پیشگفتار

سیستم زمین به عنوان جزء حیاتی سیستمهای الکتریکی، نقش بسزایی در تامین ایمنی و کارکرد صحیح و موثر تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی داشته و میبایست بطور اصولی و مهندسی مورد بررسی و طراحی قرار بگیرد. به دلیل تاثیر بالایی که طراحی و اجرای صحیح سیستم زمین در افزایش کارایی تجهیزات و حفظ ایمنی پرسنل دارد، استانداردهای متعددی در این زمینه منتشر شده و هر ساله به روز می شوند که از آن جمله میتوان استانداردهای زیر را نام برد:

- IEEE Std142: IEEE Recommended Practice for Grounding of Industrial and commercial Power System

- IEEE Std80: IEEE Guide for Safety in AC Substation Grounding

- IEEE Std1100: IEEE Recommended Practice for Powering and Grounding Electronic Equipment 

- BS 7430: Code of practice for Earthing

        در حال حاضر شرکت تاراز نیر آداک با دراختیار گرفتن کلیه استانداردهای فوق و ترجمه متون آن آمادگی مشاوره و طراحی تخصصی دراین زمینه را دارا میباشد.

        در اینجا سعی داریم پاره ای از نکاتی را که در طراحی سیستم زمین میبایست مورد ملاحظه قرار گیرد، بصورت کلی و مختصر مورد بررسی قرار دهیم. عمده عناوین و مطالب از استانداردهای مرتبط و معتبر جمع آوری شده است و بدیهی است مسائل بسیاری در ارتباط با طرح و اجراء سیستم زمین در حاشیه وجود          دارد و لازم است در هر مورد به استاندارد مرتبط با آن موضوع مراجعه شود.

- اهداف اجرای سیستم زمین

       بطورکلی هر سیستم زمینی به منظور برآورده کردن نیازهای زیر اجرا میگردد:

- صاعقه و جریان اتصال کوتاه: سیستم زمین در اینگونه موارد محلی برای انتشار و تخلیه جریانهای ناشی از صاعقه در زمان اصابت مستقیم آن و همچنین مسیر عبور جریانهای اتصال کوتاه میباشد تا بدین وسیله، از تجهیزات الکتریکی دربرابر آسیبهای احتمالی چون ایجاد قوس 

       ا لکتریکی ، آتشسوزی و همچنین افزایش دما بر اثر عبور جریان اتصال کوتاه، حفاظت نماید.

- ایمنی افراد: سیستم زمین میبایست جریانهای ناشی از اصابت صاعقه و جریانهای اتصال کوتاه را به نحوی هدایت نماید که هیچ شخصی در معرض پتانسیل-های گام و تماس قرار نگیرد.

- حفاظت تجهیزات: سیستم زمین می بایست با فراهم آوردن یک مسیر با امپدانس پایین به تجهیزات متصل شده، تا از مدارات الکترونیکی در برابر اغتشاشات و منابع نویز محافظت نماید.

        از طرفی زمین دارای یک فضای هادی با یک مقاومت ویژه است ، بنا بر این از دیدگاه نظریه الکترواستاتیک هر الکترود دفن شده در زمین نسبت به نقطه مرجع در بینهایت دارای یک مقاومت است. طرح شکل و نحوه قرار گیری اجزاء الکترود در میزان مقاومت بدست آمده تاثیر   بسزایی دارد، مقاومت الکترود زمین همچنین در مقادیر پتانسیل های سطحی زمین که در اثر جریان خطا بوجود می آیند، متاثر است. از اینرو لازم است قبل از اجراء سیستم زمین تحقیقات گسترده ای در زمینه خاک و عوامل موثر در آن و ویژگیهای بدن انسان انجام گیرد.

- اجزاء اصلی سیستم زمین:

        هر سیستم زمین مطابق شکل(1) دارای سه جزء اصلی می باشد. این سه جزءعبارتنداز: 

        1-الکترود زمین، 2- هادی زمین و 3- باس بار یا شین زمین.

