تحقیق مقاله زمین

فصل اول: تعریفات کاربردی

1-اهداف اصلی زمین کردن

اهداف اصلی زمین کردن حفاظت جانی و مالی در حوادث زیر است:

1- خطاهای 50HZ (short circuit & Earth Fault)

2- حوادث طبیعی گذار (Lighting & Switching operation)

نمای کلی از یک سیستم زمین کامل همراه با سطح مقطع های تجهیزات برای LV و HV ساختمان و سرویسهای مختلف ساختمان در شکل 5-8 نشان داده شده است. همچنین شمای سه بعدی مربوط به سیستم زمین یک پست در شکل 7-1 و نمای زمین یک ساختمان الکتریکی (Electrical room) در شکل 7-2 و نمای اتصالات مربوط به سیستم زمین در شکل 7-3 نشان داده شده است.

2- قوانین، تعریفات و مشخصات

2-1 استانداردهای رایج مورد استفاده در Earthing عبارتنداز:

-DIN VDE 0100 part 410

Installation of power system with nominal voltages to 1000 V, protective measures, protection against electric shock.

-DIN VDE 0100 part 540

Installation of power system with nominal voltages to 1000 V, Selection & Installation of electrical equipment, earthing, protective conductors, equpotential bonding con doctors.

-DIN VDE 0151 Materials and minimum dimensions of earth electrodes with reference to corrosion.

-DIN vde 0101:2000-01

Power installation exceeding AC 1 kv.

-DIN VDE 0800 PART 2 telecommunications, Earthing and equpotention (boundy)

-IEC 60621-2 Electrical installation for outdoor site under heavy-duty conditions. Part 2: General protection requirements.

-IEC TRS 60479-1 effects of current passing on human being & live stock

-IEEE std. 80-1986 TEEE Gvid For safety in AC substation Earthing.

2-2- تعریفات

مهمترین تعریفات مربوط به سیستم زمین عبارتند از:

-زمین (Earth) : زمین یک اصطلاح است که به یک موقعیت مکانی و توده ای ازماده مثل شن و سنگریزه ، آبرفت،رس یا غیره اشاره می کند.

 - زمین مرجع یا زمین نول (Reference earth neutral earth) قسمتی از زمین است که خارج از محدوده نفوذ یک الکترود زمین یا هر سیستم زمین دیگری قرار دارد بطوریکه بین دو نقطه متفاوت و انتخابی آن هیچ ولتاز مشخصی وجود نداشته باشد.

 -الکترود زمین(Earth electrode) یک هادی الکتریسیته است که داخل زمین دفن می شود و با زمین ارتباط الکتریکی دارد یا یک هادی که در داخل بتونی که در یک سطح بسیار گسترده با زمین در ارتباط است( مثل فونداسیون) دفن شود.

 - هادی زمین( earthing conductor) هادی است که یک قسمت از سیستم را به الکترود زمین منتقل می کند و ممکن است در طول مسیر با زمین ارتباط الکتریکی داشته باشد و عایق باشد.

 چنانچه سیم نول از الکترود زمین ایزوله باشد یک سکسیونر(Disconnected switch ) یک کویل earth fault که بین الکترود زمین و ترمینال زمین نصب می شود بعنوان کلید است و هادی زمین شناخته می شود.

 هادی اصلی زمین (main earthing conductor) یک هادی است که دیگرهادیهای زمین به آن متصل می شوند این هادی شامل موارد زیر نمی شود:

 1- هادی ارتی که قسمت های مختلف زمین یک تجهیز سه فاز مثل ترانسفورماتور را به یکدیگر وصل می کند.

2- هادی نولی که قسمت های زمین چند متغیر مختلف را به هم وصل می کند و بعد به یک  هادی زمین دیگر متصل می شود.

- سیستم زمین(Earthing system ) یک سیستم شامل اجزاء بالا که بدنه تجهیزات و همچنین قسمتهای فلزی ساختمان را به زمین متصل میکند و زمین کردن به معنی متصل کردن بدنه هادی تجهیزات به یک سیستم زمین است.

 - مقاومت ویژه زمین(Specific earth receptivity  ) مقاومت ویژه زمین با واحد  اندازه گیری می شود و نشاندهنده مقاومت بین دو نقطه مقابل یک مکعب مربع به ضلع 1m از خاک است.

- مقاومت پراکنده (Dissipation Resistance) مقاومت بین الکترود زمین و زمین مبنا است.

امپدانس زمینEarth Impedance امپدانس Ae بین سیستم زمین و زمین در فرکانس کارى است از موازی کردن  و امپدانس کابلهای زمین مقدار امپدانس زمین بدست می آید برای مثال کابلهای هوایی ارت و هادیهایی که بعنوان الکترودهای ارت استفاده می شوند با هم  را می سازند.

