توصیف سیستم های TN، TNS، TNC، TNCS، TTو IT

هنگام طراحی، نصب و راه اندازی تاسیسات الکتریکی، تجهیزات الکتریکی صنعتی و خانگی، و همچنین سیستم های روشنایی الکتریکی، یکی از عوامل اساسی در تضمین عملکرد و ایمنی الکتریکی آنها، طراحی و اجرای مناسب سیستم زمین (ارتینگ) است. بسته به نحوه اتصال سیم‌ها، محفظه‌های فلزی دستگاه، تجهیزات یا نقاط خاصی از شبکه و سازه‌های آنها باید به زمین متصل ‌شوند، که در اینصورت سیستم‌های اتصال به زمین به زمین‌های طبیعی و مصنوعی تقسیم می‌شوند.

زمین طبیعی به هر گونه اجسام فلزی ساکن در خاک، مانند شمع ها، لوله ها، اتصالات و سایر محصولات رسانا گفته می شود. اما با توجه به اینکه کنترل و پیش‌بینی مقاومت الکتریکی در برابر انتشار جریان الکتریکی در خاک و بارهای الکتریکی این اجسام دشوار است، استفاده از زمین طبیعی در حین کار تجهیزات الکتریکی ممنوع است. مبحث 13 مقررات ملی ساختمان فقط استفاده از زمین مصنوعی را مجاز می‌کند، جایی که تمام اتصالات به تجهیزات حفر شده ویژه ای به نام الکترود زمین با محاسبات دقیق در زمین انجام می‌شود.

پارامتر اصلی استاندارد شده که نشان می دهد که زمین چقدر خوب انجام شد است مقاومت آن است. مقاومت در برابر انتشار جریان وارد شده به خاک از طریق سیستم الکترود زمین کنترل می شود. مقدار مقاومت زمین بستگی به نوع و وضعیت خاک و همچنین ویژگی های طراحی و مواد مورد استفاده برای ساخت سازه زمین دارد. عامل تعیین کننده ای که بر مقدار مقاومت سیستم الکترود زمین تأثیر می گذارد، سطح تماس مستقیم صفحات، میله ها، لوله ها و سایر الکترودهای آن با خاک است.

انواع سیستم های زمین مصنوعی

مطابق با استانداردهای تعریف شده در کتاب تاسیسات موسسیان و مبحث 13 مقررات ملی ساختمان و مطابق با اصول، طبقه بندی و روش های طراحی سیستم های زمین تایید شده توسط پروتکل ویژه کمیسیون بین المللی الکتروتکنیکی (IEC) اختصارات سیستم های زمین معمولاً با ترکیبی از حروف اول کلمات فرانسوی نشان داده می شود: Terre - gound، Neuter - خنثی، "Isole" - Isolate  و همچنین کلمات انگلیسی: "combined" و " Seperated"  که به معنای ترکیبی و مجزا است.

T – زمین (Terra)

N - اتصال به خنثی (نول).

I – ایزوله (Isolate)

C - عملکرد ترکیبی: ترکیب سیم های نول عملیاتی و محافظتی.

S - استفاده از سیم های خنثی عملیاتی و محافظتی بطور مجزا در سراسر شبکه.

در نام های سیستم های زمین مصنوعی می توانید نحوه اتصال منبع برق (ژنراتور یا ترانسفورماتور) را با حرف اول و مصرف کننده را با حرف دوم تعریف کنید. سیستم TN، TT و IT بیانگر نحوه اتصال زمین در سمت تولیدکننده و مصرف کننده را نشان می دهند. اولین مورد  یعنی سیستم TN به نوبه خود در سه نسخه مختلف استفاده می شود: TN-C، TN-S، TN-CS. برای درک تفاوت ها و ساختار سیستم ها، اجازه دهید هر یک از آنها را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

1. سیستم های خنثی زمین مرده (سیستم های زمینی TN)

این نام برای سیستم هایی است که در آنها از یک نول معمولی زمین مرده ژنراتور یا ترانسفورماتور کاهنده برای اتصال هادی های عملیاتی و محافظتی استفاده می شود. یعنی در سیستم های خنثی زمین مرده، سیم نول ترانس کاهنده و یا ژنراتور به یک الکترود زمین مصنوعی همبند شده و به سمت مصرف کننده گسترش می یابد. بنابراین، تمام قطعات محفظه رسانا و صفحهات فلزی مصرف کنندگان باید به یک سیم خنثی مشترک متصل به این خنثی متصل شوند. مطابق با GOST R50571.2-94، هادی های محافظتی صفر از انواع مختلف نیز با حروف لاتین زیر مشخص شده اند:

● N - نول عملیاتی.

