سیستم ارتینگ چیست؟

اصطلاح "ارتینگ" برای چند کاربرد مختلف به کار می‌رود که فقط عمل استفاده کردن از زمین در بین آن‌ها مشترک است. قبل از توضیح سیستم ارتینگ، اطلاع در مورد انواع کاربرد ارتینگ می‌تواند جالب باشد که به چهار دسته تقسیم می‌شوند: 1) ایمنی، 2) حفاظتی، 3) عملیاتی، 4) حفاظت از صاعقه. تمامی این موارد جزئی از یک سیستم ارتینگ هستند که علیرغم تفاوت در کاربریشان در نهایت به هم وصل می‌شوند.

شینه ارت

به عنوان مثال ارت حفاظتی را می‌توان روشی برای محافظت انسان در برابر ولتاژهای خطرناک توصیف کرد؛ همچنین این نوع ارت را عمدتا برای تجهیزات الکترونیکی و در جهت جلوگیری از وقوع خطا یا وارد شدن صدمه به قطعات نیز اجرا می‌کنند. از نمونه‌های ارت حفاظتی می‌توان اتصال سیم ارت به بدنه ماشین ظرفشویی، اتصال بدنه فلزی تابلو برق‌ به سیستم ارتینگ، متصل کردن شیلد کابل به سیستم ارتینگ و وصل کردن هادی سیگنال ورودی به سیستم ارتینگ از طریق خازن یا فیلتر را نام برد.

در حالت کلی نقطه صفر سیستم به زمین متصل می‌شود اما حالت‌های دیگری نیز وجود دارد. اگر نقطه‌ای از سیستم به زمین متصل شود، کلیه قسمت‌های سیستم که با این نقطه، اتصال از طریق یک هادی الکتریکی داشته باشند نیز به زمین متصل می‌شوند. اما در شبکه‌ای که دو طرف آن به صورت مغناطیسی به هم متصل شده باشند و فقط یک طرف آن به زمین متصل شده باشد، بر روی طرف دیگر تاثیری نمی‌گذارد؛ مانند ترانسفورماتور. 

سیستم ارتینگ یک شبکه بر روی کلیه قسمت‌هایی که با هم اتصال الکتریکی داشته باشند، تاثیر می‌گذارد


چرا از سیستم ارتینگ در شبکه برق استفاده می‌کنیم؟

هدف اصلی از اتصال شبکه به پتانسیل زمین، محافظت از انسان‌ها و تجهیزات است. به این دو دلیل از سیستم ارتینگ استفاده می‌شود، اما‌ برای مطمئن شدن از عملکرد صحیح آن، باید الزامات زیادی را برآورده کرد. برخی از دلایل استفاده از سیستم ارتینگ در شبکه برق در زیر توضیح داده شده است:

1) تثبیت ولتاژ‌های شبکه نسبت به پتانسیل زمین

کلیه شبکه‌های جریان متناوب به نحوی از طریق خاصیت خازنی موجود (هادی شبکه و زمین صفحه‌های خازن و هوا عایق دی‌الکتریک بین آنها) به زمین متصل می‌شوند. مقدار کم این خازن‌ها نیز می‌تواند باعث شود که در بعضی مواقع پتانسیل شبکه به حد خطرناکی برسد. 

اگر اتصالی بین دو هادی از دو شبکه با ولتاژهای مختلف رخ دهد، شبکه‌ای که کمترین ولتاژ را دارد، به میزان خطرناکی ولتاژ آن نسبت به زمین افزایش می‌یابد که با اجرای سیستم ارتینگ برای این شبکه می‌توان این مشکل را حل کرد. حتی اگر اتصال مستقیمی بین دو شبکه وجود نداشته باشد، این ولتاژ خطرناک به دلیل کوپلاژ خازنی می‌تواند ایجاد شود.

2) کاهش جریان خطا هنگام اتصال فاز به زمین

شبکه‌ای که به زمین متصل نشده باشد، هنگام بروز خطای اتصال به زمین، جریان نشتی خازنی در آن ظاهر می‌شود. این جریان نشتی اساسا از خازن‌های تشکیل شده‌ی سیم‌ها با زمین و خطوط بالادست ناشی می‌شود؛ همچنین در این پدیده ژنراتورها، موتورها و ترانسفورماتورها نیز نقش دارند.  

