مشخصه های یک سیستم زمین مطلوب

مشخصه های یک سیستم زمین مطلوب

غیر از جنبه اقتصادی (هزینه طرح و اجرا) که طبیعتاً هرچه نازل تر باشد بهتر است ، از دید فنی، ویژگی های یک سیستم زمین مطلوب عبارتند از:

1-امپدانس الکتریکی پائین 

2- استحکام مکانیکی بالا (به ویژه در محل اتصالات)

3- مقاوت بالا در برابر خوردگی 

در مورد ویژگی اول باید تاکید کرد که توجه به * مقاومت الکتریکی* در سیستم زمین ، لازم است ، ولی کافی نیست. به ویژه وقتی با فرکانس های بالا (مانند صاعقه یا اختلالات الکترو مغناطیسی سرو کار داریم) باید *امپدانس* سیستم زمین مدنظر قرار گیرد. در واقع در کلی ترین حالت، هر الکترود زمین هم مولفهٔ مقاومتی و سلفی دارد.

یک مثال عملی ارائه شده مبنی بر این که، یک الکترود میله ای به طول 4/2 متر و قطر ۱۶ میلی متر در زمینی با مقاومت مخصوص معین ،دارای  *مقاومت* حدود ۲۰ اهم است , اما “امپدانس موجی ” همین الکترود به ۱۹۰ اهم می رسد!.

دو ویژگی بعدی، در واقع متفقا به یک خصوصیت مهم سیستم زمین، یعنی *عمر مفید * آن منجر می شوند. خاصه جنبهٔ خوردگی ، که در صورت بی توجهی می تواند کیفیت سیستم زمین را در طول زمان به سرعت تنزل دهد. برخی مهندسان برق تصور می کنند چون رشته آن ها برق است، فراگیری مسائل مرتبط با خوردگی برای آن ها لزومی ندارد . در واقع گاهی در عمل دیده می شود که همین بی اطلاعی از مفاهیم اولیه خوردگی ، طراحان و مجریان سیستم زمین را به طرح های به شدت محافظه کارانه و اسراف در منابع سوق داده است.

هم بندی (هم پتانسیل کننده) 

هم بند کردن (اتصال الکتریکی کم مقاومت) همه بدنه های هادی ، هادی های بیگانه، شینهٔ اصلی زمین ، الکترود(های) زمین و… ، همواره با هدف به حداقل رساندن اختلاف پتانسیل آن ها در هنگام وقوع اتصالی انجام می شود. در واقع هرگاه این اجزا همگی از طریق هادی ها هم بندی اصلی به شینهٔ اصلی زمین متصل گردند، پتانسیل آن ها تا حد بسیار زیادی به هم نزدیک می شود. در شرایط خاصی، ممکن است لازم باشد حتی در حضور هم بندی اصلی، بین برخی از اجزای هم بند شده، اختلاف پتانسیل باز هم کم تر شود (مثلاً در یک مکان مرطوب مانند حمام که ولتاژ تماسی قابل تحمل برای انسان ، به نصف ولتاژ مربوط به مکان خشک تقلیل می یابد). در این شرایط از هم بندی تکمیلی استفاده می گردد ، به این شکل که همان اجزایی که در قالب هم بندی اصلی به شینهٔ اصلی زمین متصل شده اند، مجدداً به صورت محلی نیز از طریق هادی هم بندی تکمیلی به یک دیگر هم بند می گردند.

باید دانست بر اساس مقررات ملی، هم بندی اصلی در هر شرایطی لازم الاجرا است ، ولی اجرای هم بندی تکمیلی بنا به صلاحدید طراح تاسیسات الکتریکی ضرورت می یابد. نکته ظریف دیگر این که هم بندی قطعاً و اساساً “روی زمین ” انجام گردد ولی زمین کردن “هم داخل زمین و هم روی زمین ” انجام می شود. (TN) نکتهٔ مهم دیگر این که در سیستم های

، آن قدر که انجام هم بندی های اصلی و تکمیلی در حفاظت و ایمنی اشخاص داخل ساختمان نقش دارند، مقدار مقاومت الکترود زمین نقش ندارد. لذا به جای تمرکز افراطی و پرداخت هزینه های غیر ضروری برای پایین آوردن مقاومت الکترود زمین ساختمان (که در حقیقت خدمتی است به شرکت های توزیع برق برای کاهش مقاومت معادل نول)، بهتر است به هم بندی اصلی و تکمیلی ساختمان توجه شود.

.

الکترود های زمین مستقل

از منظر بند ۱۳_۲_۳_۸ مقررات ملی ساختمان ، الکترود های زمین مستقل ، الکترود هایی هستند که فاصله آن ها از از هم دیگر به قدری دور باشد که در صورت عبور حداکثر جریان از یکی از آن ها ؛ پتانسیل {گ} سایر الکترود ها به نحو قابل ملاحظه ای تغییر نکنند

.می توان گفت هرگاه حوزهٔ مقاومتی دو الکترود زمین با یک دیگر تداخل کنند، گوئیم این دو غیر مستقل اند و هرگاه این حوزه ها تداخلی نداشته باشند ، مستقل محسوب خواهند شد.

