مروری بر سیستم‌های ارتینگ

سال 1880 : اختراع برق و توسعه خطوط انتقال و توزیع بدون هیچگونه ارتباطی به زمین احداث و مورد بهره‌برداری قرار می‌گرفتند. یعنی سیستم برق رسانی هیچگونه ارتباطی به زمین نداشت. 

در سال 1924 : انجمن مهندسان برق انگلستان یعنی (IEE) اتصال بدنه فلزی تجهیزات برقی به زمین را الزامی کرد

و در سال 1927 : کشور فرانسه اتصال نقطه نول یا همان مرکز ستاره ترانسفورماتورها به زمین را الزامی کرد.

و رسماً از سال 1935 : استانداردهای جامع حفاظت اشخاص و تجهیزات تدوین و تکمیل شده و مورد بهره‌برداری قرار گرفتند.

می‌خواهیم ببینیم چرا اتصال به زمین در یک سیستم الکتریکی مهم است. اینجا فرض می‌کنیم که یک شبکه تکفاز داریم که یک بار ساده مانند یک لامپ یا یخچال، لباسشویی و امثالهم را تغذیه می‌کند. اینجا فردی را فرض می‌کنیم که روی زمین ایستاده و بطور مستقیم با یکی از سیم‌های برق در تماس است، چون هیچ اتصالی به زمین وجود ندارد بنابراین هیچ اتفاقی نمی‌افتد و فرد دچار برق گرفتگی نمی‌شود. در واقع زمین جزء مدار ما محسوب نمی‌شود. به این نوع تماس، اصطلاحاً تماس مستقیم یا Direct Contact می‌گویند و تعریف دقیقش این است: تماس اشخاص و حیوانات، با هر یک از هادی‌های فاز می‌باشد. ما در درس اول از این دوره، تمامی اکثر اصطلاحات مهم و تخصصی ارتینگ را ارائه دادیم و می‌توانید به آن مراجعه کنید.

این بار همان سیستم برق رسانی را در نظر داشته باشید. این بار فرض می‌کنیم یکی از سیم‌های مدار به دلایلی قطع شده و روی زمین افتاده، اصطلاحاً به این حالت اتصال اتفاقی گفته می‌شود که مرسوم هم هست و خیلی دور از ذهن هم نیست. مواردی همچون قطع سیم و افتادن روی زمین خیس، کوبیدن میخ بر روی دیوار و زخمی کردن سیم، اتصال سیم زخمی به درب و پنجره فلزی، اتصال سیم زخمی به نرده‌های فلزی و سایر موارد مشابه می‌تواند باشد.

دوباره همان فرد را فرض می‌کنیم که به بدنه دستگاه دست زده است. خوب در این حالت چون فرد روی زمین ایستاده و یک سیم منبع به زمین افتاده عملاً پای فرد و بدنش هم پتانسیل سیم دوم منبع شده است. آن موقع هنوز اسامی فاز و نول به هادی‌ها داده نشده بود و بنابراین من از این عبارت‌ها استفاده نمی‌کنم. اگر در این شرایط فرد به سیم اول منبع دست بزند آن وقت پتانسیل منبع بین دست و پای آن فرد می‌افتد و دچار برق گرفتگی می‌شود. این فرد هم از قبل خبر نداشت که یک جایی در مسیر سیمی روی زمین افتاده و مثل حالت قبل فکر می‌کرده دست زدن به سیم برق مشکلی ندارد. مسیر جریانی که شکل می‌گیرد به این ترتیب است.

ممکن است سوال بپرسید مگر زمین هادی است؟ سنگ و خاک مگر جریان الکتریسیته را هدایت می‌کنند؟ زمین درسته مانند یک فلز هادی خوبی نیست ولی عایق هم نیست و زمین سرشار از الکترون است و به عنوان یک هادی تلقی می‌شود.

تا اینجا هر صحبتی کردیم در مورد تماس مستقیم بود. یعنی لمس هادی برقدار. لذا قوانین و دستورالعمل‌هایی تدوین شد و تماس با هادی‌های برقدار خطرناک و ممنوع اعلام شد. ولی مساله ایمنی حل نشد. چون برخی از تجهیزات بدنه‌های فلزی داشتند و اینها نقطه آسیب پذیری بودند. دوباره همان سیستم برق رسانی تکفاز را در نظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم که بار دارای بدنه فلزی است که اینجا با خط‌چین و نقطه قرمز رنگ نشان داده شده است. اینجا یک اتصالی سیم برقدار به بدنه در داخل دستگاه اتفاق افتاده مثلا سیم عایق‌دار لباسشویی در اثر خراشی آسیب دیده و هادی مسی آن به بدنه لباسشویی اتصالی کرده است. اگر سیستم هیچ ارتباطی به زمین نداشته باشد تماس فرد با بدنه فلزی دستگاه موجب برق گرفتگی نخواهد شد. اصطلاحاً به این تماس، تماس غیرمستقیم یا  Indirect Contactگفته می‌شود. تعریف دقیقش این است: تماس اشخاص و حیوانات، با بدنه‌های هادی‌ای است که در شرایط بروز اتصالی، برق‌دار شده‌اند. 

