هادی PEN چیست؟

هادی PEN، یک هادی منفرد است که در سیستم TN به کار رفته و ترکیب دو هادی خنثی (N) و هادی حفاظتی (PE) است. این هادی معمولا در سیستم‌های فشار ضعیف PME پر کاربرد است.

پارگی هادی PEN

اگر هادی PEN در طول مسیر قطع شود (در ترانسفورماتور توزیع، ژنراتور یا در طرف مصرف‌کننده (تابلو اصلی))، این هادی در شبکه توزیع "شناور" خواهد شد و نقطه مرجع (ولتاژ صفر) خود را از دست می‌دهد. نول شناور می‌تواند باعث شود تا حداکثر میزان ولتاژ مؤثر (RMS) فاز نسبت به زمین شناور شود و این موضوع بستگی به میزان نامتعادل بودن بار دارد. تاثیرات پارگی هادی PEN در شبکه قدرت بسته به نوع منبع، نوع تاسیسات و میزان عدم‌تعادل بار در شبکه توزیع، متفاوت است.

 قطع شدن هادی PEN و شناور بودن آن، به بار متصل به آن آسیب می‌زند یا باعث ایجاد ولتاژ تماس خطرناک در بدنه تجهیزات می‌شود.

نول شناور چیست؟

اگر هادی PEN یک بار نامتعادل به نقطه خنثی ترانس تغذیه خود وصل نباشد (ترانسفورماتور یا ژنراتور توزیع)، ولتاژ فازها یکسان باقی نمی‌ماند و بسته به میزان نامتعادل بودن بار، هر فاز ولتاژ متفاوتی خواهد داشت و چون پتانسیل نقطه خنثی منبع تغذیه (با آرایش ستاره) یا هادی نول شبکه همیشه تغییر می‌کند و ثابت نیست، به آن "نول شناور" می‌گویند.

وضعیت شبکه در حالت عادی و شناور بودن نول

وضعیت شبکه در حالت عادی

در سیستم‌های سه‌فاز، برای نقطه خنثی و فازها این تمایل وجود دارد که بر اساس نسبت جریان هر فاز، بین ولتاژ آن‌ها نسبت به زمین "تعادل" برقرار شود. ولتاژ نقطه خنثی بسته به نحوه توزیع بار و جریان برگشتی آن، نزدیک به صفر ولت می‌ماند (بار بیشتر بر روی یک فاز معمولاً به معنای جریان بیشتر است).

سیستم‌های سه‌فاز ممکن است هادی نول نداشته باشند. هادی نول به سیستم سه‌فاز این امکان را می‌دهد علاوه بر استفاده از ولتاژ با دامنه بالاتر از تجهیزات تک‌فاز هم که با ولتاژ پایین‌تری کار می‌کنند، پشتیبانی کند. در خط توزیع ولتاژ فشار قوی، استفاده نکردن از هادی PEN معمول است زیرا بارها می‌توانند به سادگی بین فازها (اتصال فاز-فاز) متصل شوند.

ویدیو 1: نحوه کارکرد یک سیستم سالم

سیستم سه‌سیمه با بار خطی سه‌فاز

سیستم سه‌فاز خواصی دارد که مطلوب تاسیسات برقی است.‌ در مرحله اول جریان‌های فاز تمایل به خنثی کردن یکدیگر دارند (در صورت داشتن بار متعادل خطی، جمع برداری جریان‌ها صفر می‌شود). چون زاویه جریان‌های فاز با هم متفاوت است و باعث می‌شود که هادی PEN شبکه در بعضی از خطوط از بین برود. ثانیاً انتقال نیرو به یک بار متعادل خطی ثابت است.

سیستم چهارسیمه با بار غیر خطی سه‌فاز

بیشتر بارهای خانگی تک‌فاز هستند. معمولا برق سه‌فاز یا وارد خانه‌ها نمی‌شود یا در تابلو اصلی جدا می‌شود. قانون جریان کیرشهف می‌گوید که در یک مدار الکتریکی فشرده جمع جریان‌هایی که به یک گره وارد می‌شود یا از آن خارج می‌شوند در هر لحظه برابر با صفر است. به عبارت دیگر مجموع جریان‌های ورودی با مجموع جریان‌های خروجی با هم برابر هستند. اگر نقطه خنثی ترانس را به عنوان گره در نظر بگیریم، در یک سیستم متعادل، جریان یک فاز با دو فاز دیگر مطابقت دارد، در نتیجه هیچ جریانی وارد هادی PEN نخواهد شد. هرگونه نامتعادلی در بار، منجر به عبور جریان در هادی PEN می‌شود، به‌طوری که جمع جبری جریان‌ها برابر صفر خواهد بود.