       الکترود زمین بسته به نوع طرح هر شکلی می تواند داشته باشد و یا می تواند تلفیقی از انواع مختلف باشد در بخشهای بعد توضیح مختصری  راجع به انواع الکترود رایج ارائه خواهد شد. همچنین ارتباط الکتریکی الکترود با  با جرم کلی زمین نیز توسط یک المان مقاومتی فشرده و   سمبل  زمین الکتریکی ایده آل مدل می شود که منظور از مقاومت الکترود همان Rg می باشد.

(شکل 1)

·       تحقیق در مورد خاک و عوامل موثر در مقاومت ویژه:

اولین پارامتری که جهت ایجاد سیستم زمین می­بایست مورد ارزیابی قرار بگیرد تعیین مقاومت ویژه الکتریکی خاک می­باشد.

طبق تعریف، مقاومت ویژه الکتریکی خاک مقاومت حجمي ازخاك به ابعاد 1×1×1 متر است، كه بين دو الكترود اندازه گيري می­شود و واحد آن اهم-متر می باشد.

سه پارامتر اساسی و تاثیر گذار در مقاومت ویژه خاک: درصد رطوبت خاک، درصد نمک موجود در خاک و دما می­باشد. تاثیر هر سه پارامتر در شکل (2) به وضوح دیده می شود. مهمترین این پارامترها رطوبت می باشد، زیرا رطوبت موجود در مناطق مختلف بستگی به شرایط آب و هوایی داشته و همچنین در زمینهای سنگی رطوبت بسیار کمتر است.

دمای پایین می تواند موجب افزایش مقاومت ویژه شود بدین منظور استاندارد  IEEE 80 عمق یخ زدگی خاک را 80 سانتی متر در نظر می گیرد.

شکل (2)

-      مدل بندی انواع خاک:

      جهت محاسبه مقاومت الکترود زمین از سه مدل زیر استفاده می شود:

1- مدل یکنواخت: دراین مدل  مقاومت ویژه خاک در ازاء تغییر عمق ثابت است.

2- مدل غیر یکنواخت:  مشخصات و مقاومت ویژه خاک با تغییر عمق تغییر می کند. 

3- مدل دو لایه : در این حالت فرض می شود یک لایه باعمق h وبامقاومت ویژه  ρ1 در بالا و بقیه عمق خاک با مقاومت ویژه   ρ2 وجود دارد.

دانستن نوع مدل خاک در طراحی سیستم زمین بسیار حائز اهمیت است. اغلب در طراحی سیستم زمین پستهای فشار قوی از مدل دو لایه استفاده می شود.

- اندازه گيري مقاومت ويژه خاك :

 بهترين ومناسب ترين روش اندازه گيري مطابق با استاندارد IEEE 81.2 روش 4 نقطه اي ونر (Wenner) ميباشد (مقاله پیشنهادی اندازه گیری مقاومت ویژه خاک و مدل سازی (روش ونر Wenner))

. دراين روش 4 عدد ميل كوتاه (حداكثر 50 cm ) مطابق شكل (3)  با فاصله يكسان درزمين كوبيده مي شود .

بين دوالكترود اول و چهارم جريان ac ارسال و بين الكترودهاي دوم وسوم ولتاژي اندازه گيري مي شود . مقاومت ويژه ازروش ونر بصورت زير به دست مي آيد :                                          

این روش اندازه گیری در مقاله های قبلی به طور کامل شرح داده شده است جهت اطلاع بیشتر به مقاله  مذکور میتوانید مراجعه بفرمایید .

- الکترود زمین

در طراحی الکترود زمین، اندازه، ابعاد و موقعیت قرارگیری الکترودها از اهمیت بسزایی برخوردار است. موارد فوق نه تنها برای رسیدن به امپدانس پایین بلکه از جهت کنترل شکل میدان الکتریکی ایجاد شده بر روی سطح زمین، حائز اهمیت است.

مقاومت سیستم الکترود زمین و جریانی که به خاک تزریق میشود، میزان اختلاف ولتاژ مابین سیستم و زمین را تعیین میکند. در جریانهای خطای بزرگ، این ولتاژ میتواند بسیار بزرگ باشد و با دور شدن از الکترود، کاهش یابد. این افزایش پتانسیل زمین (GPR) میتواند خطرناک باشد.

