نام‌گذاری سیستم‌های اتصال به زمین

گفتیم که هر سیستمی باید به طریقی اتصال به زمین باید داشته باشد. طبق استاندارد IEC که همان کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک است، اتصال به زمین سیستم به دو صورت امکان پذیر است: حالت اول این است که نقطه خنثی ترانسفورماتور یا ژنراتور در سمت فشار ضعیف در محل پست، مستقیماً به زمین وصل بشود. این حالت را با علامت T نشان می‌دهند که اول حرف Terra (تررا) به معنی کره زمین است. حالت دوم این است که این نقطه به زمین وصل نشود و یا اگر وصل است با امپدانس خیلی بزرگی وصل بشود که عملاً معادل وصل نشدن باشد. این حالت هم با علامت I نشان داده می‌شود که اول حرف Isolated یا همان عایق است. لطفا به این شکل توجه فرمایید. معمولا در شبکه توزیع، ترانسفورماتور توزیع به صورت اتصال اولیه مثلث و ثانویه ستاره است. مرکز ستاره که محل اتصال سه سیم پیچ ثانویه می‌باشد را نقطه نول یا خنثی یا نوترال می‌گویند. پس طبق استاندارد این نقطه دو حالت خواهد داشت یا به زمین وصل می‌شود یا وصل نمی‌شود. در این شکل این نقطه به زمین وصل شده یعنی حالت T را داریم. یک نکته تکمیلی را هم اضافه کنم و آن اینکه اتصال به زمین همواره با مقاومت همراه است. مقاومت اتصال به زمین سیستم را IEC با  نشان می‌دهد. این یعنی همان مقاومت الکترود زمین یا مجموعه الکترودهای زمین شبکه توزیع است.

برای جلوگیری از برق گرفتگی، بدنه‌های هادی تجهیزات برقی باید به زمین وصل شوند. پس زمین شدن بدنه فلزی تجهیزات برقی الزامی است، اینکه چگونه زمین بشود مورد بحث ما است. بنابراین نحوه وصل بدنه‌های هادی تجهیزات به زمین مهم است. دو حالت امکان‌پذیر است: یا می‌توانیم بدنه‌های فلزی تجهیزات را به سیمی که مستقیما به نقطه خنثی سیستم نیرو وصل شده از آن طریق به زمین وصل کنیم در این صورت این حالت را با حرف  N نشان می‌دهند که حرف اول Neutral است و یا اینکه بدنه فلزی تجهیزات را خودمان در محل و مستقل از زمین شبکه توزیع مستقیما به زمین وصل کنیم، این حالت را هم با حرف T نشان می‌دهند که اول حرف Terra به معنی کره زمین است. یادآوری کنم از درس اول‌مان با عنوان تعاریف تخصصی ارتینگ، منظور از زمین یعنی الکترود زمین. اگر این درس را ندیدید توصیه می‌کنم قبل از اینکه این درس را دنبال کنید حتما درس اول را ملاحظه بفرمایید. در این شکل، یک مصرف کننده یا بار با بدنه فلزی را ملاحظه می‌کنید. بدنه فلزی این مصرف کننده مستقیماً با یک هادی به زمین وصل شده است. یعنی حالت T را داریم. نکته تکمیلی هم این است که گفتیم اتصال به زمین همواره با مقاومت همراه است. طبق IEC مقاومت اتصال به زمین بدنه فلزی تجهیزات را با  نشان می‌دهند.

با توضیحاتی که در مورد اتصال زمین سیستم و بدنه فلزی تجهیزات به زمین دادیم می‌خواهیم ببینیم چه ترکیب‌هایی وجود دارد و چگونه نام گذاری می‌شوند؟ دو حالت برای اتصال زمین نقطه خنثی سیستم داشتیم. یا نقطه خنثی بطور مستقیم به زمین وصل شده یعنی حالت T و یا از زمین عایق است یعنی I . و دیدیم دو حالت هم برای اتصال بدنه فلزی تجیهزات و مصرف کننده‌ها داشتیم. یا بدنه از طریق یک هادی به نقطه خنثی سیستم وصل می‌شد یعنی حالت N. به این هادی PE می‌گوییم. و یا بدنه تجهیزات بطور مستقیم و از طریق یک الکترود به زمین وصل می‌شود یعنی حالت T

