا دستگاه‌ها از تاثیرات معیوب بودن عایقکاری هادی‌ها ایجاد می‌شود. اتصال به زمین در مدارهای قدرت از آسیب دیدن عایق‌های مدار در اثر افزایش ولتاژ بین زمین و مدار جلوگیری کرده و این ولتاژ را در یک حد معین محدود می‌کند. از اتصال زمین برای جلوگیری از افزایش الکتریسیته ساکن در هنگام حمل مواد قابل اشتعال یا تعمیر تجهیزات الکترونیکی نیز استفاده می‌کنند. در برخی از انواع تلگراف‌ها و شبکه‌های انتقال زمین به تنهایی نقش یکی از هادی‌ها را ایفا می‌کند و به عنوان مسیر بازگشت جریان به منبع مورد استفاده قرار می‌گیرد با این کار در هزینه ایجاد یک خط جداگانه برای بازگشت جریان صرفه‌جویی می‌شود. در اندازگیری از زمین به عنوان یک پتانسیل الکتریکی ثابت استفاده می‌کنند که با توجه به اختلاف پتانسیل هر قسمت از مدار از زمین میزان پتانسیل آن قسمت را مشخص می‌کنند. یک زمین الکتریکی باید از ظرفیت انتقال جریان مناسبی برخوردار باشد تا بتوان از آن به عنوان مبدا صفر ولتاژ استفاده کرد.
یک نمونه اتصال الکتریکی به زمین در کنار مجرای عبور آب
معنی واژه زمین یا ارت در برق و الکترونیک بسیار گسترده‌است و حتی ممکن است در وسایل نقلیه‌ای مانند کشتی، هواپیما یا فضاپیما که عملا اتصال مشترکی با زمین ندارند نیز از این واژه به عنوان پتانسیل صفر استفاده شود.
تاریخچه
سیستم الکترومغناطیسی تلگراف راه دور که از سال ۱۸۲۰ مورد استفاده قرار می‌گرفت از دو یا چند سیم برای انتقال پیام‌ها به صورت پالس‌های الکتریکی استفاده می‌کرد. سپس این موضوع روشن شد (احتمالا به وسیله دانشمند آلمانی استین‌هیل) که از زمین می‌توان به عنوان مسیر برگشت برای کامل کردن مدار پیام‌ها استفاده کرد؛ به این ترتیب نیازی به سیم بازگشت نخواهد بود اما این روش در طول مسیرهای درون‌قاره‌ای که در سال ۱۸۶۱ بین سنت ژوزف، میسوری و ساکرامنتو کالیفرنیا ایجاد شده بود یک مشکل داشت. در طول فصل‌های خشک سال به علت خشک بودن زمین مقاومت آن به شدت افزایش می‌یافت که باعث اختلال در کارکرد تلگراف می‌شد.
بعدها زمانی که تلفن می‌رفت تا جایگزین تلگراف شود این نکته روشن شد که جریانی که به وسیله شبکه‌های قدرت، خطوط راه‌آهن برقی و دیگر مدارهای تلفن و تلگراف ایجاد می‌وشد موجب ایجاد اختلال در سیگنال‌های فرستاده شده می‌شود و به این ترتیب استفاده از سیستم‌های دو سیمه دوباره جایگزین شد.
ارتباطات رادیویی
اتصال الکتریکی به زمین می‌تواند به عنوان یک مبدا پتانسیل الکتریکی برای سیگنال‌های فرکانس رادیویی در نوع خاصی از آنتن مورد استفاده قرار گیرد. قسمتی که مسقیما با زمین در ارتباط است می‌تواند از یک جسم ساده مانند یک میله هادی که در زمین فرورفته تشکیل شده باشد و یا از اتصال با لوله‌های فلزی آب ایجاد شده باشد (در این موارد این خطر وجود دارد که بعدها لوله‌ها با لوله‌های پلاستیکی تعویض شوند). یک الکترود زمین ایده‌آل باید صرف نظر از میزان جریانی که به زمین وارد می‌شود یا از آن خارج می‌شود هنواره ولتاژی برابر صفر داشته باشد. در واقع میزان مقاومت یک سیستم زمین است که می‌تواند کیفیت آن را مشخص می‌کند و این کیفیت را می‌توان به راه‌های مختلفی افزایش داد برای مثال با افزایش سطح در تماس الکترود با زمین، افزایش عمق دفن الکترود، استفاده از میله‌های الکترود متعدد، افزایش رطوبت زمین، افزایش میزان مواد معدنی رسانا در خاک و یا افزایش سطح پوشیده شده به وسیله سیستم زمین می‌توان مقاومت زمین را کاهش داد.برخی سیستم‌های آنتن‌های فرستنده در VLF، LF، MF و یا پایین‌تر از رنج SW برای عملکرد مناسب خود نیازمند یک زمین خوب هستند. برای مثال یک آنتن عمودی تک قطب نیازمند یک سیستم زمین است که معمولا از شبکه‌ای به هم پیوسته از سیم‌ها که به طور شعاعی از مرکز به فاصله تقریبا برابر با طول آنتن دور می‌شوند، تشکیل شده‌است. در برخی موارد این سیستم زمین در بیرون تقویت می‌شود تا از تلفات جلوگیری شود.