بسته به سطح ولتاژ و نحوه توزیع شبکه، این جریان می‌تواند مقداری برابر با چند آمپر تا حتی صدها آمپر را در سیم‌های یک شبکه بزرگ داشته باشد. این سیم‌ها بالاترین جریان نشتی خازنی را تولید می‌کنند.

اگر خازن به‌وجود آمده در شبکه با یک راکتور متصل به نقطه خنثی شبکه جبران شود، جریان نقطه خطا می‌تواند به شدت کاهش یابد که مزیت محسوب می‌شود و باعث کاهش صدمات ناشی از جریان خطا در محل خطا (نقطه اتصال کوتاه) می‌شود. 

کاهش جریان خطای اتصال زمین با امپدانس نقطه نوترال

همانطور که از شکل بالا دیده می‌شود، جریان خطای زمین (Ij) خیلی کوچک می‌شود به شرطی که:

IL= ICTot

راکتور قطعه‌ای است که راکتانس سلفی یا خازنی به مدار اعمال می‌کند. امروزه به دلیل افزایش سیستم‌های اتوماسیون و تجهیزات الکترونیکی، استفاده از عناصر نیمه هادی در مدارات کنترل افزایش یافته است که این امر به نوبه خود موجب ایجاد انواع هارمونیک در شبکه می‌گردد. هارمونیک‌ها دارای فرکانس‌هایی با مضرب فرکانس شبکه هستند و چون امپدانس خازن نسبت عکس با فرکانس موج دارد، لذا هارمونیک‌ها باعث ازدیاد چشمگیر جریان خازن شده و موجب خرابی زود هنگام خازن‌ها می‌شوند. به منظور رفع چنین مشکلی راکتورهای حذف هارمونیک به طور سری با خازن نصب می‌شوند.

راکتور در پست برق

3) کاهش اضافه ولتاژها

اضافه ولتاژهایی که به واسطه سیستم ارتینگ کاهش می‌یابند عبارتند از:

  • خطاهای گذرا
  • افزایش ولتاژ نقطه نوترال
  • اضافه ولتاژهای گذرای حاصل از سویچینگ یا صاعقه

1-3) خطاهای گذرا

این خطا به صورتی است كه با ايجاد قـوس الكتريكی (آرک - Arc) در مسیر خطوط انتقال ظاهر شده و باعث قطع موقتی این خطوط می‌شود. خطای گذرا خود به خود رفع شده و قوس الكتريكی بـه وجود آمده خاموش می‌شود اما مجددا با افزایش ولتاژ در نقطه اتصالی، دوباره آرک ایجاد می‌شود. در اين نوع خطاها، خط انتقال پس از عملكرد كليد قدرت و خاموش شدن قوس، خاصيت عايقی خود را باز می‌يابد و قابل بهره برداری می‌گردد.

اگر جریان و ولتاژ در نقطه خطا همزمان صفر نباشد، خطای گذرا با خاموش و روشن شدن مکرر، می‌تواند اضافه ولتاژ بالایی را در کل شبکه ایجاد کند. اگر هیچ قسمتی از سیستم به زمین متصل نشده باشد، اضافه ولتاژ به وجود آمده به مقدار زیادی افزایش می‌یابد که در این حالت جریان خطای زمین وابسته به خازن نشتی سیستم است. 

تاثیر سیستم ارتینگ در بیشترین مقدار اضافه ولتاژ در حالت وقوع خطای گذرا. اضافه ولتاژ گذرا که در شکل نشان داده شده است، و برحسب درصد نسبت به بیشترین مقدار ولتاژ فاز نشان داده شده است. منحنی بالایی اضافه ولتاژ مربوط به راکتور نقطه نوترال که به زمین متصل شده است را نشان می‌دهد.

در شکل بالا:

  • Xc راکتانس خازن نشتی به زمین است که وابسته به خازن کل شبکه است و
  • R مقاومت نقطه نوترال می‌باشد.

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است سیستم ارتینگ باید به شیوه‌ای اجرا شود که مقاومت این سیستم کمتر یا مساوی با راکتانس خازن به زمین باشد؛ و اگر شبکه از طریق راکتور به زمین متصل شود، راکتانس آن نیز باید تقریبا مساوی یا خیلی کمتر از راکتانس خازن کل نسبت به زمین باشد. 