خوب بیاییم به شکل دیگری ببینیم. دو حالت برای نقطه خنثی منبع و دو حالت برای بدنه فلزی تجهیزات. ترکیب این حالت‌ها سه نوع سیستم بوجود خواهد آورد. شاید به نظر بیاد ترکیب دو در دو باید چهار سیستم ایجاد کند ولی در ادامه خواهیم دید فقط 3 حالت امکان پذیر است. این سه حالت: TN – TT و IT خواهد بود. اینها را خواهیم گفت سیستم‌های نیرو یا همان Earthing systems.


خوب چرا سیستم چهارم امکان پذیر نیست، یعنی سیستمی به نام  IN دلیلش این است که ما گفتیم بدنه فلزی تجهیزات باید به طریقی زمین شود، وقتی نقطه خنثی منبع زمین نشده و اصطلاحا ایزوله است طبیعتا این امکان وجود ندارد که بدنه را از مسیر N یعنی هادی نقطه خنثی زمین کنیم. پس سه سیستم بیشتر نخواهیم داشت.

TN پرکاربردترین سیستم اتصال به زمین است. دلیلش هم این است که این سیستم بسیار ساده و کم خرج است. در این سیستم از تجهیزات حفاظتی ساده‌ای مانند فیوز یا کلید مینیاتوری برای حفاظت در برابر اتصال کوتاه فاز به بدنه تجهیزات استفاده می‌کنیم که می‌تواند مانع برق گرفتگی شود. در صورتی که برای دو سیستم دیگر، علاوه بر این تجهیزات، نیاز به وسایل حفاظتی مخصوص وجود دارد. برای سیستم  TN سه زیرسیستم داریم. تحت عنوان TN-S  / TN-C  / و TN-C-S

اتصال به زمین در سیستم‌ جریان متناوب

ابتدا سیستم TN-S را بررسی می‌کنیم. در سیستم نیروی TN−S طبق استاندارد IEC نقطه خنثی ستاره ترانسفورماتور یا ژنراتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده است. مطابق شکل در محل اتصال به زمین سیستم نیرو، دو هادی حفاظتی و خنثی فقط در مبدا به هم وصل هستند و در سرتاسر سیستم جدا از هم هستند و قرار نیست هیچ وقت هم به همدیگر متصل شوند. حکمت اضافه شدن حرف S به عبارت TN هم نشان دهنده این جدایی است که حرف اول کلمه SEPARATED  یعنی جدا از هم است. کلا حروف اضافی بعد از TN نشان دهنده نحوه استفاده از هادی حفاظتی و هادی نول را نشان می‌دهد.

در سمت مصرف کننده هم، سه تا فاز و نول مصرف کننده از سیستم تامین می‌شود و بدنه فلزی مصرف کننده به هادی حفاظتی وصل می‌شود. اصطلاحا به این سیستم، TN-S گفته می‌شود. 

لازم است ذکر کنم که در این اسلایدها سعی شده رنگ سیم‌ها مطابق استاندارد باشد. یعنی برای سه فاز رنگ‌های قرمز، زرد و مشکی، برای نول رنگ آبی و سیم حفاظتی زرد-سبز استفاده شده است.

