اتصال زمین: برقراری مسیر ایمن برای تخلیه بار الکتریکی به زمین
آشنایی با مفهوم ارت، انواع سامانههای زمینکردن، نقش حیاتی آن در ایمنی و عملکرد صحیح تجهیزات الکتریکی
اتصال زمین یا ارت کردن، یکی از بنیادیترین مفاهیم در مهندسی برق و الکترونیک است که با ایجاد یک مسیر مطمئن و کممقاومت، جریانهای خطا و بارهای الکتریکی اضافی را به زمین تخلیه میکند. این فرآیند نه تنها از جان انسانها در برابر برقگرفتگی محافظت میکند، بلکه برای عملکرد پایدار تجهیزات حساس و جلوگیری از آسیبهای ناشی از صاعقه و نوسانات برق نیز ضروری است. در این مقاله با زبانی ساده به بررسی اصول، انواع، کاربردها و چالشهای پیش روی این سامانه حیاتی میپردازیم.
۱. اتصال زمین چیست و چرا حیاتی است؟
اتصال زمین که با واژه «ارت۱» نیز شناخته میشود، به معنای اتصال عمدی بخشهای هادی یک سامانه الکتریکی (مانند بدنه فلزی ماشین لباسشویی، دکلهای مخابراتی یا نقطه خنثی ترانسفورماتور) به زمین (خاک) است. این اتصال از طریق سیمها و الکترودهای مخصوصی انجام میشود که درون خاک دفن شدهاند. تصور کنید یک سشوار روشن در حمام به دلیل نقص فنی، بدنهاش برقدار شود. اگر این دستگاه به زمین متصل نباشد، فردی که به بدنه دست میزند، خود به مسیر جریان تبدیل شده و دچار شوک شدید میشود. اما اگر سیم ارت به بدنه متصل باشد، جریان الکتریکی به دلیل مقاومت بسیار کم خاک، مسیر آسانتری از میان سیم ارت به زمین پیدا میکند تا از بدن انسان. این سادهترین مثال برای درک اهمیت حیاتی ارت کردن است.۲. اصول فیزیکی حاکم بر جریان در مسیر زمین
برای درک عملکرد اتصال زمین، باید به اصول پایهای الکتریسیته مراجعه کرد. جریان الکتریکی همیشه مسیری با کمترین مقاومت را برای حرکت انتخاب میکند. بدن انسان مقاومتی در حدود ۱۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ اهم دارد که به عواملی مانند رطوبت پوست بستگی دارد. در مقابل، یک مسیر زمینشده با سیم مسی ضخیم و الکترود مناسب، مقاومتی کمتر از ۱ اهم دارد. بنابراین، در هنگام خطا، جریان عظیمی از این مسیر کممقاومت عبور میکند که میتواند باعث سوختن فیوز یا قطع سریع مدارشکن (کلید مینیاتوری) شود. ولتاژ تماس (ولتاژی که فرد در معرض آن قرار میگیرد) نیز از طریق قانون اهم قابل محاسبه است: $ V = I \times R $. اگر مقاومت سیستم ارت ($R$) بسیار کم باشد، حتی با عبور جریان خطای بالا ($I$)، ولتاژ تماس ($V$) به عددی بیخطر و پایین تبدیل خواهد شد.۳. انواع سامانههای اتصال زمین در تاسیسات الکتریکی
در شبکههای توزیع برق، سامانههای ارت به سه دسته کلی TN، TT و IT تقسیم میشوند. انتخاب هر کدام به شرایط شبکه، نوع مصرفکننده و الزامات ایمنی بستگی دارد.| نوع سیستم | توضیح مختصر | میزان ایمنی |
|---|---|---|
| سیستم TN۲ | نقطه نول مستقیماً در مبدا (ترانسفورماتور) به زمین وصل شده و بدنه تجهیزات به نول متصل است. | بالا |
| سیستم TT | نقطه نول در مبدا به زمین وصل شده و بدنه تجهیزات نیز با یک الکترود مجزا در محل مصرف به زمین وصل میشود. | متوسط |
| سیستم IT۳ | نقطه نول از زمین ایزوله است یا از طریق یک امپدانس بالا به زمین وصل میشود. بدنه تجهیزات مستقیماً به زمین وصل است. | نیازمند مراقبت |
۴. کاربرد عملی: حفاظت در برابر صاعقه و اضافه ولتاژ
یکی از بارزترین کاربردهای اتصال زمین، محافظت از ساختمانها در برابر صاعقه است. صاعقه، تخلیه عظیم الکترواستاتیکی بین ابر و زمین با ولتاژی در حدود ۱۰۰ میلیون ولت و جریانی تا ۲۰۰۰۰۰ آمپر است. یک سیستم صاعقهگیر شامل برقگیر (میله فلزی روی پشت بام)، هادیهای نزولی و الکترود زمین است. وقتی صاعقه به برقگیر برخورد میکند، این جریان عظیم از طریق هادیها و سیستم ارت به زمین هدایت میشود و از عبور آن از مصالح ساختمانی و سیمکشی داخلی که میتواند باعث آتشسوزی یا انفجار شود، جلوگیری میکند. برای محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر اضافهولتاژهای گذرا (ناشی از کلیدزنی یا صاعقههای دور)، از وسایل حفاظت از ولتاژ (SPD۴) استفاده میشود که این وسایل نیز برای عملکرد صحیح، نیاز به یک اتصال زمین بسیار خوب و کممقاومت دارند تا انرژی اضافی را سریعاً به زمین تخلیه کنند.۵. چالشهای مفهومی در سیستمهای ارت
❓ اگر مقاومت زمین صفر نباشد، آیا باز هم ایمنی برقرار است؟
خیر، مقاومت زمین باید تا حد امکان پایین باشد. استانداردها معمولاً مقاومتی کمتر از ۲ اهم را برای پستهای برق و کمتر از ۱۰ اهم را برای ساختمانهای مسکونی توصیه میکنند. اگر مقاومت بالا باشد، در زمان خطا، ولتاژ روی بدنه تجهیزات (ولتاژ تماس) افزایش یافته و میتواند برای فرد خطرناک باشد. هدف اصلی، کاهش این ولتاژ به زیر ۵۰ ولت (ولتاژ ایمن برای انسان) است.