این حالت در برق سه‌فاز پیچیده‌تر می‌شود، زیرا باید زاویه فازها را هم در نظر بگیریم، اما مفهوم دقیقاً یکسان است. اگر از اتصال ستاره با نقطه خنثی استفاده کنیم، جریان هادی PEN برابر صفر خواهد بود به‌شرطی‌ که سه‌فاز دارای جریان یکسانی باشند. درواقع اگر جمع برداری انجام دهیم، معادله زیر برقرار است:

sin x + sin (x+120) + sin (x+240) = 0

همین مفهوم برای بارهای با اتصال مثلث که بدون هادی PEN هستند نیز اتفاق می‌افتد، اما این نامتعادلی، در خارج از شبکه توزیع و فراتر از ترانس‌های توزیع رخ می‌دهد، زیرا به‌طور کلی، شبکه توزیع به صورت ستاره است.

زمین کردن نقطه خنثی ترانس در سیستم سه‌فاز به تثبیت ولتاژ فازها کمک می‌کند. هادی PEN اگر به زمین وصل نشده باشد، گاهی اوقات به عنوان "نول شناور" شناخته می‌شود و در موارد محدودی کاربرد دارد.

وضعیت شبکه در حالت شناور بودن هادی PEN

جریان برق شبکه توزیع، از طریق فاز به محل مصرف‌کننده‌ها وارد شده و از طریق هادی نول خارج می‌شود. اگر قطعی در مسیر برگشت هادی نول یا PEN وجود داشته باشد، ممکن است این جریان از مسیر دیگری بازگردد؛ یکی از حالت‌ها به این صورت است که جریان یکی از فازها وارد و از طریق دو فاز دیگر بازگردد. پس ولتاژ هادی نول صفر باقی نمی‌ماند و ولتاژی برابر با فازها خواهد داشت. این وضعیت می‌تواند بسیار خطرناک بوده و مصرف‌کنندگان ممکن است (در صورت مصرف برق) دچار شوک‌های جدی شوند.

ویدیو 2: نحوه کارکرد مدارات در حالت شناور شدن هادی PEN در سیستم تک‌فاز

کشف قطعی در طول مسیر هادی PEN دشوار است و در برخی موارد ممکن است به راحتی شناسایی نشود. بعضی اوقات قطعی در هادی نول یا PEN را می‌توان در سوسو کردن چراغ‌ها یا نویز‌های سیستم صوتی تشخیص داد.

اگر در خانه خود چراغ‌هایتان سوسو می‌زنند یا سیستم صوتی شما صداهایی شبیه به نویز دارد، ممکن است در معرض آسیب جدی یا حتی مرگ قرار داشته باشید.

ویدیو 3: نحوه کارکرد مدارات در حالت شناور شدن هادی PEN در سیستم سه‌فاز

اندازه‌گیری ولتاژ هادی نول نسبت به زمین

ولتاژ هادی نول نسبت به هادی حفاظتی در پریز برق می‌تواند ولتاژی برابر 2 ولت یا کمتر داشته باشد، درحالی‌که چند ولت بیشتر نشان‌دهنده نامتعادل بودن است؛ نهایتا 5 ولت به عنوان حد بالایی در نظر گرفته می‌شود.

هادی نول با ولتاژ کم

اگر ولتاژ هادی نول در پریز برق مقدار ناچیزی داشته باشد سیستم سالم است، اگر ولتاژ زیادی داشته باشد، باید مشخص شود که این مشکل در مدارهای نهایی است یا در تابلو اصلی. هادی نول به این دلیل دارای ولتاژ نسبت به زمین خواهد بود که با عبور جریان از این هادی، افت ولتاژی به اندازه IR در طول این هادی به‌وجود می‌آید. اگر سیستم به صورت صحیح سیم‌کشی شده باشد، نباید هادی نول هیچ اتصالی با زمین داشته باشد مگر در ترانس و نقطه تحویل انشعاب به مشترک. تحت این شرایط، هادی حفاظتی باید عملاً جریان نداشته باشد و بنابراین ولتاژ IR روی آن افت نمی‌کند. در عمل، هادی حفاظتی را می‌توان به عنوان یک مرجع آزمایش در نظر گرفت که ولتاژ نول را نسبت به آن بسنجیم.