● PE - نول محافظتی.

● PEN - ترکیبی از هادی های نول عملیاتی و محافظتی.

سیستم TN ساخته شده با استفاده از یک نول زمین مرده با اتصال نول عملیاتی - هادی N (خنثی) - به حلقه زمین نصب شده در نزدیکی پست ترانسفورماتور مشخص می شود. بدیهی است در این سیستم از اتصال زمین خنثی توسط دستگاه جبرانی مخصوص ، سیم پیچ مهار قوس، استفاده نمی شود. در عمل، سه نوع فرعی از سیستم TN استفاده می شود: TN-C، TN-S و TN-CS، که با روش های مختلف اتصال به هادی های زمین N و PE متفاوت هستند.

سیستم اتصال به زمین TN-C

سیستم زمین TNC

همانطور که از نام حرف نشان می دهد، سیستم TN-C با ترکیبی از هادی های خنثی عملیاتی و محافظتی مشخص می شود. یک سیستم کلاسیک TN-C یک مدار منبع تغذیه چهار سیم سنتی با سه فاز و یک سیم خنثی است. در این حالت، باس اصلی اتصال زمین، یک نول زمین مرده است. تمام قطعات در دسترس، محفظه ها و قطعات فلزی دستگاه ها که می توانند جریان الکتریکی را هدایت کنند باید با استفاده از سیم های خنثی اضافی به باس متصل شوند.

این سیستم دارای چندین ایراد قابل توجه است که جدی ترین آنها از بین رفتن عملکرد ایمنی در صورت شکستگی یا سوختن سیم خنثی است. در چنین مواردی، ولتاژهای خطرناک روی سطوح بدون عایق محفظه ابزار و تجهیزات رخ می دهد. از آنجایی که در این سیستم از هادی زمین محافظ PE جدا استفاده نمی شود، تمامی سوکت های متصل فاقد زمین هستند. بنابراین، تمام تجهیزات الکتریکی باید به نول وصل شوند، یعنی قطعات محفظه باید به یک سیم خنثی متصل شوند.

چنین نوع اتصالی ایجاب می کند که اگر یک هادی فاز به محفظه برخورد کند، یک اتصال کوتاه باعث قطع مدار توسط کلید محافطتی می شود. بنابراین خطر برق گرفتگی برای افراد یا آتش سوزی تجهیزات جرقه زن با قطع برق اضطراری از بین می رود. یک محدودیت مهم مربوط به اتصال خنثی اجباری لوازم خانگی که توسط سیستم TN-C تغذیه می شوند این است که استفاده از مدارهای هم سطح سازی پتانسیل اضافی در حمام ها ممنوع است و همه ساکنان باید این را بدانند.

در حال حاضر، چنین سیستم های زمین را می توان در خانه های قدیمی یافت. اما آنها همچنین در شبکه های روشنایی خیابان ها یعنی جایی که خطر حداقل است، استفاده می شوند.

سیستم TN-S

سیستم TN-S پیشرفته تر و ایمن تر در مقایسه با سیستم TN-C، با هادی های خنثی و محافظتی جداگانه در دهه 1930 توسعه و معرفی شد. این سیستم سطح بالایی از ایمنی الکتریکی افراد و تجهیزات را تضمین می کند. این سیستم، اگرچه یک اشکال بسیار مهم دارد و آن چیزی نیست جز هزینه بالای پیاده سازی. از آنجایی که خنثی های عملیاتی (N) و محافظتی (PE) در خود پست از هم جدا می شوند، تغذیه ولتاژ سه فاز از طریق پنج سیم انجام می شود. و ولتاژ تک فاز از طریق سه سیم تامین می شود. برای اتصال هر دو هادی خنثی در سمت منبع، از نول زمین مرده ژنراتور یا ترانسفورماتور استفاده می شود.

استانداردها نشان می دهد که همه مکان های حیاتی، و همچنین ساختمان های تامین انرژی در حال ساخت یا نوسازی، باید دارای سیستم TN-S نصب شده باشند، زیرا سطح بالایی از ایمنی الکتریکی را فراهم می کند. متأسفانه، استفاده و اجرای گسترده سیستم TN-S با سطح بالای هزینه ها و جهت گیری بخش انرژی کشورمان بر روی منبع تغذیه سه فاز چهار سیمه از پیاده سازی این سیستنم مانع می شود.

شکل سیم کشی حالت تکفاز این سیستم به صورت زیر است.