اما دوباره همان شرایط را فرض می‌کنیم. یعنی مصرف کننده بدنه فلزی دارد و یک اتصال داخلی در آن اتفاق افتاده. این بار فرض می‌کنیم یک اتصال اتفاقی به زمین در مسیر شبکه برق رسانی هم روی داده است. پس دو تا اتصالی اتفاق افتاده یکی در داخل دستگاه و دیگری در شبکه. این شخص فرضی ما بی خبر از همه جا به بدنه فلزی دستگاه دست می‌زند. اینجا این فرد اصلاً خبر نداره که اتصالی روی داده و مثل حالت قبل، این فرد کار خطرناکی هم انجام نمی‌دهد و به سیم برقدار دست نمی‌زند و با خیال راحت بدنه فلزی دستگاه را لمس می‌کند. اینجاست که برق گرفتگی اتفاق می‌افتد و مسیر جریان به این شکل و از مسیر بدن این شخص برقرار می‌شود.

گفتیم در سال 1924 انجمن مهندسان برق انگلستان (IEE) اتصال بدنه فلزی تجهیزات برقی به زمین را الزامی کرد. بنابراین با این کار، اختلاف پتانسیل بین دست و پای شخص به صفر می‌رسد و لذا جریانی از بدن آن شخص عبور نمی‌کند و خطر برق گرفتگی کاهش از بین می‌رود. با این ایده، سیم ارت اختراع شد. اوایل به آن سیم ارت می‌گفتند و این همان هادی حفاظتی یا PE است که الان داریم. این نوع حفاظت پیش درآمد همان سیستم کنونی IT است که در ادامه بیشتر معرفی خواهیم کرد. الان فرض کنیم در بار، یک اتصال بدنه‌ای رخ بدهد. بدنه به زمین وصل است ولی مسیر جریان به سمت منبع برقرار نیست و لذا این خطا با وسایل حفاظتی مرسوم مانند فیوز و کلید مینیاتوری قابل تشخیص نیست. و فرد هم دچار برق گرفتگی نخواهد شد. به هر حال یک قدم به جلو بود. پس اولین اتصالی قابل تشخیص نیست.

در ادامه این روند توسعه، در سال 1927 کشور فرانسه اتصال نقطه نول ترانسفورماتورها به زمین را الزامی کرد. سیمی که نقطه خنثی ترانسفورماتور را به زمین وصل می‌کند به آن سیم اتصال زمین می‌گویند. و این چنین بود که سیم نول هم اختراع شد. یعنی سه سال بعد از هادی حفاظتی یا همان ارت قدیم.این نوع حفاظت پیش درآمد همان سیستم کنونی TT است که بعدا به این اسم، نامگذاری شد و در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد. حال اگر در بار اتصال بدنه‌ای رخ بدهد چون بدنه به زمین وصل است و مسیر جریان از طریق زمین به نقطه خنثی منبع متصل است لذا جریان اتصال کوتاه جاری شده و به دلیل بزرگ بودن جریان، بلافاصله توسط وسایل حفاظتی تشخیص داده شده و قطع می‌شود. طبیعتاً فردی که با بدنه تماس داشته باشد دچار برق گرفتگی نمی‌شود چون قبلش وسایل حفاظتی مدار اتصالی را قطع کرده‌اند. البته داشتن نقطه خنثی یا نول مزایای دیگری هم دارد که در مورد آن بعداً بیشتر بحث خواهد شد و اینجا به بحث تاریخی آن می‌پردازیم.

در سال 1935 و بعد از آن هم استانداردهای جامع حفاظت اشخاص و تجهیزات تدوین شد. یکی از ایده‌هایی که مطرح شد این بود که ما یک زمین در سمت نقطه خنثی ترانسفورماتور داریم چرا هزینه کنیم و یک نقطه زمین دیگر سمت بار ایجاد کنیم. می‌آییم و از این نقطه زمین استفاده می‌کنیم و با همان سیم دوم که به این نقطه وصل است آن را به سمت بار برده و به بدنه فلزی تجهیزات وصل می‌کنیم. عملاً این سیم هر دو وظیفه هادی حفاظتی و هادی نول را ایفا می‌کند و امروزه به آن هادی مشترک حفاظتی-خنثی یا  PEN می‌گویند. این روش هم در واقع مقدمه سیستم TN-C در سیستم‌های ارتینگ شد. C حرف اول کلمه Common به معنی مشترک است. خوب الان اگر یک اتصالی فاز به بدنه در داخل دستگاه اتفاق بیافتد بلافاصله تجهیزات حفاظتی آن را تشخیص داده و قطع خواهند کرد. مسیر جریان خطا به این صورت خواهد بود. پس بنابراین اگر شخصی بدنه دستگاه را لمس کند دچار برق گرفتگی نخواهد شد. توصیه می‌کنم تعاریف دقیق برخی از این اصطلاحات و لغات را در درس اول این دوره، حتما ملاحظه بفرمایید.

ایده بعدی این بود که زمین سمت نقطه خنثی ترانسفورماتور را به بار وصل بکنیم ولی با یک هادی مجزا و جداگانه. هر چند این روش هزینه‌های شبکه را افزایش می‌دهد ولی برتری‌هایی دارد که در موردشان صحبت خواهیم کرد. پس سیمی که برگشت بار به منبع است سیم نول خواهد بود و یک هادی سومی به عنوان هادی حفاظتی یا PE نقطه نول ترانس را به بدنه فلزی دستگاه وصل می‌کند. این روش هم مقدمه سیستم نیروی TN-S است. که در ادامه بیشتر توضیح خواهیم داد. الان اگر یک اتصالی فاز به بدنه در داخل دستگاه اتفاق بیافتد بلافاصله تجهیزات حفاظتی آن را تشخیص داده و قطع خواهند کرد. مسیر جریان خطا به این صورت خواهد بود. پس بنابراین اگر شخصی بدنه دستگاه را لمس کند دچار برق گرفتگی نخواهد شد.