هادی نول با ولتاژ زیاد

اگر هادی خنثی دارای ولتاژ زیادی باشد، می‌تواند نشان‌دهنده این باشد که در چند مدار مختلف از آن استفاده می‌شود. این هادی مشترک به راحتی باعث اضافه بار یک مدار بر روی مدار دیگر می‌شود.

عوامل مختلفی که باعث شناور شدن هادی PEN می‌شوند

چندین فاکتور وجود دارد که به عنوان علت شناور شدن هادی PEN شناخته می‌شوند. تأثیر شناور شدن هادی PEN بسته به محل قطع این هادی متفاوت است:

1)  در ترانسفورماتور توزیع سه‌فاز

نقص‌های بوجود آمده در نقطه خنثی ترانسفورماتور بیشتر به علت خراب شدن بوشینگ این هادی است. اتصال ناقص در بوشینگ به عنوان علت اصلی نقص هادی PEN در ترانسفورماتور شناخته می‌شود. به مرور زمان به‌دلیل لرزش و اختلاف دمای ایجاد شده ناشی از داغ شدن یکی از اتصالات، مهره انشعاب خط از بین می‌رود، هادی PEN شروع به ذوب شدن کرده و در نتیجه باعث قطعی آن می‌شود. 

نداشتن مهارت کافی در اجرای تاسیسات و داشتن ضعف در کادرفنی نیز می‌تواند یکی از دلایل وجود نقص در نقطه خنثی ترانس باشد. شناور شدن PEN در ترانس سه‌فاز باعث می‌شود که هادی PEN ولتاژدار شود که مقدار این ولتاژ بستگی به میزان تعادل بارها دارد. این نوع شناور بودن هادی PEN ممکن است به تجهیزات مصرف‌کنندگان متصل به این منبع تغذیه آسیب برساند. در شرایط عادی جریان از فاز به بار و سپس به منبع تغذیه (ترانس توزیع) بازمی‌گردد. با شناور شدن هادی PEN، جریان به عنوان مثال از فاز R به فاز S یا T باز می‌گردد که در این حالت ولتاژ خط به خط (در ایران 400 ولت) تجهیزات مصرف‌کننده قرار می‌گیرد.

با قطع هادی PEN، تعدادی از مصرف‌کنندگان دچار اضافه ولتاژ و بعضی از آنها با کاهش ولتاژ روبرو می‌شوند.

2) پارگی هادی PEN در خط توزیع فشار ضعیف

تأثیر پارگی هادی PEN در خطوط توزیع فشار ضعیف مشابه قطع شدن آن در ترانس است و ولتاژ تحویلی به مشترک به جای ولتاژ فاز دارای ولتاژ خط خواهد شد. در این نوع خطا نیز امکان سوختن تجهیزات مصرف‌کنندگان وجود دارد.

3) پارگی هادی نول بعد از تابلو اصلی مصرف‌کننده

پارگی هادی نول بعد از تابلو اصلی در طرف مصرف‌کننده فقط باعث قطعی برق می‌شود و هیچ آسیبی به تجهیزات مشتری نمی‌رسد.

4) مقاومت بالای نقطه خنثی ترانس

در این حالت در صورت پارگی یکی از فازها و اتصال اتفاقی آن به زمین، ولتاژ تماس بیشتر از حد مجاز خود شده و خطر برق‌گرفتگی افزایش خواهد یافت. تثبیت ولتاژ نقطه خنثی ترانس به‌وسیله اتصال مناسب آن با زمین فراهم می‌شود؛ به این معنی که مقدار مقاومت سیستم اتصال زمین نباید بزرگ باشد. در هر صورت تثبیت نقطه خنثی ترانس منجر به تثبیت ولتاژ خطی و فازی سیستم خواهد شد.

5) اضافه بار و نامتعادل بودن بارها

اضافه بار در شبکه توزیع همراه با توزیع بار نامناسب یکی از مهم‌ترین دلایل شناور شدن هادی PEN است. هادی PEN باید به درستی و به‌گونه‌ای طراحی شود که حداقل جریان از آن عبور کند. از نظر تئوری جریان هادی PEN باید صفر باشد چون جریان‌های سه‌فاز باهم اختلاف زاویه‌ای (فاز) 120 درجه دارند که جمع جبری آن‌ها با هم صفر می‌باشد. در شبکه توزیع نامتعادل، جریان عبوری از هادی PEN دارای مقدار زیادی است که در اتصالات ضعیف باعث پارگی این هادی می‌شود.