مقاومت ایمپالس زمین (Impulse earthing Resistance ) مقاومتی که جریان حاصله از صاعقه بین یک نقطه از سیستم زمین وزمین مبنا از آن می گذرد.

 زمین کردن حفاظتی(Protective earthing ) زمین کردن قسمت های هادی است که جزء یک مدار اصلی نیستند( مثل بدنه فلزی تجهیزات یا قسمتهای فلزی ساختمان) بمنظور خفاظت افراد در مقابل ولتاژهایی که در شرایط نرمال در دسترس فرد نیستند.

 زمین کردن سیستمی( system earthing ) زمین کردن یک نقطه از مدار اصلی است( مثل مرکز ستاره ترانسفورماتور) برای بدست آورد و ایمن عمل کردن سیستم که به دو صورت انجام می گیرد.

 1- مستقیم(Direct ): چنانچه هیچ امپدانسی در نقطه زمین قرار نگیرد.

2- غیرمستقیم(indirect ) چنانچه یکی امپدانس( مقاومتی، سلفی یا خازنی در نقطه زمین قرار داده شود.)

زمین کردن حفاظتی صاعقه (lightning protecting earthing) زمین کردن قسمت های فلزی است که جزء مدار اصلی نیستند بمنظور جلوگیری کردن از انتقال اضافه ولتازهای بالا(Flashover ) به هادیهای مدارهای اصلی

ولتاژ زمین( Earthing voltage ) ولتاژی است که بین سیستم ارت و زمین مبنا می افتد.

پتانسیل سطحى زمین (Earthing Voltage ) : پتانسیل موجود بین یک نقطه در سطح زمین و زمین مبنا.

پتانسیل لمس(touch voltage) قمستی از ولتاژ زمین است که می تواند روی بدن فرد بیفتد.  و مسیر جریان خود را در بدن فرد از دست به پا یا از دست به دست دیگر ببندد.

 ولتاژ گام( Step voltage ) قسمتی از ولتاژ زمین است که می تواند با بدن فردی یا طول گامهای 1m موازی شود و مسیر جریان خود را در بدن فرد از یک پا به پای دیگر ببندد در استانداردهای IEEEوDIN VDE 0101 هیچ محدوده خاصی برای مقدار ولتاژ تعیین نشده است.

کنترل پتانسیل( Potential control ) عبارت است از کنترل پتانسیل زمین مخصوصاً پتانسیل سطحی زمین بمنظور کاهش ولتاژ تماس و ولتاژ گام در محیط های outdoor( مثل پست) بمنظور حفظ جان افراد.

 خطای زمین (Earth fault) یک ارتباط الکتریکی است بین یک هادی از مدار اصلی با زمین یا یک قسمتی که در اثر نقص زمین می شود. ارتباط الکتریکی ممکن است در اثر صاعقه ایجاد شود.

 جریان خطای زمین( Earth fault currant  ) جریانی است که در اثر خطای زمین در یک نقطه از سیستم، به زمین مبنا جاری می شود که این جریان شامل انواع زیر است.

1- جریان خطای خازنی که در شبکه هایی با نول ایزوله جاری می شود.

2- جریان زمین باقی مانده() در شبکه هایی با خطای زمین جبران شده جاری می شود.

3-جریان توالی صفر() در شبکه هایی که نول آنها بامقاومت پائین زمین شده است جاری می شود.

- جریان ارت( Earthing current ) جریان کلی است که از طریق امپدانس زمین در زمین جاری می شود. جریان ارت یک قسمت از جریان خطای زمین است که باعث افزایش در پتانسیل یک سیستم زمین می شود.

2-3  مشخصات

1-3-2 انواع الکترود زمین: از انواع الکترود زمین که براساس موقعیت قرارگیری دسته بندی می شوند. موارد زیر برجسته تر و متداول تر هستند.

1-الکترودهای سطحی زمین( Surface earth electrodes ) الکترودهایی هستند که عموماً در موقعیتهای کم عمق حدود 1m قرار می گیرند آنها می توانند رشته ای  میله ای یا کابلهای رشته رشته شده باشند. که یک قطاع، دایره یا یک شبکه از الکترودهای ارت را تشکیل دهند. گاهی نیز الکترود ارت ترکیبی از موارد ذکر شده بالاست.

 2- الکترودهای زمین عمقی(deep earth electrodes ) الکترودهایی هستند که بطور عمودی در عمق زیاد زمین قرار می گیرند و می توانند لوله  های توپر گرد( و یا هر سطح مقطع دیگری) و لوله های توخالی باشند.

دسته بندی الکترودهای زمین براساس شکل و سطح مقطع.