تاسیسات سیم کشی قدرت
با وصل بدنه تجهیزات الکتریکی بروز خطا در هر یک از تجهیزات موجب جاری شدن جریان در سیم زمین شده و از برق دار شدن بدنه جلوگیری می‌کند. یک اتصال مناسب به زمین باید مقاومت پایینی داشته باشد تا در صورت بروز خطا، جریان جاری در زمین موجب عمل کردن سیستم حفاظت در شبکه شود. با وصل تمامی اجسام هادی در خطر برقدار شدن می‌توان از بروز شوک الکتریکی در اثر تماس با این اجسام جلوگیری کرد.
سیم زمین سیمی است که (مستقیماً یا غیر مستقیم) به یک یا چند الکترود زمین اتصال دارد. این الکترودها ممکن است در نزدیکی محل استفاده از سیم زمین یا در محلی دورتر قرار داشته باشند. این سیم زمین معمولا (نه همیشه) به سیم نول وصل می‌شود. همچنین ممکن است این سیم به شبکه لوله‌کشی شده ساختمان نیز متصل شده باشد تا مقاومت کمتری را ایجاد کند. استفاده از لوله‌های آب برای اتصال به سیستم زمین با گسترش استفاده از لوله‌های غیر فلزی مثل لوله‌های PVC در برخی کشورها ممنوع شد.
تجهیزات الکتریکی ثابت معمولا از اتصال زمین دائمی برخوردارند. تجهیزات قابل حمل که دارای بدنه فلزی هستند از یک پین مخصوص برای وصل سیم زمین استفاده می‌کنند. اندازه هادی زمین معمولا با استفاده از استانداردها و مقرارت مربوط به حفاظت الکتریکی تعیین می‌شود.
انتقال انرژی الکتریکی
برخی از سیستم‌های انتقال HVDC از زمین به عنوان سیم برگشت استفاده می‌کنند. این کار به ویژه در مورد خطوط کابلی زیر آبی مورد استفاده قرار می‌گیرد چراکه آب دریا یک هادی مناسب است. در این حالت برای ایجاد اتصال با زمین از الکترودهای دفن شده در زمین استفاده می‌شود. محل قرار گرفتن این الکترودها باید با دقت انتخاب شود تا از خوردگی شیمیایی الکترودها و تاسیسات زیر زمینی تا جای ممکن کاسته شود.
در سیستم‌های توزیع تک سیم با برگشت زمین (Single Wire Earth Return/SWER) با استفاده از یک سیم قدرت در شبکه‌های قدرت در هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌شود. این روش معمولا در مناطق روستایی مورد استفاده قرار می‌گیرد تا خطرات ناشی از برگشت جریان زیاد در زمین موجب خسارت نشود.
یکی از نگرانی‌های خاص در طراحی پستهای الکتریکی افزایش پتانسیل زمین است. زمانیکه جریان بسیار بزرگ ناشی از خطا در شبکه به زمین تزریق می‌شود ممکن است پتانسیل الکتریکی در مناطق مجاور محل تزریق جریان نسبت به مناطق دیگر بالا رود. این اتفاق به دلیل محدود بودن ضریب هدایت در لایه‌های خاک رخ می‌دهد. این تغییر پتانسیل در زمین می‌تواند آنقدر زیاد باشد که دو نقطه نزدیک به هم بر روی زمین دارای ولتاژی با اختلاف بالا باشند. این اختلاف ولتاژ می‌تواند خطراتی را برای افرادی که در آن منطقه بر روی زمین ایستاده‌اند ایجاد کند (به دلیل افزایش ولتاژ گام). همچنین لوله‌ها، نرده‌ها یا سیم‌های ارتباطی داخل پست نیز دچار اختلاف ولتاژ می‌شوند که می‌تواند ولتاژ تماس با این اشیا را تا حد خطرناکی بالا ببرد.
زمین کردن و صفر کردن در تاسیسات الکتریکی
زمین کردن حفاظتی عبارتست از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تأسیسات الکتریکی که در ارتباط مستقیم (فلزبافلز) با مدار الکتریکی قرار ندارند.
در تأسیسات برقی دو نوع زمین کردن وجود دارد که ما یکی را زمین کردن حفاظتی و دیگری را زمین کردن الکتریکی می نامیم .