6) هادی خنثی مشترک بین مدارات

برخی از ساختمان‌ها به صورتی سیم‌کشی شده‌اند که دو یا سه مدار دارای یک هادی خنثی مشترک هستند. از لحاظ تئوری، فقط جریان نامتعادل از هادی خنثی باز خواهد گشت؛ این نوع سیم‌کشی به سرعت با رشد بارهای غیرخطی تک‌فاز منسوخ شد. به این دلیل که جریان برگشتی در بارهای غیرخطی، مولفه‌ی هارمونیک سوم آن‌ها به صورت جبری با هم جمع می‌شوند و از طریق هادی نول باز می‌گردند. علاوه بر این‌، اگر در طراحی سطح مقطع هادی نول مؤلفه هارمونیک در نظر گرفته نشود، باعث گرم شدن بیش از حد آن و در نهایت اتصال سست یا پارگی می‌شود. جریان اضافی هادی نول باعث می‌شود که این هادی، نسبت به زمین دارای ولتاژ باشد. در این حالت، اختلاف ولتاژ قرار گرفته بر روی بارهای تکفاز کم شده و با ولتاژ کمتری تغذیه می‌شوند که احتمال آسیب رساندن به آنها وجود دارد.

7) سرویس کردن و نگهداری ضعیف

به طور معمول، شبکه فشار ضعیف زیاد مورد توجه افرادی که مسئول تعمیر و نگهداری آن هستند، قرار نمی‌گیرد. ضعیف بودن اتصالات هادی PEN بر پیوستگی آن تأثیر می‌گذارد و ممکن است باعث شناور شدن آن گردد.

برق‌یار مشاور شما در زمینه تاسیسات الکتریکی

چگونه نول شناور در تابلو اصلی را پیدا کنیم؟

اجازه دهید از یک مثال برای درک بهتر نول شناور استفاده کنیم. ما یک ترانسفورماتور داریم که طرف ثانویه آن به صورت ستاره است، ولتاژ فاز به نول برابر 230 ولت و ولتاژ فاز به فاز برابر 400 ولت.

حالت 1: شناور نبودن نول

در حالیکه نقطه خنثی در ترانس به زمین وصل شده است، ولتاژ بین فاز و نول 230 ولت و ولتاژ بین فازها 400 ولت باقی می‌ماند.

حالت 2: شناور بودن نول

همه تجهیزات به برق متصل هستند: اگر هادی نول یک مدار بعد از تابلو اصلی قطع شود در صورتی که هادی فاز هنوز به تابلو متصل بوده و تجهیزات برقی هم به پریز برق وصل باشند، در این شرایط، نول برق‌دار شده و دارای ولتاژ خواهد بود که به وسیله فازمتر القایی می‌توان آنرا تشخیص داد.

هیچ تجهیزی به برق متصل نباشد: اگر همه وسایل، چراغ‌ها و هر چیز دیگری را که به پریز وصل شده است از برق بکشیم، فازمتر القایی هیچ علامتی را نشان نخواهد داد چون هیچ مسیری از طریق این تجهیزات به هادی نول وجود ندارد. 

در ادامه نمونه‌ای از مقادیر ولتاژ اندازه‌گیری شده هادی‌های برق‌دار را در حالت پارگی هادی خنثی ملاحظه می‌کنید:

  • ولتاژ فاز به فاز: ولتمتر 400 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ فاز به نول: ولتمتر 110 ولت تا 330 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ نول نسبت به زمین: ولتمتر 110 ولت AC را نشان می‌دهد.
  • ولتاژ فاز نسبت به زمین: ولتمتر 120 ولت AC را نشان می‌دهد.

همانطور که دیدید ولتاژ هادی نول نسبت به پتانسیل زمین شناور است (110V+120V=230VAC) و مقدار مشخصی ندارد. اگر به‌طور ناگهانی هادی PEN را از نقطه خنثی ترانسفورماتور جدا کنیم اما بارها را همچنان متصل به منبع تغذیه نگه داریم، هادی نول در سمت بارها شناور می‌شود و تجهیزاتی که به هادی فاز و نول وصل شده‌اند ولتاژی بین 0 تا 400 ولت بر روی آنها قرار خواهد گرفت. به این معنی که فازهای مسیری که پارگی هادی PEN در آن رخ داده است، در برخی از تجهیزات دارای ولتاژی کمتر از 230 ولت که شاید با روشن نشدن تجهیز و برخی دیگر دارای ولتاژی نزدیک به 400 ولت که باعث سوختن تجهیز می‌شود، خواهند بود؛ مقدار این ولتاژ بستگی به میزان امپدانس تجهیز موردنظر دارد.