بنابراین پس از تعیین مقاومت ویژه الکتریکی خاک محل، میبایست دو پارامتر دیگر را مورد ارزیابی قرار داد:

1- ولتاژ تماس 2- ولتاژگام

شکل(4)

ولتاژ تماس، اختلاف ولتاژی است مابین تجهیز متصل به زمین و فردی که با تجهیز در تماس است و بر روی زمین ایستاده.

ولتاژ گام، ولتاژی است که در بین فاصله دو پای فرد ایستاده برروی زمین (حدوداً 1 متر) ایجاد میگردد.

ماکزیمم ولتاژ گام و تماس قابل تحمل فرد با توجه به مقاومت ویژه خاک، ماکزیمم زمان بروز خطا و وزن افراد محاسبه می شود. این ولتاژها برای فردی با وزن 70 کیلوگرم طبق روابط زیر بدست می آید:

با تعیین ماکزیمم ولتاژ گام و تماس مجاز ، شروع به طراحی سیستم زمین در جهت به حداقل رساندن مقادیر ولتاژ گام و تماس میکنیم.

در صورتیکه مقاومت ویژه خاک محل پایین باشد، شاید بتوان تنها با اتصال یک میله زمین به مقاومت پایینی دست پیدا کرد. ولی چنانچه در الگوی سمت چپ شکل(4)  دیده میشود، اینحالت شیب تندی از تغییرات ولتاژ را ایجاد میکند که ولتاژهای گام و تماس خطرناکی را ایجاد میکند. درصورتیکه در الگوی سمت راست شکل(4)، این شیب بسیار ملایم و تقریبا مسطح میباشد. این بدان علت است که در سیستم فوق از اتصال زمین شبکه مش استفاده شده است و آن باعث ایجاد پراکندگی یکنواخت جریان و ایجاد سطوح ولتاژ همتراز برروی سطح زمین میشود و ولتاژهای گام و تماس را در حد قابل قبولی کاهش میدهد.

بدین ترتیب سیستم مش میتواند ایمنی لازم را تامیین نماید. لازم به ذکر است که چنین سیستمی قابلیت عبور جریانهای لحظه ای فرکانس بالا را داشته و امپدانس کمی را در برابر عبور چنین جریانهایی از خود نشان میدهد.

در زیر نحوه اجرای سیستم مش، مطابق صفحه 71 از استاندارد IEEE80 آورده شده است:

-اصول و روش اجرای سیستم مش:

آنالیز سیستم مش اغلب با بازدید از سایت پلان کلی ایستگاه شروع میشود، بطوریکه میبایست کلیه تجهیزات و سازه های موجود در آن در نقشه سایت، نمایش داده شده باشد. سپس با رعایت موارد زیر، طرح اولیه پیاده میشود:

1- یک مسیر کابل مسی، دورتا دور محلی را که برای اجرای زمین درنظر گرفته ایم احاطه میکند. این مسیر سیم مسی میبایست دارای پیوستگی الکتریکی باشد. این باعث اجتناب از تمرکز جریان در عبور از یک نقطه و افزایش گرادیان ولتاژ در انتهای هادی زمین میشود.

2- درداخل حلقه ایجاد شده سیمهایی را به موازات هم قرار میدهیم تا شکل توری به خود گیرد. سیمهای استفاده شده از نوع کابل مسی بدون روکش با حداقل سطح مقطع 50 میلیمتر مربع بوده و در عمق 0.5 تا 1.3 متری زمین دفن می شوند. این عمق بسته به عمق یخزدگی خاک قابل تغییر است. فاصله هریک از هادیها 3 تا 7 متر بوده و محل تلاقی هادیها از روی یکدیگر می بایست بطور قابل اطمینانی به هم وصل شوند (استفاده از جوش احتراقی ارجحیت دارد).