عملکرد کلید RCD (جریان باقیمانده تفاضلی) در سیستم TNS در صورت اتصال کوتاه بار در طرف مصرف کننده به صورت زیر است:

سیستم TN-C-S

به منظور کاهش هزینه سیستم TN-S ایمن با هادی های خنثی جداگانه N و PE، راه حلی ایجاد شد که امکان استفاده از مزایای آن را با بودجه کمتر، اما کمی بالاتر از سیستم TN-C فراهم می کند. اصل این روش اتصال این است که پست برق را با استفاده از یک نول PEN ترکیبی متصل به نول زمین مرده تامین می کند. در ورودی ساختمان، این خنثی  به دو شاخه به یک خنثی محافظتی PE و یک هادی دیگر که به عنوان خنثی N عملیاتی در سمت مصرف کننده کار می کند، تقسیم می شود.

این سیستم دارای یک اشکال قابل توجه است: در صورت شکستگی یا سوختن هادی PEN در قسمت "پست - ساختمان"، ولتاژهای خطرناک روی هادی PE و در نتیجه در تمام قسمت های محفظه وسایل برقی رخ می دهد. بنابراین، هنگامی که از TN-C-S استفاده می شود، که در کشور ما بسیار رایج است، مقررات نیاز به اجرای اقدامات ویژه برای محافظت از هادی PEN در برابر آسیب دارد.

شکی زیر سیستم TNCS را در سمت مصرف کننده بهتر نشان می دهد.

سیستم TNCS برای حالت تکفاز به صورت زیر است

سیستم اتصال به زمین TT

هنگامی که برق از طریق خطوط هوایی گسترده در مناطق روستایی تامین می شود، اگر از سیستم ناامن TN-C-S استفاده شود، اطمینان از حفاظت کافی از هادی خنثی ترکیبی PEN دشوار است. سیستم های TT بیشتر و بیشتر در چنین مناطقی استفاده می شوند. آنها نیاز به اتصال به زمین نول منبع و انتقال ولتاژ سه فاز روی چهار سیم دارند. سیم چهارم یک خنثی N عملیاتی است. یک سیستم الکترود زمینی محلی، معمولاً میله-راد در کنار مصرف کننده نصب می شود و تمام سیم های PE خنثی محافظتی متصل به قطعات محفظه به آن متصل می شوند.

در مناطق شهری، TT اغلب برای تامین برق نقاط تجارت خیابانی استفاده می شود. با این روش اتصال زمین، قطع کننده مدار و حفاظت در برابر صاعقه الزامی است.

سیستم TT در حالت تکفاز با شکل زیر توصیف می شود

استفاده از کلید RCD (کلید جریان باقیمانده) در سیستم های TT الزامی است.

دلیل الزام استفاده از کلید RCD در سیستم TT در اینجا شرح داده می شود:

سیستم TT شکل زیر را با مقاومت های داده شده زمین و ولتاژ ورودی 230 ولت در نظر بگیرید. این سیستم فعلاً با کلید محافظت نشده است:

مقاومت کل مسیر فالت (اتصال کوتاه) را می توان در شکل زیر خلاصه کرد:

بنابراین جریان عبوری حاصل اتصال کوتاه از این مسیر به صورت ساده زیر قابل محاسبه است

Isc=230/60.61=3.8A

ولتاژها در هر نقطه از زمین به صورت زیر قابل محاسبه است

اکنون شکل بالا را با فرض نصب کلید RCD قبل از بار در نظر بگیرید:

همانطور که شکل بالا قابل مشاهده است جریان کشیده شده از منبع 8.8 آمپر و جریان عبوری به زمین 3.8 آمپر است و همچنان 5 آمپر از سیم نول به منبع برگشت می کند.

با توجه به اینکه تقاضل جریان کلیدهای RCD به مقدار 30 میلی آمپر است پس بنابراین کلید RCD قطعاً با این اختلاف جریان در ورودی و خروجی اش تریپ خواهد داد. یعنی اگر از کلید محافظتی MCB استفاده کرده باشیم این کلید نشتی جریان به زمین را متوجه نمی شود در حالیکه کلید RCD به محض ایجاد اختلاف جریان بیشتر از 30 میلی آمپر سیستم را قطع خواهد کرد.

در جدول زیر ماکزیمم امپدانس زمین برای عملکرد صحیح کلید های RCD با جریان تفاضلی مختلف ذکر شده است:

 که مقادیر بالا از رابطه زیر به دست آمده است

R_a x I_Δn ≤ 50 V

که در آن Ra مجموع مقاومت های الکترود زمین و سیم حفاظتی است. نکته اینکه اگر RA برای ما مجهول باشدمی تواند جایگزین Zs شود.

مثال: سیستم سه فاز زیر را در نظر بگیرید:

مقاومت زمین شبکه 10 و مقاومت الکترود زمین محلی 20 اهم در نظر گرفته شده است.