در سیستم نامتعادل، اگر هادی PEN از منبع تغذیه جدا شود، این هادی تبدیل به نول شناور می‌شود و موقعیت (ولتاژ) برداری آن به‌گونه‌ای خواهد بود که به فازهای دارای بار بیشتر نزدیکتر می‌شود و از فاز دارای بار کمتر دورتر می‌شود.

 بیایید فرض کنیم یک سیستم سه‌فاز نامتعادل دارای 3 کیلووات بار بر روی فاز R و 2 کیلووات بار بر روی فاز S و 1 کیلووات بار بر روی فاز T است. اگر هادی PEN این سیستم از نقطه خنثی سیستم (نقطه مرجع ترانس) جدا شود، موقعیت برداری نول شناور به فاز R نزدیکتر و از فاز T دورتر خواهد شد. بنابراین، بارهای روی فاز T ولتاژ بیشتری را نسبت به حالت معمول خواهند داشت، درحالی‌که بارهای موجود بر روی فاز R ولتاژ کمتری خواهند داشت و بارهای روی فاز S تقریباً همان ولتاژ معمولی را خواهند داشت. قطع شدن هادی نوترال در یک سیستم نامتعادل برای بارها خطرناک است؛ زیرا قرار گرفتن ولتاژهای بالاتر یا پایین‌تر از حد معمول بر روی برخی از تجهیزات به احتمال زیاد باعث از کار افتادن آن‌ها خواهد شد.

پس شناور شدن نول بر روی بارهای سه‌فاز تأثیر نمی‌گذارد بلکه فقط بارهای تک‌فاز را تحت تأثیر قرار می‌دهد.



چگونه می توان خطرات نول شناور را از بین برد؟

برای مقابله با خطرات شناور شدن نول باید موارد زیر در نظر گرفته شود:

الف) اجرای همبندی

در صورت قطعی هادی PEN در هر نقطه از مسیر، کلیدهای مینیاتوری و RCD قادر به تشخیص عیب به‌وجود آمده و قطع کردن مدار نیستند. و مقدار ولتاژی که بر روی بدنه تابلو و وسایل الکتریکی می‌افتد می‌تواند خطرات جانی را در پی داشته باشد. که در این صورت تنها راه ممکن جهت جلوگیری از این امر اجرای همبندی مناسب خواهد بود.

ب) استفاده کردن از دستگاه محافظ ولتاژ مرکزی

هرگاه در سیستم سه‌فاز هادی PEN قطع شود، بارهای تک‌فاز متصل به سیستم به علت شناور بودن نول، بین فازها قرار می‌گیرند. از این رو بسته به امپدانس بار بین فازها و میزان جریان مصرفی بقیه تجهیزات، ولتاژ بار مصرفی مقداری نامشخص کمتر از 400 ولت و به صورت متغیر خواهد بود. دستگاه محافظ ولتاژ مرکزی این قابلیت را دارد که فقط رنج خاصی از ولتاژ مانند 190 تا 240 ولت را از خود عبور می‌دهد. پس با نصب این وسیله هنگام پارگی هادی PEN، مشکلی برای تجهیزات برقی بوجود نخواهد آمد.

ج) سرویس کردن و نگهداری مناسب

نگهداری از شبکه فشار ضعیف اهمیت زیادی دارد. برای اطمینان از محکم بودن اتصالات مربوط به هادی PEN در شبکه فشار ضعیف، مرتبا باید بازرسی و سرویس شود.

نتیجه‌گیری

شناور بودن نول از نظر ایمنی خیلی خطرناک است زیرا وقتی‌که دستگاه کار نمی‌کند و کسی که از شناور شدن نول اطلاع ندارد، با لمس کردن هادی نول دچار شوک جدی می‌شود (در صورت عدم اجرای همبندی مناسب). همچنین لوازم خانگی تک‌فاز برای کار در ولتاژ حدودی 230 ولت طراحی شده‌اند و اگر ولتاژ خط به خط بر روی آن‌ها قرار گیرد ممکن است آسیب ببینند. پس باید در سریع‌ترین زمان ممکن عامل شناور شدن هادی PEN یا نول شناسایی شده و به درستی اصلاح گردد.