برای درک بهتر و ساده‌تر از شکل شماتیک برای نشان دادن این سیستم‌ها استفاده کردیم. اینجا شبکه توزیع را ملاحظه می‌فرمایید. معمولا در شبکه توزیع کشور ما، ترانس توزیع به صورت اتصال اولیه مثلث و ثانویه ستاره است. ولتاژ اولیه 20 کیلوولت و ثانویه 400 ولت است. سه تا فاز L1-L2-L3 را هم داریم و سعی کردیم از رنگ استاندارد مطابق مبحث 13 برای نشان دادن هادی‌ها استفاده کنیم. و زمین را هم به این شکل نشان دادیم. یک الکترود در سمت ترانس توزیع در زمین نصب کردیم و نقطه نول ترانس را به آن متصل کردیم. طبق نام گذاری که توضیح دادیم این می‌شود اولین حرف از سمت چپ T . نقطه خنثی ترانس را هم با یک سیم به سمت بار منتقل می‌کنیم و این همان هادی نول است و به رنگ آبی. در سیستم TN-S نقطه خنثی ترانس را با یک هادی دیگر بعنوان هادی حفاظتی یا PE به بار منتقل می‌کنیم و رنگش هم سبز با خطوط زرد است. و چون زمین سمت بار از طریق نقطه خنثی ترانس به زمین وصل می‌شود حرف دوم N خواهد بود و چون این دو هادی از هم مجزا هستند با حرف سوم S نشان می‌دهیم. حالا می‌خواهیم یک بار تکفاز را به سیستم وصل کنیم. فاز و نول را به بار وصل می‌کنیم و بدنه دستگاه را هم به هادی حفاظتی متصل می‌کینم. برای بار سه فازی مانند یک موتور، از سه فاز به ترمینال موتور و هادی حفاظتی به ترمینال بدنه موتور وصل می‌شود. این شکل خیلی ساده سیستم‌های اتصال به زمین را نشان می‌دهد.


در سیستم TN-C نقطه خنثی ستاره ترانسفورماتور یا ژنراتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده (تفسیر حرف T). مطابق شکل در محل اتصال به زمین سیستم نیرو، فقط یک هادی ادامه پیدا کرده و چون هر دو نقش حفاظتی و خنثی را با هم ایفا می‌کند به این هادی، هادی مشترک حفاظتی- خنثی می‌گویند و آن را با PEN نشان می‌دهند. برای نشان دادن این نوع سیستم، حرف C که حرف اول common به معنی مشترک است، به عبارت TN اضافه می‌شود و نشان دهنده مشترک بودن هادی حفاظتی و هادی خنثی است.

یک توضیح هم در مورد نحوه اتصال هادی مشترک حفاظتی-خنثی یا همان PEN در سمت مصرف کننده بدهم. در مصرف کننده‌هایی که نول ندارند تکلیف مشخص است، سه فاز را از سیستم دریافت می‌کنند و هادی PEN هم به بدنه فلزی وصل می‌شود. اما در مصرف کننده‌هایی که هم نول دارند و هم بدنه نحوه اتصال سیم PEN به این شکل خواهد بود که مثلا اگر در مورد یک تابلو صحبت می‌کنیم مطابق شکل هادی PEN ورودی ابتدا به شینه اتصال زمین وصل می‌شود و سپس توسط یک قطعه اتصالی به نام جامپر به نول وصل می‌شود.

در شکل شماتیک، شبکه سه فاز را ملاحظه می‌فرمایید. یک الکترود در سمت ترانس توزیع در زمین نصب کردیم و نقطه نول ترانس را به آن متصل کردیم. اینجا نقطه خنثی ترانس را با یک هادی به سمت بار منتقل می‌کنیم و به صورت مشترک به عنوان هادی حفاظتی و نول از آن استفاده خواهیم کرد. یعنی سیستم چهار سیمه مشابه شبکه توزیعی که در سطح شهرها داریم. سیمی که به نام نول در شبکه توزیع هست در واقع اسم دقیقش هادی pen است. پس حرف C به عبارت TN اضافه می‌شود. حالا می‌خواهیم یک بار تکفاز را به سیستم وصل کنیم. به اینصورت وصل خواهد شد. استاندارد توصیه می‌کند اول اتصال بدنه وصل شود و سپس به نول وصل شود. برای بار سه فاز هم از سه فاز به ترمینال موتور و PEN به بدنه موتور وصل می‌شود.


زیرسیستم بعدی TN سیستم TN-CS است. چون T دارد یعنی نقطه خنثی ستاره ترانسفورماتور یا ژنراتور بصورت مستقیم به زمین متصل شده. همانطور که در شکل ملاحظه می‌فرمایید بخش‌هایی از سیستم فقط یک هادی PEN دارد یعنی سیستم TN-C و از جایی به بعد هادی نول از آن جدا شده و از آنجا به بعد اسم این هادی PE شده. یعنی از این نقطه به بعد سیستم TN-S است. چون هر دو سیستم در اینجا با هم هستند لذا به آن TN-CS می‌گویند.