3- میتوان از میله های زمین نیز در گوشه ها و محلهای تلاقی هادیها در محیط پیرامونی استفاده نمود. در زمینهایی با خاک چند لایه و زمینهایی با مقاومت ویژه بالا می¬توان از میله های بلند (در برخی موارد تا 30 متر(100 فوت)) استفاده نمود. همچنین میتوان با حفر چاه زمین آنها را نیز به سیستم مش اضافه نمود تا از مقاوت زمین کاسته شود.

4- افزایش هادیهای داخل مش تاثیر اندکی در کاهش مقاومت زمین داشته ولی در عوض از میزان افزایش پتانسیل سطحی زمین خواهد کاست.

برای کاهش مقاومت زمین میتوان از مواد کاهنده مقاومت زمین شیمیایی و همچنین بنتونیت استفاده نمود.

در زیر نمونه ای از نقشه زمین یک سایت نوعی آورده شده:

چنانچه دیده میشود، کلیه تجهیزات و سازه ها ، به شبکه مش متصل میشوند. این اتصال از چند نقطه انجام شده است. سازه (1) در شکل فوق یک سازه فولادی مسلح بوده و از چند نقطه به شبکه مش متصل شده است. سازه(2) یک دکل و سازه(3) یک تجهیز بوده که از چند نقطه به شبکه مش متصل شده است.

- نتیجه گیری 

ایجاد یک ارتباط الکتریکی بین اجزاء و دستگاهها با زمین جهت هدایت جریانهای مختلف به زمین، نیازمند طراحی و اجرای یک سیستم زمین می باشد. سیستمهای زمین مختلف می تواند با اهداف خاصی اجرا گردد، یکی از این اهداف انتقال جریانهای خطا به زمین، به منظور ایجاد ایمنی برای افراد و تجهیزات در تاسیسات مختلف  می باشد . 

وظیفه انتقال جریانها و بارهای الکتریکی به زمین ، برعهده الکترود زمین می باشد، از طرفی زمین دارای یک فضای هادی با یک مقاومت ویژه است ، بنا بر این از دیدگاه نظریه الکترواستاتیک هر الکترود دفن شده در زمین نسبت به نقطه مرجع در بینهایت دارای یک مقاومت است. مقاومت ویژه خاک، طرح شکل و نحوه قرار گیری اجزاء الکترود در میزان مقاومت بدست آمده تاثیر بسزایی دارد. مقاومت الکترود زمین همچنین در مقادیر پتانسیلهای سطحی زمین که در اثر جریان خطا بوجود می آیند، متاثر است. از اینرو لازم است قبل از اجراء سیستم زمین تحقیقات گسترده ای در زمینه خاک و عوامل موثر در آن و ویژگیهای بیولوژیکی بدن انسان انجام گیرد.

طراحی فنی و تخصصی سیستمهای زمین در شرکت تاراز نیر أداک با استفاده از نرم افزارهای طراحی سیستم زمین و با بهره گیری از استانداردهای معتبر دنیا همچون IEEE-80 ،   IEEE-81  ، BS 7430   IEEE142 ، IEEE1100 ، صورت می گیرد . 

بدیهی است که مسائل بسیاری در ارتباط با طرح و اجراء سیستم زمین در حاشیه وجود دارد که لازم است در هر مورد به استاندارد مرتبط با آن موضوع مراجعه شود.

انواع سیستمهای زمین به لحاظ کاربرد به دو گروه کلی زمین الکتریکی و زمین حفاظتی تقسیم بندی می شوند به دلایل حفاظتی و ایمنی زمين حفاظتي در تمامي تاسيسات دارای اولویت است.

محاسبات مربوط به مقاومت سیستم زمین و پروفیل پتانسیل های گام و تماس با استفاده از روش اجزاء محدود (Finite Element Method) به صورت دقیق انجام می شود از اينرو براي طراحي سيستم زمين حفاظتی پارامتر های زیر مورد نیاز است:

- مقاومت ویژه و جنس خاک

- ابعاد زمین سایت 

- حداکثر جریان اتصال کوتاه زمین 

- زمان عملکرد رله های حفاظتی متناسب با جریان اتصال کوتاه

- حداکثر ولتاژ قابل تحمل برای افراد و تجهیزات 

- سایت پلان