 موارد زیر کاربردی تر و برجسته تر هستند.

رشته ها وکابلهای استاندارد و لوله های زیرزمینی

الکترودهای زمین نول: قسمت های فلزی مرتبط با زمین یا آب که ارتباط آنها یا مستقیم است یا از طریق بتون و هدف اصلی از زمین شدن آنها زمین کردن نبوده اما بعنوان الکترودهای زمین استفاده می شوند. مثل لوله ها،دیوارهای زیر آب پایه های تقویت شده بتون، قسمت های فلزی ساختمان و ....

کابلهای با اثر زمین: کابلهایی که شیلد فلزی، یا غلاف فلزی یا آرمور فلزی دارند.

فونداسیون ارت: هادی هایی هستند که در بتون دفن می شوند( بتون در سطح گسترده با زمین درارتباط است)  فونداسیون ارت همانند این است که هادی ها در خاک قرار داده شده اند.

الکترود میله ای جایی استفاده می شود که خاک دارای رسانایی متغیر باشد و طول این میله معمولاً 3 متر است که در لایه های مختلف خاک نفوذ می کند.

فصل دوم : طرح های مختلف اتصال به زمین

2-1-  طریقه نمایش طرح های اتصال به زمین

اولین حرف وضعیت سیم نول نسبت به زمین را مشخص می کند.

:T اتصال مستقیم نول به زمین

:I عدم وجود ارتباط بین نول و زمین و یا ارتباط  از طریق یک امپدانس واسط

دومین حرف وضعیت بدنه تجهیزات را مشخص می کند.

:T اتصال بدنه ها با یک اتصال جداگانه به زمین

:N اتصال بدنه ها به سیم نول

2-2- طرح های اتصال به زمین( اقتباس از MERLIN-GERIN )

2-2-1- نول زمین شده( سیستم TT )در این روش نول سیستم مستقیماً زمین می شود و بدنه تجهیزات نیز جداگانه زمین می شوند.

  محافظت اشخاص در این سیستم به کمک حداقل یک رله دیفرانسیل در ورودی سیستم انجام می گیرد.

 مشخصات اصلی این سیستم عبارتند از:

 1- روش ساده چه از جهت آموزش چه از جهت نصب

2- احتیاجی به مراقبت ویژه نیست

3- وجود رله دیفرانسیل با جریان باقی مانده(DR) با حساسیتی کمتر از 300mA  از نظر آتش سوزی جلوگیری می کند.

 4- آن بخش از سیستم که دچار نقص می شود با استفاده از رله های  متعدد می تواند دارای به گزینی بیشتری باشد.

 5- مصرف کننده ها یا بخشهایی از تجهیزات که دارای نشتی هاى قابل توجهی هستند باید تحت اندازه گیری های دقیقی قرار گیرند تا از قطع بی موقع جلوگیری شود( استفاده از ترانسفورماتور جداکننده یا DR با تنظیم بالا).

- در طرح TT ، محافظت افراد در برابر تماس های غیر مستقیم توسط یک دیزنکتور با رله دیفرانسیل حساس به جریان باقی مانده(DDR ) با حساسیت متوسط و پایین انجام پذیر است.

جدول زیر اندازه تنظیم جریان  برحسب تابعى از   

(فرمول ها و جداول در فایل اصلی قابل مشاهده است)

حفاظت اجباری حداقل در مقابل خطای ناشی از تجهیزات:                                                                                        

ولتاژ حد قراردادی

 مقاومت اتصال زمین مربوط به بدنه ها

 فرمان نامی رله دیفرانسیل

2-2-2 اتصال به زمین به روش TN

اتصال به زمین به روشTN به سه شکل اجرا می شود: روش TNC . روش TNS و روش TN-C-S

 در روش TNC  هادی نوترال و هادی محافظ یکی می شود در واقع در این روش بدنه ها و نول به هم وصل شده و زمین می شود. به هادی نولی که نقش نول را نیز ایفا می کند PEN می گویند.

 در این روش تریپ توسط حفاظت جریان زیاد مثل فیوز یا دیزکتور در اولین خطای عایق رخ می دهد.

 مشخصات اصلی سیستم TNC :

 1-اقتصادی شدن تجهیزات (حذف یک هادی و یک پل )

2- استفاده از کابل کشی ثابت و کابل تک رشته( استاندارد NFC 15100 )

3- لزوم حضور پرسنل نگهداری کاملاً آموزش دیده

4- لزوم کنترل دوره ای پیوستگی هادیها

5- لزوم توزیع همگن اتصالات زمین در یک مجموعه

6- لزوم یک بازرسی اجباری بعد از هر قطع ناشی از بروز اولین خطا

7- افزایش خطر آتش سوزی به دلیل بالارفتن میزان جریان خطا