ساختاری که ما در ایران داریم چنین چیزی است. شبکه توزیع ما چهار سیمه است یعنی سیستم TN-C و وقتی به یک ساختمان تحویل می‌شود همانجا الکترود زمین نصب می‌شود و هادی PEN به الکترود زمین متصل می‌شود.

شکل شماتیک سیستم TN-CS را هم ملاحظه می‌فرمایید. نقطه خنثی ترانس به الکترود زمین متصل شده یعنی T و نقطه خنثی فقط با یک هادی به سمت بار منتقل شده یعنی PEN. در سمت بار یک الکترود زمین نصب شده و سیم PEN به آن وصل شده و از اینجا به بعد هادی حفاظتی و نول از هم جدا شده‌اند. قبلش TN-C داریم و بعد از این نقطه TN-S چون ترکیبی استفاده شده می‌شود TN-CS . نحوه اتصال بارها هم شبیه سیستم TN-S است.


سیستم بعدی TT است. یعنی در این سیستم دو تا زمین مستقل داریم. یکی برای نقطه خنثی ترانس و دیگری برای بدنه فلزی تجهیزات. اینجا ملاحظه می‌کنید که هادی خنثی نداریم. یعنی نقطه خنثی ترانس به سمت بار منتقل نشده است. اصطلاحاً به این آرایش می‌گویند بدون توزیع هادی خنثی.

اما در شکل شماتیک شبکه سه فاز توزیع را داریم و زمین. الکترودی سمت ترانس نصب شده و نقطه خنثی به این الکترود متصل شده است. این T اول. در سمت مصرف کننده هم یک الکترود دیگر نصب شده و هادی حفاظتی به آن ومتصل شده است. این هم T دوم. چون هادی نول نداریم نمی‌توانیم از این سیستم برای تغذیه بارهای تکفاز استفاده کنیم. اما بار سه فاز هم به این شکل به سیستم وصل خواهد شد. گفتیم به این روش اصطلاحاً سیستم TT بدون توزیع هادی خنثی می‌گویند.

سیستم بعدی همان TT است این بار با هادی خنثی توزیع شده. یعنی مرکز ستاره ترانس با هادی نول به سمت بار کشیده شده است. یعنی سیستم پنج سیمه.

در شکل شماتیک، همه موارد شبیه قبلی است با این تفاوت که اینجا هادی خنثی را داریم. بنابراین می‌توانیم بارهای تکفاز و سه فاز را به سیستم وصل کنیم. نحوه اتصال شبیه TN-S است.


آخرین سیستمی که وجود دارد سیستم IT است. نقطه خنثی ترانس به زمین وصل نشده و یا با یک امپدانس خیلی بزرگ متصل شده است. و بدنه هادی تجهیزات به نقطه زمین مجزایی که سمت بار ایجاد شده وصل می‌شود.

در این شکل، مرکز ستاره ترانس از زمین ایزوله است. یعنی I در این سیستم هم امکان توزیع یا عدم توزیع هادی خنثی وجود دارد. ما اینجا نقطه زمین نشده خنثی ترانس را به سمت مصرف کننده منتقل کردیم. سمت بار یک الکترود نصب شده و از طریق هادی حفاظتی، بدنه تجهیزات به این الکترود مجزا وصل می‌شوند. یعنی T . نحوه اتصال بارها هم شبیه سیستم TN-S است که ملاحظه می‌فرمایید.

در این شکل، سمت ترانس توزیع یک الکترود زمین نصب شده و مرکز ستاره ترانس با یک امپدانس به الکترود زمین وصل شده است. یعنی I در این سیستم هم امکان توزیع یا عدم توزیع هادی خنثی وجود دارد. ما اینجا نقطه زمین نشده خنثی ترانس را به سمت مصرف کننده منتقل کردیم. سمت بار یک الکترود نصب شده و از طریق هادی حفاظتی، بدنه تجهیزات به این الکترود مجزا وصل می‌شوند. یعنی T . نحوه اتصال بارها هم شبیه سیستم TN-S است که ملاحظه می‌فرمایید.