جریان فالت عبوری از زمین به صورت Id = 231 V / (10+20) Ω = 7.7 A محاسبه می شود.

ولتاژ فالت از رابطه Uf = Id x RA = 7.7 x 20 = 154 V به دست می آید که ولتاژ خطرناکی محسوب می شود. همانطور که می دانیم ولتاژ تماس 50 ولت در نظر گرفته می شود. با توجه به رابطه بالا جریان تفاضلی کلید RCD برابر است با IΔn ≤ 50/20 = 2.5 A

با این محاسبات می توان نتیجه گرفت که به جای کلید RCD با جریان تفاضلی 30 میلی آمپر می توان از یک کلید تفاضلی 300 میلی آمپر استفاده کرد. اما اگر Ra=200 اهم باشد در اینصورت IΔn ≤ 50/200 = 0.25 A به دست می آید که دیگر مجاز به استفاده از کلید 300میلی آمپری نیستیم.

2. سیستم خنثی ایزوله IT

در تمام سیستم هایی که در بالا توضیح داده شد، خنثی به زمین متصل است، که این سیستم ها را نسبتاً از نظر حفاظتی قوی می کند. با این حال همه آنها دارای تعدادی اشکالات قابل توجه هستند. سیستم‌هایی بسیار پیشرفته‌تر و ایمن‌تر هستند که از یک خنثی ایزوله استفاده می‌کنند که یا کاملاً به زمین متصل نیست یا با کمک تجهیزات ویژه و دستگاه‌هایی با مقاومت بالا به زمین متصل می‌شوند. به عنوان مثال، سیستم IT. این روش‌های اتصال اغلب در تأسیسات پزشکی برای تأمین انرژی تجهیزات پشتیبانی حیات، در پالایشگاه‌های نفت و نیروگاه‌ها، آزمایشگاه‌های تحقیقاتی با ابزارهای بسیار حساس و سایر تأسیسات حیاتی استفاده می‌شوند.

سیستم IT

این یک سیستم کلاسیک است که ویژگی اصلی آن یک خنثی جدا شده از منبع - I و همچنین یک حلقه زمین محافظ T در سمت مصرف کننده است. ولتاژ از منبع به مصرف کننده از طریق کمترین تعداد سیم ممکن منتقل می شود و تمام قسمت های رسانای محفظه تجهیزات مصرف کننده باید به طور ایمن به سیستم الکترود زمین متصل شوند. هیچ هادی خنثی N عملیاتی در بخش "منبع - مصرف کننده" در معماری IT وجود ندارد.

«زمین قابل اطمینان امنیت را تضمین می کند»

تمام انواع سیستم‌های اتصال زمین برای اطمینان از عملکرد مطمئن و ایمن لوازم الکتریکی و تجهیزات متصل شده در کنار مصرف‌کننده و همچنین محافظت از افرادی که از این تجهیزات در برابر شوک الکتریکی استفاده می‌کنند، طراحی شده‌اند. هنگام طراحی و نصب سیستم های منبع تغذیه با اتصال زمین عملیاتی و حفاظتی به عنوان اجزای جدایی ناپذیر آنها، احتمال وقوع ولتاژهای خطرناک در محفظه های رسانای دستگاه ها و تجهیزات صنعتی باید به حداقل برسد.

سیستم زمین باید یا پتانسیل خطرناک را از سطح یک جسم حذف کند یا از عملکرد وسایل حفاظتی با حداقل تاخیر اطمینان حاصل کند. در هر مورد، طراحی بدون نقص ، یا برعکس، نقص یک سیستم زمین، ممکن است به قیمت جان انسان تمام شود.

جدول سایز سیم نول عملیاتی و محافظتی شبکه در برابر سیم فاز در جدول زیر خلاصه شده است. دقت داشته باشید که در شبکه روشنایی خیابانی فقط مجاز به بکارگیری قطر سیم نول 4میلیمتری هستیم و در غیر اینصورت حداقل قطر سیم نول باید 16 میلیمتر باشد.

بطر کلی مدل اتصال زمین در سیستم های TN و TT به صورت زیر برای انجام محاسبات و حفاظت داده می شود:

امپدانس حلقه اتصال کوتاه از رابطه Z_s=Z_e+Z₁+Z₂ به دست می آید. 

که در آن Ze امپدانس اتصال کوتاه، Z1 امپدانس خط و Z2 امپدانس مسیر زمین به منبع است.

با توجه به فرمول های زیر جدول زمانی تجهیزات حفاطتی به دست می اید:

که در آن C_min برابر 0,95 در نظر گرفته می شود.

همچنین برای کلید حفاظتی RCD از روابط ذکر شده در سیستم TT استفاده می کنیم.