برق‌یار مشاور شما در حوزه‌ی ارتینگ

همچنین شکل بالا نشان می‌دهد که اضافه ولتاژ در شرایط نامساعد نیز ممکن است اتفاق بیفتد اما معمولا این نوع اضافه ولتاژها کمتر رخ می‌دهد. همانطور که در شکل دیده می‌شود اضافه ولتاژ در سیستمی که به زمین متصل نباشد، می‌تواند هم‌اندازه یا حتی بزرگتر از ولتاژ تستی باشد که به ژنراتورها و موتورهای تازه اعمال می‌شود، بنابراین خطر آسیب دیدن این دستگاه‌ها در این حالت بسیار زیاد خواهد بود. 

SPD ها حفاظت قابل اطمینانی در مقابل اضافه ولتاژهای مکرر ارائه نمی‌دهند، چون خراب می‌شوند. بنابراین سیستمی که دارای ژنراتور یا موتور باشد، باید همیشه به نحوی به زمین متصل شود.

2-3) افزایش ولتاژ نقطه نوترال

در سیستمی که به زمین متصل نشده باشد در حالتی که خطای اتصالی به زمین در یکی از فازها رخ دهد، ولتاژ فاز در نقطه نوترال ظاهر می‌شود و ولتاژ دو فاز دیگر نسبت به زمین برابر با ولتاژ فاز نخواهد بود؛ بلکه برابر با ولتاژ خط خواهد شد. 

در این حالت با اجرای سیستم ارتینگ مؤثر، ولتاژ این دو فاز نسبت به زمین تا %80 کاهش می‌یابد. از این رو می‌توان از دستگا‌ه و تجهیزات با عایق دارای درجه‌بندی کمتر در شبکه‌های فشار قوی استفاده کرد که کاهش چشمگیری در هزینه‌ها را به همراه خواهد داشت.

3-3) اضافه ولتاژهای گذرای حاصل از سویچینگ یا صاعقه

عملکرد دستگاه‌های سویچینگ به نحوی است که می‌تواند اضافه ولتاژهایی را ایجاد کند که دامنه آن‌ها سه برابر ولتاژ نامی شود ولی این حالت مدت زیادی طول نمی‌کشد. این اضافه ولتاژها بر اثر نوسان‌های گذرای ناشی از خاصیت خازنی و القایی مدار، به وجود می‌آیند. 

اتصال نقطه نوترال به زمین ممکن است اضافه ولتاژهایی که بر اثر سوچینگ و صاعقه به وجود می‌آید را کاهش ندهد ولی می‌تواند باعث توزیع ولتاژ بین فازها شود و فشاری که ولتاژهای فشار قوی بر روی عایق کابل‌ها بین فاز و زمین وارد می‌کنند را کاهش ‌دهد. 

4)  محدود کردن محل خطاهای اتصالی فاز به زمین

در شبکه‌ای که به زمین متصل نشده باشد تشخیص و رفع خطای اتصالی فاز به زمین دشوار است. با استفاده از سیستم ارتینگ مناسب این امکان وجود دارد که جریان خطای زمین احتمالی قابل اندازه‌گیری باشد و از همان نقطه اتصال شبکه به زمین جریان خطا تخلیه شود. 

5) جلوگیری از پدیده فرورزونانس

شبکه‌ای را در نظر بگیرید که سیستم ارتینگ نداشته باشد و ترانس ولتاژ به آن متصل شده باشد؛ این ترانس می‌تواند در شرایط خاصی در نقطه نوترال ولتاژهای ناهنجاری ایجاد کند. علت آن این است که ترانس‌ ولتاژ به عنوان اندوکتانس غیر خطی رفتار می‌کند و با خازن شبکه به حالت خودنوسانی می‌رود. به این پدیده فرورزونانس گفته می‌شود. 

ولتاژهای ناهنجار در نقطه نوترال می‌تواند باعث خسارت در ترانس‌های ولتاژ شود و باعث ایجاد آثار ناخواسته خطای اتصالی فاز به زمین گردد. اگر شبکه به زمین متصل شود این پدیده ظاهر نخواهد شد. در شبکه‌ای که به زمین متصل نشده باشد، می‌توان با اتصال یک مقاومت به سیم‌پیچ طرف مثلث ترانس یا نقطه صفر ترانس آن از ایجاد این نوسان جلوگیری کرد.

این نکته را در نظر داشته باشید که مقاومت با مقدار بسیار بالا که نقطه صفر ترانس را به زمین وصل ‌کند نیز همان نتیجه را به دنبال خواهد داشت. 

سه روش همسان برای جلوگیری از پدیده رزونانس


منبع: ABB