شاید به جرات بتوان گفت تسلط بر مفهوم سیستم زمین ، تا حد زیادی متضمن درک صحیح مفهوم الکترود های زمین مستقل است . این مسئله در صحنهٔ عمل، چالش های متعددی را برای مهندسین برق ایجاد می کند . برای نمونه یکی از نگرانی های رایج طراحان و بهره برداران شبکهٔ توزیع این است که

آیا در یک پست MV/LV ، الکترود زمین حفاظتی سمت فشار متوسط، از الکترود های الکتریکی (زمین نول) سمت فشار ضعیف مستقل هست ؟

قاعدتاً در این نوع شبکه ها بایستی مرکز ستارهٔ ترانسفور ماتور به صورت مستقل نسبت به سمت فشار متوسط، زمین شود. اما با توجه به این که زمین عایق نیست و ازطرفی، تجمع سازه های فلزی و بتن مسلح هم اطراف پست زیاد است، آیا می توان ادعا کرد الکترود زمین فشار ضعیف که ظاهراً ۲۰ متر دور تر از الکترود زمین فشار متوسط اجرا شده ، الزاماً از آن مستقل است؟

نظیر همین موضوع در صنایع بزرگ که هم تجهیزات مخابراتی و ابزار دقیق ، هم تجهیزات قدرت و صاعقه گیر دارند، مطرح است .

آیا کسی می تواند ادعا کند که یک زمین مستقل ابزار دقیق ساخته و فاصله آن با سایر زمین ها به قدری است که در صورت عبور جریان اتصالی از یکی از آن ها (مثلاً زمین صاعقه گیر یا قدرت)، پتانسیل زمین ابزار دقیق به نحو قابل ملاحظه ای تغییر نمی کند؟

پس از اجرا ، شاید بتوان از طریق اندازه گیری تا حدی به میزان استقلال یا وابستگی الکترود های زمین پی برد ، اما در فاز طراحی ، اظهار نظر در این مورد کاری بسیار دشوار است .

زمین تمیز و کثیف

در نظر بسیاری از افراد، اصطلاح زمین تمیز (یا آرام) و زمین کثیف ، عباراتی بسیار معقول و مشروع و دارای معانی روشنی هستند!

ولی در استاندارد IEEE STD. 1100 استفاده از این واژه ها نهی شده است . این استاندارد معتقد است که باید از کاربرد این نوع کلمات که معانی چند گانه و مبهمی دارند (گرچه که رایج هم شده باشند . ) اجتناب شود. به خصوص در این استاندارد ، به دو اصطلاح مبهم Clean Ground و Dirty Ground  اشاره شده است.

بر اساس آنچه نگارندگان از استاندارد ها و مدارک معتبر و تجارب عملی دریافته اند، گرچه بسیاری از این دست کلمات ، عباراتی پر رنگ و لعاب و دهن پرکن هستند، ولی بهتر است به تبعیت از استاندارد ها، از اصرار بر تعریف و توضیح و ذکر مصادیق آن ها خودداری نموده و بر همان دو اصطلاح دقیق تر زمین مستقل و زمین وابسته تاکید کرد.

به این ترتیب اگر قرار باشد برای یک اتاق ذخیره و تبادل اطلاعات و داده ها، سیستم زمینی اجرا شود که در صورت اصابت صاعقه به ساختمان اصلی یا همسایه ، از صدمه دیدن تجهیزات گران قیمت و حساس جلوگیری نماید، بهتر است صحبت از لزوم اجرای یک سیستم زمین مستقل کنیم نه سماجت بر ایجاد یک. سیستم زمین تمیز !

نکته جدی البته با بیان شوخی این که احتمال توفیق در اجرای یک زمین مستقل برای تجهیزات ابزار دقیق در یک ساختمان که سیستم زمین صاعقه گیر و قدرت هم در آن اجرا شده؛

از احتمال یافتن مروارید درون دریای خزر ، یا خاویار درون خلیج فارس کم تر است!  طراحی و اجرا و عملکرد مطلوب یک زمین مستقل در عمل ، در شرایطی که درون زمین پر از فونداسیون و لوله و فلزات مختلف است ( و به اصطلاح ترافیک زمین بالاست ) تقریباً غیر ممکن می‌باشد .

معیار دقیقی جهت تعیین مقدار مقاومت زمین مستقل در دست نمی باشد و شاید این پارامتر ، اصولاً ترازوی چندان دقیقی هم برای سنجش کیفیت الکترود مذکور نباشد. الکترود زمینی که ولتاژ های نا خواسته ناشی از جریان های داخل زمین را به تجهیزات ابزار دقیق و کامپیوتر ها منتقل نکند، خواه یک الکترود ساده باشد ، خواه یک شبکه وسیع ایزوله، زمین مستقل خوبی تلقی می شود .

بر خلاف زمین ارام، آن چه اغلب زمین کثیف یا نویزی خوانده می شود ، معنای ملموس تری دارد و اغلب به یک شبکه زمین الکتریکی گفته میشود که استعداد القاء یا تزریق ولتاژ های نا خواسته و مزاحم به سیستم های الکترونیکی حساس را دارد .

بند 5.5.3.1  استاندارد IEEE STD. 142  با انتخاب هوشمندانه به عنوان زمین ایزوله /مستقل و جدا کردن این دو مفهوم با علامت ممیز ، ابتدا اشاره کرده چه درک درستی از سیستم زمین قدرت و هادی نول در نزد سازندگان تجهیزات الکترونیکی و ابزار دقیق نیست و به همین دلیل دائما تاکید بر ایزوله بودن و دور بودن هادی ها و شینه ها و حتی الکترود های زمین ابزار دقیق از الکترود های زمین قدرت کرده و این را لازمهٔ عملکرد صحیح تجهیزات الکترونیکی و عدم آسیب پذیری آن ها در لحظات گذرای صاعقه و اتصالی میدانند..