❓ آیا اتصال سیم نول و ارت به یک نقطه کار درستی است؟
اتصال نول و ارت فقط در یک نقطه مجاز است و آن هم معمولاً در ورودی ساختمان یا در مبدا (ترانسفورماتور) انجام میشود. اتصال این دو در نقاط دیگر (مثلاً داخل پریز) بسیار خطرناک است و میتواند منجر به ایجاد جریانهای سرگردان در بدنه فلزی وسایل و برقگرفتگی شود. این کار عملکرد صحیح کلیدهای محافظ جان (RCD۵) را نیز مختل میکند.
❓ چرا در برخی وسایل برقی دو شاخه، پین ارت وجود ندارد؟
به این وسایل «کلاس ۲» یا «عایقکاری مضاعف» گفته میشود. در ساختار این وسایل، علاوه بر عایقکاری اصلی، یک لایه عایق اضافی یا تقویتشده به کار رفته است که احتمال برقدار شدن بدنه را به صفر میرساند. بنابراین نیازی به اتصال زمین ندارند و با دو شاخه دو پین عرضه میشوند. علامت □ (یک مربع درون یک مربع دیگر) نشاندهنده این نوع عایقبندی است.
۶. کاربرد عملی: ارت کردن در مقابل الکتریسیته ساکن
الکتریسیته ساکن تجمع بار الکتریکی بر روی سطح یک جسم است. این پدیده در صنایع مختلف، بهویژه در صنایع الکترونیک، پتروشیمی و داروسازی، میتواند بسیار خطرناک باشد. یک جرقه کوچک ناشی از تخلیه بار ساکن میتواند قطعات حساس الکترونیکی را نابود کند یا در محیطهای دارای گازها و بخارات قابل اشتعال، باعث انفجار شود. برای رفع این مشکل، از اتصال زمین به همراه «همبندی۶» استفاده میشود. در این روش، تمام قطعات و سطوح فلزی (میز کار، بدنه دستگاهها، بشکههای مواد) با سیم به یکدیگر متصل شده و نهایتاً به زمین وصل میشوند. این کار باعث میشود پتانسیل الکتریکی همه اجسام یکسان شده و خطری برای تخلیه ناگهانی وجود نداشته باشد.
نکته
برای تخمین مقاومت یک الکترود زمین، میتوان از فرمول تقریبی زیر استفاده کرد: $ R = \frac{\rho}{2\pi L} \times \ln\left(\frac{4L}{r}\right) $ که در این فرمول، $\rho$ مقاومت ویژه خاک بر حسب اهم-متر، $L$ طول الکترود بر حسب متر و $r$ شعاع الکترود بر حسب متر است.
جمعبندی
اتصال زمین یا ارت، صرفاً یک سیم اضافی در تاسیسات الکتریکی نیست، بلکه یک سامانه ایمنی حیاتی و پیچیده است که بر پایه اصول فیزیک الکتریسیته بنا شده است. این سامانه با ایجاد یک مسیر کممقاومت، جریانهای خطا را از اطراف انسانها دور کرده، تجهیزات گرانقیمت را در برابر نوسانات و صاعقه محافظت کرده و با تخلیه بارهای ساکن، از وقوع آتشسوزی و انفجار در محیطهای حساس جلوگیری میکند. طراحی، اجرا و نگهداری صحیح سیستم ارت، تضمینکننده سلامت افراد و پایداری تجهیزات در هر خانه، کارخانه یا ساختمان اداری است.
پاورقی
1 واژه فارسی اتصال زمین (Earthing / Grounding): عمل ایجاد یک اتصال الکتریکی عمدی بین یک مدار یا تجهیزات و زمین، به منظور ایجاد یک مسیر مطمئن برای جریان خطا و تثبیت پتانسیل الکتریکی.
2 واژه فارسی سیستم TN (TN System): در این سیستم، نقطه نول مستقیماً به زمین متصل بوده و بدنه تجهیزات با سیمهای حفاظتی به آن نقطه متصل میشود. حرف T به معنی اتصال به زمین (Terre) و N به معنی اتصال مستقیم به نول (Neutral) است.
3 واژه فارسی سیستم IT (IT System): در این سیستم، نقطه نول از زمین ایزوله است یا از طریق یک مقاومت بالا به زمین وصل میشود. حرف I به معنی ایزوله یا ایزوله کردن (Isolation) است.
4 واژه فارسی وسیله حفاظت از ولتاژ (Surge Protective Device - SPD): دستگاهی که برای محدود کردن ولتاژهای گذرای ناگهانی و هدایت جریان ناشی از آن به زمین طراحی شده است تا از تجهیزات پاییندست محافظت کند.
5 واژه فارسی کلید محافظ جان (Residual Current Device - RCD): وسیلهای که با اندازهگیری دائمی جریان ورودی و خروجی از یک مدار، هرگونه نشتی جریان به زمین را تشخیص داده و در صورت خطرناک بودن، سریعاً مدار را قطع میکند.
6 واژه فارسی همبندی (Bonding): اتصال الکتریکی کلیه قطعات فلزی غیرحامل جریان و هادیهای خارجی به یکدیگر، به منظور ایجاد یک پتانسیل یکسان و جلوگیری از بروز اختلاف پتانسیل خطرناک بین آنها.