۱) زمین کردن حفاظتی :
مین کردن حفاظتی عبارتست از زمین کردن کلیه قطعات فلزی تأسیسات الکتریکی که در ارتباط مستقیم (فلزبافلز) با مدار الکتریکی قرار ندارند. این زمین کردن بخصوص برای حفاظت اشخاص درمقابل اختلاف سطح تماسی زیاد به کار برده می شود . بدین منظور در پست های فشار قوی باید تمام قسمت های فلزی که در نزدیکی و همسایگی با فشار قوی قرار گرفته اند و مکان تماس عمدی یا سهوی با آن ها موجود است، به تأسیسات زمینی که برای این منظور احداث شده است (زمین حفاظتی ) متصل و مرتبط گردند. این قسمت ها عبارتند از ستون ها و پایه های فلزی ، درب ها و نرده های فلزی، قسمت های فلزی دسترس تمام دستگاه های اندازه گیری ، ایزولاتورها، مقره های عبور، بخصوص قسمت های فلزی که برای کارکردن با دستگاه ها باید با آنها لمس کرد و در دست گرفت ، مثل چرخ های فرمان انواع و اقسام تنظیم کننده ها و رگولاتور، دسته کلیدها وغیره. زیرا در این قسمت ها در اثر عبور جریان خیلی کم نیز عضلات دست به طوری منقبض می شود که بازکردن و رهایی پیدا کردن از آن غیر ممکن و محال به نظر میرسد و عاقبتی وخیم و اسفناک برای تماس گیرنده به پیش خواهد داشت . بدین منظور و برای جلوگیری از هر حادثه ای باید زمین حفاظتی به نحوی تأسیس گردد که قسمتی از مسیر جریان که توسط تماس اعضای بدن انسان اتصالی می شود (دست وپا و یا دو دست یا دوپا ) دارای تفاوت پتانسیل یا افت ولتاژ زیاد نباشد. افت ولتاژ بستگی به شدت جریان و مقاومت مسیر جریان دارد. لذا برای کوچک نگه داشتن افت ولتاژ باید مقاومت مسیرجریان حتی المقدور کوچک نگه داشته شود. به طور مثال اگر یک مقره عبور که در دیوار مرطوبی نصب شده است، بشکند و سیم فشار قوی با دیوار تماس پیدا کند و جریان اتصال زمین در این حالت ۲۵ آمپر و مقاومت هرمتر دیوار ۱۰ اهم باشد،مابین دو نقطه از دیوار که انسان با آن تماس دارد (فاصله دست و پا تقریبا ۲ متر است) اختلاف سطحی برابر با:
U = I * R = ۲۵ * ۲ *۱۰ = ۵۰۰ volt
به وجود می آید که مسلما برای انسان خطرناک است ولی اگر پایه فلزی مقره که به دیوار محکم شده به وسیله یک سیم نسبتا ضخیم به زمین وصل شود، در موقع اتصال بدنه یا اتصال زمین ، قسمت عمده جریان اتصالی از این سیم عبورخواهد کرد و کلیه قسمت های دیوار هم پتانسیل سیم در آن نقطه قطع خواهد شد. لذا افت ولتاژ در امتداد دیوار ناچیز شده و برای انسان خطری ایجاد نخواهدکرد . عامل مؤثر خطر برای انسان یا هر موجود زنده دیگر جریان می باشد که البته وجود اختلاف سطح است که باعث عبور این جریان میگردد. در فشار ضعیف جریان های ۱ تا ۱/۰ آمپر که از قلب می گذرد، خطر جانی دارد.
جهت اطلاعات بیشتر در مورد مرزها و عکس العمل بدن به یادداشتهای ایمنی در برق در آرشیو مرداد مراجعه نمایید .
برای نجات برق زده بلادرنگ از تنفس مصنوعی کمک گرفته شود که بهترین نوع آن از راه دهان به دهان است . شدت جریان مهلک و مقاومت بدن انسان ها متفاوت است . مقاومت بین اعضای مختلف بدن انسان به طور متوسط برابر است با:
دست و دست : تقریبا ۴۰۰۰ اهم
دست و پا : تقریبا ۴۵۰۰ اهم
پا و پا : تقریبا ۶۵۰۰ اهم
هر دو دست و دو پا : تقریبا ۱۸۰۰ اهم
درضمن اگر بدن مرطوب بوده و دست ها عرق کرده باشد باعث کم شدن مقاومت و عبور جریان زیادتری می شود ، لذا می توان گفت که حتی اختلاف سطح ۲۰ ولت نیز محسوس و اختلاف سطح ۶۰ ولت ممکن است خطر جانی داشته باشد . در برق گرفتگی فشارقوی جریان هایی از ۱ تا ۱۰۰ آمپر و بیشتر ممکن است از بدن انسان عبورکند بدون این که مستقیما باعث از کار افتادن قلب شود. ولی درعوض این جریان های شدید باعث خراب کردن و سوزاندن بافت های بدن به خصوص تجزیه آب بدن می شود و به کلیه آسیب فراوان می رساند . در ضمن عبور جریان زیاد از بدن باعث سوزاندن محل ورود و زخم برداشتن عمیق درمحل خروج جریان می شود که ممکن است متعاقبا منجر به مرگ گردد .